无线电波测量实验教学方式研究与探讨

罗伟 王敏 王斌 尹波

（重庆邮电大学光电工程学院 重庆 400065）

0 引言

当前移动通信系统与雷达遥感技术的飞速发展，对电子信息类人才关于无线电波测量等方面的工程实践能力与创新思维能力提出更高的要求。无线电波传播系列课程（包括《电磁场与电磁波》、《微波技术基础》/《微波工程》、《电波传播与天线》、《天线原理与设计》、《无线传播与网络规划》等课程）是我校电磁场与无线技术本科专业的基础课程群。目前，已有通信与信息大类、电子工程大类、数理科学与信息技术类以及电子工程大类实验班等多个专业和实验班的专业培养方案对此系列课程有所涉及。因此与无线电波传播理论相对应的电波测量技术实践能力培养，对于电子信息类大学生专业课程教学具有重要意义。

无线电波传播系列课程理论体系严密，知识较为抽象，学生对知识的掌握度较为困难。该类课程以多径信道特征、典型室外电波传播模型及典型室内传播模型为理论基础，包含移动通信电波传播的测量与仿真，以及无线通信网络规划两部分工程技术内容，如图1所示。必要的实验开设，有利于抽象知识的形象化、具体化，增强学生学习对该系列课程的学习兴趣，提高学习的动力，将极大的促进该系列课程的教学工作。同时，理论与实验相结合对学生创新能力的培养，对应用型、工程型人才的培养也十分重要。

图1：无线电波传播系列课程知识体系

1 电波测量实验教学方法改进的思路和技术路线

无线电波测量相关课程改造以理论结合实践为原则，基于电波传播学科发展特点与相关知识技能的教学方法改进进行实验课教学方法和教学内容的研究和实践。根据电子信息类本科生培养大纲结构特点与本校学科特色，采用以下技术路线开展实验教学改革工作：

1.1 深入调研，建立实验课程改进方案

针对电磁场与无线技术、电子科学与技术、电子信息科学与技术、电子信息工程等本科专业的培养大纲内容进行研究分析，总结各个专业针对电磁场与电磁波理论、天线原理、电波传播及无线通信等课程设置顺序结构规律，思考如何针对性引入关于电波传播实验实践课程内容，从而配合理论课程教学。调研国内各大电子信息特色类高校关于电波传播实验教学课程开设情况，与相关优秀教学团队和教学名师开展深入交流合作，汲取先进的教学理念与教学方法，并转化为适合本校人才培养特点的教学培养方案。与国内主流移动通信运营商和设备商等用人单位进行交流沟通，了解当前电子信息类企业对于应届生人才知识结构和技术能力的具体需求，以用人单位需求为牵引进行相关专业工程实践教学改革研究探索。充分与本科生进行交流，增强师生互动，掌握学生对课程了解程度，对于学生普遍反映的难以学习课程和难以理解的知识点从教学方法革新角度进行思考。

1.2 课程教学内容更新

在前期调研的基础上，针对电波传播实验课程内容进行更新。基于当前移动通信技术发展对于无线电波传播知识的要求，引入业界常用的电磁仿真技术教学内容；结合企业对本科应届生工程实践能力的要求，引入常用硬件电波测量技术教学内容；根据相关工程实践技术的要求，结合相关本科专业培养大纲内容，加入计算电磁学理论基础知识，便于学生理解电磁仿真工具工作原理并熟练掌握软件操作。根据授课专业对象，适当调整理论课时与实验课时比例。精确分析控制理论授课与实验授课的时间次序，确保先学理论后做实验，避免学生在实验课程中无序盲目操作。尝试模糊化理论授课与实验授课的界限，例如将部分理论知识在实验课堂进行讲授，然后立即进行实验操作验证，从而加深学生对理论的理解。对于硬件电波测量技术的培养，实验场地不再局限于实验室，而是在校园室内外环境中进行移动通信电波测量分析，尽量构造真实无线通信网络规划与测量工程场景，从而培养学生工程技术能力。

1.3 课程考核方式改进

从学生课堂表现、实验报告、学评教等维度进行电波传播实验教学内容更新效果考察和评价。常规实验课程考核主要针对学生实验报告质量进行检查评分，这种方式不利于全面具体地考察学生学习能力和效果。与传统学习效果考察机制不同，本课程在考察过程中以成绩分数等量化指标为基础，同时也引入学生的主观反馈。在课堂现场对学生的学习情况进行考察评分，实时发现学生的问题，并予以指导和解决。不仅考察本课程学习效果，同时考察本课程教学内容更新对其他相关课程学习的影响，以及对学生知识体系构建的作用。同时也应认识到，这种改进后的考核方式对教师个人能力与教学工作量提出挑战。在学生人数较多的情况下，需要通过增加助教的方式应对学生的考核需求。通过教学课程考核方式改革实践，总结教学规律，形成关于电子信息类课程教学考核方式改革方法。

