突出空天特色的“通信网络”案例式教学

宋晓勤 雷 磊 杨 阳 张莉涓 宋茂忠

(南京航空航天大学 电子信息工程学院,南京 210016)

2021年7月,《教育部等六部门关于推进教育新型基础设施建设构建高质量教育支撑体系的指导意见》颁布。教育新基建旨在推动教育信息化和现代化,利用信息技术和网络平台等手段,构建数字化、网络化和智能化的教育环境,提供更加丰富、灵活和高效的学习与教学方式[1-2]。2022年12月,教育部高等教育司司长吴岩在新华网教育论坛上指出,要全力抓好高校教育教学新基建,并特别强调“课程是人才培养的核心要素”。

“通信网络”是信息工程专业和电子科学与技术专业的一门必修课,其内容覆盖面广、专业术语众多且协议设计抽象。此外,现代通信网络发展日新月异,而教材更新周期相对较长,无法将最新技术及时融入教材。

针对课程特点与传统教学方法中存在的问题,引入案例式教学,提升课程的“两性一度”。案例式教学[3-4]是一种符合教育新基建要求的教学方法,它充分利用信息技术和多媒体资源,创造互动性和实践性的学习环境,提高学生的学习参与度和实践能力。同时,学生通过团队合作解决问题,还可以培养协作精神并提升综合素质。

在对教学案例进行设计与选题时,充分考虑了南京航空航天大学“航空、航天和民航”的办学特色,将科研中所研究的空天地一体化组网关键技术,经过抽象提炼,引入教学中,做到科教融合。通过教学实践,最终形成以学生为中心的案例式教学范式,并为学生提供多种深入研究的途径,践行专创融合。

综上所述,在教育新基建背景下,将案例式教学用于“通信网络”课程中具有重要的意义,能够提高学生的参与度、促进学生综合能力提升并适应当今航空航天工业人才培养的需求。

1 人才培养需求分析与案例设计标准

随着网络技术在空天领域的快速发展,对高质量人才的需求日益增长。亟需培养具备空天电子信息专业知识、实践能力与创新思维的高素质人才。

1.1 空天网络的专业知识

空天地一体化网络旨在实现卫星、空中和地面之间高速、安全且可靠的数据通信。因此,除了传统的地面通信网络外,学生还应了解卫星通信的基本概念和运行模式,无人机集群网络的架构及特点,以及面向空天地一体化网络的拓扑结构、网络传输协议、数据安全等知识。

1.2 实践创新与学科交叉

空天网络领域的人才应该具备分析和解决复杂问题的能力,能够在设计和实现空天网络时提出创新的解决方案。空天网络领域涉及多个学科和领域的知识,需要具备跨学科的交叉能力。人才应该具备工程学、计算机科学和电子通信等多个学科的基础知识,能够进行跨学科的融合应用。

总之,空天网络领域需要培养具备航天知识、通信网络技术和数据传输安全等基础能力的人才,并注重多学科的交叉能力和解决问题、创新的能力。这样的人才可以在空天网络的设计、建设、运维等领域发挥重要作用,并推动该领域的发展和进步。

从教育新基建的发展背景及高校人才培养发展现状出发,通过与高校教育机构、企业和行业专家等进行访谈,调研高校人才培养需求,以及新时代和新发展格局下,培养人才所需的技术能力、创新意识、团队协作能力和法律伦理素养。结合空天领域人才培养需求采用对比研究方法,分析高校人才培养能力需求和现有能力状态的差距,分析目前人才教育培养中存在的问题,采用多因素分析法得到人才教育的制约因素及其产生根源,如图1所示。

图1 空天特色典型教学案例的设计

2 学生工程实践能力培养与提升方法

遵循“两性一度”和成果导向教育(Outcome Based Education,OBE)理念的学生工程实践能力培养[5]与提升方法如图2所示,包括“物联网+”与“智能+”赋能的空天网络案例和学生自主探索新兴技术的工程实践能力培养两方面的内容。

图2 学生工程实践能力培养与提升方法

以星地融合网络和无人机集群网络等为典型案例,通过实现多智能体的协同与交互,让学生深入理解互联网和智能技术在空天通信领域的重要作用。这样的案例能够提升学生的工程实践能力,并推动他们应对空天网络挑战的能力发展。在学生能力培养方面,注重学生的自主探索与创新培养,激发学生的研究兴趣,并鼓励他们自主选题、自主设计和实施项目。

3 教学案例设计与实施

下面以星地融合网络切片中的资源调度技术作为典型案例,说明以学生为中心的案例式教学过程。星地融合网络是实现未来空天地一体化的重要一环。卫星网络具有覆盖范围广、可扩展性强和不易受到自然灾害破坏等优点,将其与陆地5G/6G移动通信网络相融合,在提供全球互联网服务、远程医疗、智慧城市和无人驾驶等应用方面发挥了重要的作用。空天地一体化模型[6-7]如图3所示。

