专创融合驱动的“移动通信”课程教学改革

戴燕鹏 林 彬 吕 玲 梁梓仪 赵立宏

(大连海事大学 信息科学技术学院, 大连 116026)

面对新一轮的科技革命和产业变革所带来的挑战,2018年教育部提出了“把深化高校创新创业教育作为推进高等教育综合改革的突破口”[1],即实行专业教育和创新创业教育相结合的“专创融合”教育[2]。教育部《高等学校课程思政建设指导纲要》指出“高等学校人才培养是育人和育才相统一的过程。建设高水平人才培养体系,必须将思想政治工作体系贯通其中,必须抓好课程思政建设,解决好专业教育和思政教育‘两张皮’问题。”[3]这对于当前通信工程专业的人才培养提出了新的要求和挑战。

对于通信工程专业而言,单一的技术型人才已无法适应未来岗位所需,势必要培养具有正确的价值观,且创新能力和专业知识同时具备的综合型人才[4]。因此,“移动通信”课程教学需要从专创融合角度出发,以提升授课效果。然而,传统授课模式只注重书本知识,缺乏探索思考和课程思政,不利于学生养成创新能力和树立正确价值观。因此,亟需深入梳理课程教学内容,将课程思政、科学实践、创新精神的培养有机结合起来。

本文从“移动通信”这一通信工程专业重要专业课程着手,采用CDIO(Conceive Design Implement Operate)+问题驱动(Problem-Based Learning, PBL)[5-6]的教学模式,从思政教育、课堂模式、课堂实践三个方面提出教学改革方法,促进专创融合教育落实,达到培养正确价值观、专业知识与创新能力并存的新型人才的目标。

2 课程现状与问题

2.1 课程思政亟需加强

在传统的移动通信教学中,教师在向学生介绍通信发展历程时,大多只介绍通信发展起源,以及关键理论和技术的贡献者,其中以外国科学家居多。这就导致学生对我国通信技术发展历程、现状与前景的认识不足,对中外通信技术的发展现状缺乏正确的认识,民族自豪感不强。因此,我们需要加强课堂思政教育,增强学生对我国当前移动通信技术的了解及其未来发展的正确思考,从而培养学生的爱国热情,提升学习兴趣。

2.2 授课模式单一

在传统的教学模式中,教师大多采用“注入式”的教学方式,限制了学生创新思维和能力的塑造。在课堂上,教师一味地按照教材或课件授课,学生被动地接受教师的讲解,机械地记忆教师所讲的内容[7]。在这种教育模式下,教师和学生的互动十分有限。近年来,这种现象虽有所改善,但多为低效互动。除了教学模式手段单一外,教师和学生都较为依赖于书本知识,重视知识的结论和考试成绩,而忽略对知识的探索与推导过程。这种机械的应试教育会使学生逐步变为习惯于被动学习的“工具人”,缺乏学习的热情和主动性。因此,亟需提升学生的课堂参与度,培养学生的批判思维和创新思维,实现“专创融合”教育。

2.3 实践环节薄弱

除了要掌握教材上的知识,通过具体的实践活动来加深对教材知识的理解是必不可少的。目前的许多教学活动中针对这一点,进行了诸多改进,但仍存在一些弊端。首先,现有的实践大多基于硬件平台,存在硬件教学平台成本高、更新速度慢、设备老旧等问题,致使实验数据不准确、实验过程易出错,严重影响实践效果与质量。其次,当前的实践活动内容大多是针对教材上的原理,或是基础的硬件实验。实践内容相对滞后,未能与时俱进[8]。最后,实验课程基本为教师给出实验步骤,学生按部就班即可完成实验,缺乏对实验过程的自主思考与探索。以上因素均影响了学生实践能力与创新思维的培养,阻碍“专创融合”教育落实。

3 教学改革策略

3.1 讲解我国通信发展

在课程思政上,我们将我国通信发展历程融入课程内容的讲解,达到令学生将个人理想与国家建设相融合的目的[9]。

一方面,教师需将思政元素融入理论技术讲解中,加强思想引领。比如在介绍双工与半双工时,就可以以“半部电台”为例。 1930年,红军在与国民党军的战斗中缴获了一部“只能收报,不能发报”的电台,其被称作“半部电台”。由此,红一方面军举办了第一期无线电队训练班,开始了我国无线电技术力量逐步壮大的过程。