2 实验内容更新方法

统筹考虑不同课程内容，结合实验设备特点，以课程群实验的设置为目标，打造专业基础实验模块，加深学生对重要知识和规律的认知，提高学生的知识学习效果，培养学生的创新意识和能力。具体开发项目为：

（1）电波传播仿真软件基本操作（验证实验）：指导学生掌握FEKO软件的基本工作原理，了解该软件仿真分析移动通信电波传播的基本原理和流程，熟悉软件界面结构及菜单功能，掌握电磁环境建模仿真的基本方法。采用FEKO作为电波传播仿真工具，向学生讲解物理光学法（PO）、几何光学法（GO）及射线追踪方法（Raytracing）等计算电磁学算法基本原理，并指导学生掌握电磁工程仿真的基本操作方法。

（2）城区无线传播案例仿真分析（设计实验）：指导学生熟悉城区传播仿真的基本流程，掌握城市建筑物几何建模方法，熟悉几何体材料属性设置，熟悉激励波形、天线、发射机、接收机、通信系统参数等设置，掌握仿真结果的查看与分析。针对移动通信网络室外宏站场景特点，指导学生进行典型城区电波传播环境建模，引入宏基站工程参数设置，仿真宏站环境小区电波传播覆盖，并进行数据统计分析。

（3）室内无线传播案例仿真分析（设计实验）：指导学生掌握室内传播仿真的基本流程，掌握室内布局和设施几何建模方法，熟悉模型编辑、材料属性设置，掌握激励波形、天线、发射机、接收机、通信系统参数等设置。针对4G与5G移动通信的室内通信场景，指导学生对室内分布系统基站与天线的选型和设置，建立教室环境的室内通信场景模型，进行电波传播仿真与分析，进而完成数据统计。要求学生熟悉接收功率、传播路径等仿真结果的查看与分析，能够基于仿真现象，掌握室内布局及环境对于电磁波传播的影响规律及其原理。

（4）室内环境无线电波测量方法（设计实验）：在室内通信环境电波传播仿真的基础上，开展电波测量教学。指导学生掌握无线频谱分析仪的基本原理与操作方法，以校内无线基站信号为基准，在教学楼内容进行电波频谱测量与分析，并与仿真分析结果进行验证讨论。在此基础上，教学团队搭建无线通信发射机控制平台，模拟实际中小型基站电波发射现象，进而指导学生在建筑物内进行移动通信电波覆盖现象测量分析，以及简单室内无线网络规划与优化工程实践学习。

3 实验教学改革目标

（1）通过开设实验，有利于抽象知识的形象化、具体化，增强学生学习对该系列课程的学习兴趣，提高学习的动力，将极大的促进无线电波传播系列课程的教与学。

（2）为无线电波传播系列课程开出实验，为不同专业相关课程个性化的实验安排提供支持，为学校多个专业和实验班创新的人才培养提供支撑。

（3）为电子科学与技术专业、电磁场与无线技术专业提供专业基础实验，提高专业实验课教学质量，为创新型、工程型人才的培养提供支撑。

4 实验项目教改效果分析

通过对《无线传播与网络规划》课程实验内容的更新，教学内容和方式实现了良好的改进。

教学内容方面，结合目前无线电波传播研究最新进展与移动通信企业界的用人需求，引入新的仿真与测量技术教学。考虑到学生接受能力与业界常用电磁仿真软件特点，采用FEKO作为电波传播仿真工具进行城区与室内典型移动通信场景电波传播与信号覆盖仿真教学，实现了电磁场与电磁波理论知识与无线通信技术的良好衔接。由于实验设备与软件平台的欠缺，前期该系列课程对应的电波传播相关实践教学内容存在不足。通过学校对实验教学设备的支持，购置10台便携式频谱分析仪，建立了无线电波测量设备平台，从而有效开展室内环境中移动通信电波信号空间分布与频谱特征测量教学工作。

教学方式方面，结合多媒体技术进行电磁仿真软件操作教学。教师在讲台电脑上进行软件操作，学生可以清楚地跟随教师进行软件学习，尽量减少学生通过软件操作教程学习的时间，有效提高了软件学习效率。在学生掌握基本操作后，教师指导学生自主进行建模分析，激发学生创新思考能力。对于电波测量实践能力的学习，教师先指导学生掌握测量仪器的基本原理和操作方法，然后由学生自主设计测量方案并进行测量操作和数据处理分析，有效培养学生工程实践能力。

5 结语

本文针对无线电波测量实验教学的教学改革思路、实践方式及教学效果进行了阐述和讨论。结合电磁场与无线技术本科专业课程《无线传播与网络规划》的具体实验改革措施，对如何通过实验教学提升电子信息类本科生工程创新能力及相关问题进行探讨。本次实验教学改革实践，是未来系统地进行本科生专业实验教学以及工程创新能力培养的一次初步尝试，对于电子工程相关专业人才培养方法具有一定的借鉴意义。