图3 空天地一体化模型示意图

教学案例的设计过程涵盖了课前准备、课中实施和课后延伸等阶段,旨在引导学生理解与应用星地融合网络中的通信资源分配技术,并掌握相关的网络切片技术和双深度Q网络(double deep Q network,DDQN)深度强化学习算法。

3.1 课前准备

(1) 确定教学目标:教师设计案例的目的是让学生理解和应用星地融合网络中的资源调度问题,并掌握网络切片技术和DDQN深度强化学习等算法。

(2) 确定教学内容:教师将构建星地融合网络基于网络切片的系统模型,解决通信资源分配问题,作为本次案例式教学的内容。

(3) 准备教学材料:教师准备案例学习材料,包括相关论文、书籍、案例分析和实验结果等。

(4) 学生自主学习:根据教师提供的预习材料,学生自主学习星地融合网络的基本概念、通信资源分配问题和网络切片技术等知识。

(5) 学生理解案例背景:学生通过阅读相关材料,理解基于智能认知与协同技术的泛在卫星通信系统研发的背景,并理解星地融合网络的问题。

3.2 课中实施

(1) 学生讲解系统模型:学生通过小组或个人展示,讲解星地融合网络中基于网络切片技术的系统模型。可以用PPT展示或录制视频等方式介绍模型的构建,包括节点设备、网络连接和用户等,并考虑约束条件,如中继节点和链路带宽的优化。

(2) 学生分享实验结果:学生可以分享在使用DDQN深度强化学习理论中所得到的实验结果,包括网络切片服务延迟与最大化智能体的奖励收益等。并通过小组或全班讨论,相互评估、学习和提供改进意见。

(3) 监督并指导学生:在学生进行讲解和探讨过程中,教师起到监督和指导的作用,确保学生对系统模型、优化问题模型和DDQN深度强化学习应用有正确理解,并提供必要的补充说明。

(4) 解答问题与引导讨论:教师鼓励学生提问问题,解答学生的疑惑,并引导他们深入讨论和思考,以促进学生思维发展和提升问题解决能力。

3.3 课后延伸

(1) 独立思考与实践:学生在课后独立思考如何进一步优化星地融合网络中的通信资源分配,尝试设计其他类似的优化算法或方案。

(2) 后续研究与讨论:学生可申请大创课题或进行毕业设计,对该内容进行深入研究。

(3) 复习与答疑:教师安排课后复习与答疑环节,解答学生对课堂内容的疑问,巩固学生对教学案例的理解。

(4) 提供相关学习条件:向学生提供课后阅读材料和科研条件,例如相关论文、书籍或在线资源,并通过大创项目或省优毕设培育项目提供研究经费支持,支持学生进一步深入研究。

通过案例式教学,学生不仅能够将理论知识应用于实际情境,还能培养问题解决和团队合作的能力。同时,教师的指导和评价也为学生提供了必要的引导和反馈,以确保他们在学习过程中的有效掌握和进步。

4 案例式教学实施效果

通过“通信网络”的案例式教学实践以及在课外科研与竞赛中进行拓展延伸,已经取得了显著的人才培养效果。创建了学校“空天数字孪生网络系统”综合创新基地和“未来网络创新应用”主题创新区。指导学生参加第六～八届中国大学生“互联网+”创新创业大赛(I级甲等)共获得国赛金奖3项、银奖2项和省赛一等奖3项,获评优秀指导教师和实践指导优秀奖一等奖。指导学生获2021年度江苏省优秀本科毕业设计1篇,推荐2023年度江苏省优秀本科毕业设计1篇,获校级优秀本科毕业设计一等奖3篇、二等奖1篇。近3年来,指导本科生申请国家发明专利18项,其中6项已授权。2021年指导学生参加京都创业赛(I级乙等)获得2大奖项。2023年指导本科生参加首届“凌特杯”通信系统设计大赛,获得一等奖。

5 结语

根据航空航天行业对高校人才培养的需求,“通信网络”课程组明确了课程培养目标,并设计了空天通信网络关键使能技术的典型教学案例。通过在课程中采用案例式教学,学生不仅可以巩固和掌握通信网络的基本原理和网络体系架构,还能熟悉网络的部署过程和运维方法,为他们将来从事空天通信网络等技术领域的工作奠定了坚实的基础。此外,案例式教学还培养了学生的创新能力与团队协作精神。根据学生反馈,他们在案例实践中获得了实际操作的机会,并且通过项目汇报提升了深入理解和应用所学知识的能力。课程组还为学生提供了课外实践平台和各类竞赛指导,实现了专创融合。综上所述,案例式教学模式的引入,能够为学生提供更加综合且实践性的培养,使他们在未来的职业发展中能够更好地应对空天通信网络等领域新技术的挑战。