另一方面,教师注重介绍我国科学家如何历经万难填补了我国在通信领域技术空白,摆脱了西方国家对我们的技术封锁的过程,以此来激发学生的民族自豪感与学习热情。比如,我国于2001年所提出TD-SCDMA被正式接纳为无线通信国际标准,这在一定程度上结束了我国每年都要向欧美国家交巨额专利费的历史。当前,我国在5G技术上以绝对优势领先,全球5G标准申请总数中华为达到了3147项,占比14.5%左右,稳居榜首。

3.2 授课方式多样化

在授课方式上,我们采用CDIO+PBL相结合的教学模式,将授课方式从“知识核心”转向“素质核心”,让学生的专业能力更加匹配行业和社会的需求。CDIO理论是一种新型工程教学理念,包括构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)、运作(Operate)。PBL教学法是一种设计学习情境的教学方法。两种方式均是以学生为中心,改变传统教学中“以教师讲授为中心”的教育模式。不同的是,CDIO理论强调实践与理论相结合,让学生在实践中获取知识。PBL教学法强调从问题出发,通过设置问题情境,带动学生主动分析和解决问题。两者有机结合,形成基于CDIO+PBL的教学模式,可以更为全面地改善学生工程实践能力差、缺乏主动性、创新意识薄弱等问题[10],促进“专创融合”课程教育的有效落实。

同时,不能一味地重视对学生能力方面的提高,而忽视学生的个人基础差异。利用CDIO理论,将授课方式从“集体授课制”转为“分层异步授课”。按照学生的学习能力和学习进度划分不同的学习层次,实行分层要求、异步指导、分类推进的策略,逐步实现学习的个性化[11]。课堂互动模式要从“展示”走向“分享”,利用PBL教学法让学生分享问题、分享思考、分享想法,而非直接让学生展示答案,避免机械化学习以及复制粘贴现象,使学生可以更好地理解与掌握课程知识。通过这种互动模式,不仅可以拉近师生关系、增强师生互动,更可以充分调动学生的积极主动性和学习兴趣。

3.3 通信仿真技术实践

在课程实践上,我们积极地采用先进通信仿真技术,克服因设备成本高、更新慢和实验内容老旧所引起的许多前沿问题和技术无法引入课堂的问题[12-13]。目前Matlab、Python等都包含了移动通信的工具箱。应用这些仿真平台,可以进行一些先进通信技术的仿真实验,无需在线下进行复杂的硬件平台设置,摆脱了传统硬件平台设备的限制,增加了实验的多样性。在教学过程中,教师通过仿真软件平台展示一些网络场景和问题的仿真验证与初步探索,使一些难以理解的技术和理论推导更为直观[14]。

在仿真实践的过程中,学生充分利用仿真软件的各项功能,可以更方便地对实验进行调整并进行设计性实验,从而更好地将一些关键技术理论融汇贯通。在操作过程中就可以充分锻炼学生分析问题、解决问题的能力,加强学生对移动通信原理的认识与理解,增加学生在学习过程中的成就感,提高学生的工程实践能力。同时,不同理论知识与仿真操作过程都有共通处,方便同学之间相互讨论,锻炼了学生的自主思考能力与团队协作能力。通过这种方式,调动每一名学生的积极性,“从实践中来,到实践中去”,从而令巩固专业知识与培养创新能力并举,保证“专创融合”教育的有效实施。

4 改革成效分析

4.1 启发式教学育创新

以4G LTE移动通信核心技术讲解为例。首先通过介绍我国提出的TD-LTE成为4G国际主流标准,让学生了解我国移动通信的这一历史性转折点,引起学生的爱国热情和民族自信心。进而采用PBL教学法,提出4G LTE系统在设计阶段所面临的关键问题,启发学生对该知识点的思考,比如:提出小区间干扰是限制移动通信网络系统容量提升的关键因素,使学生们对4G LTE系统如何抑制小区间干扰这一关键问题产生浓厚的兴趣。然后,利用CDIO教学理论讲解4G LTE系统中针对关键问题所设计的核心技术,例如在讲解4G LTE系统多点协作技术时,将讲授内容分解如下:

(1)技术构思:由于小区间干扰严重的区域集中在小区边缘,属于多个基站共同覆盖的区域,只依靠单个基站很难改善干扰,因此多个基站协作通信的技术构思被提出。

(2)设计要点:基于多个基站协作通信的技术构思,介绍多点协作技术的设计要点,让学生了解协作基站之间数据传输和信令交互的方式。

(3)实现方法:根据系统设计要点进一步介绍多点协作技术的实现方法,深入讲解多点协作技术的类别、实现步骤和技术要点,让学生们掌握这一部分的重要知识点。

(4)标准运作:介绍当前4G LTE技术标准中多点协作技术的协议标准和运作场景。

在学习完课程知识后,学生们将以小组为单位进行课程报告,根据当下国内外技术发展现状,运用所学习的课程知识提出未来移动通信方面的新技术、新产品或新应用。如图1所示为学生在课堂上进行报告的实例。课程报告结果统计显示,90%的学生可以利用所学习的课程内容,提出创新想法;66%的学生可以正确地运用所学知识,给出合理的设计方案;30%的学生认为自己的设计方案可以用来参加大学生创新创业大赛;7%的学生认为自己的方案可以申请专利或撰写科技论文。

(b) 移动通信技术新应用场景综述图1 移动通信创新想法课堂报告示例

以上授课方法利用CDIO和PBL实现了启发式教学,让学生们掌握了某一移动通信技术的关键知识点,也了解了技术发展背后的产生原因和演化过程,提高了授课质量。

4.2 加强实践促专创融合

以移动通信多输入多输出(Multiple-Input-and-Multiple-Output,MIMO)系统容量讲解为例。首先通过介绍MIMO技术在现代移动通信中的重要作用以及进阶版的Massive MIMO在5G中应用,既可以向学生介绍国际主流的新技术,也可以激发学生的学习兴趣。进而采用CDIO+PBL教学方法,讲解MIMO系统的关键技术内容。在完成以上授课内容之后,利用Matlab软件进行MIMO系统的仿真实现,讲解MIMO系统是如何提高系统容量并受到哪些因素的影响。如图2所示为MIMO系统的仿真实践结果,其中所展示的教学内容如下:

(b)MIMO系统误码率仿真实践图2 MIMO系统仿真实践示例

(1)掌握收发天线数量对于MIMO系统容量的影响,即系统容量与天线数量呈正比关系;

(2)直观感受到MIMO系统提升网络容量的能力,即在无需增加额外带宽和发射功率的情况下,能够大幅度提升网络容量。

在课上完成仿真步骤讲解后,通过以小组为单位进行作业布置,小组内的每个人都有自己的子课题,彼此之间既有共通点,也有不同点。这不仅培养了学生的团队协作能力,也培养了独立思考的能力,有效地促进专创融合教育的落实。课程仿真实践结果统计显示,全部学生均能够掌握Matlab软件编写仿真代码;83%的学生可以得到与课上仿真实践相同的仿真结果,掌握了所讲授的课程重点;12%的学生能在课上仿真实践的基础上,启发性地得到新的仿真结果,且保证结果的正确性。

5 结语

从“移动通信”课程特点出发,结合“专创融合”的思想,积极改善传统课堂的弊端,从多个方面着力培养学生的创新思维、学习自主性以及实践能力。在思政教育方面,我们将教学内容与课堂思政有机融合。在授课方式上,我们通过基于CDIO+PBL的教学模式,以学生为主体,以问题为导向,将理论结合实践,提高学生自主学习的能力;改变传统课堂互动模式,让学生成为“分享”的主体。在课程实践方面,我们充分利用多种软件仿真平台的优势来进行教学,进一步激发学生的学习热情;通过小组活动等方式来提高学生的团队协作能力和专业实践能力,有效地促进专创融合教育的落实。