扩频通信技术与应用课程教学实践

前言：想要写出一篇引人入胜的文章？我们特意为您整理了扩频通信技术与应用课程教学实践范文，希望能给你带来灵感和参考，敬请阅读。

摘要:本文以“扩频通信技术与应用”课程为例，探讨新工科理念下工程学科实践教学改革，提出的具体改革措施包括:开展虚拟仿真实验，充分发挥双师型教师的主观能动性，开展Matlab仿真训练、工程技术实训及相关的创新创业训练，结合企业实习以及开展国际交流合作等。

关键词:新工科;扩频通信技术与应用;工程实践

引言

教育部于2017年2月了《教育部高等教育司关于开展“新工科”研究与实践的通知》，对工程人才培养提出了更高的要求。“新工科”已成为我国工程教育改革创新的新理念［1～3］，它有“五个新”:即工程教育的新理念、学科专业的新结构、人才培养的新模式、教育教学的新质量、分类发展的新体系［4］。目的是培养造就一大批多样化、创新型卓越工程科技人才，为我国产业发展和国际竞争提供智力和人才支撑。为了适应新工科理念下的高等工程教育，需从高校教学改革入手。工程学科，如通信工程、信息工程、物联网工程等专业，目前课程教学上仍存在诸多问题，如缺乏实践教学，教学内容老化单一，教学环节设置不合理等，尚无法适应当前“新工科”的要求，急需按照“新工科”理念、路线和指南对工程专业课程教学改革创新，进一步优化工程管理人才培养模式和教学方式。本文以“扩频通信技术与应用”课程为例，探讨新工科理念下工程学科实践教学改革。扩频通信系统是指待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数扩展后成为宽频带信号，然后送入信道中传输，再利用相应手段将其解扩，从而获取传输信息的通信系统。与常规的通信系统相比，扩频系统具有很强的抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多径的能力，此外还具有信息隐蔽、多址保密通信等优点。由于扩频通信独具特色，自诞生之日起，就受到军方的极大重视。近十多年来，随着信息技术的迅猛发展与日益普及，扩频通信技术已在军用和民用通信领域得到广泛应用，并伴随GPS卫星定位、手机等产品迅速进入大众生活，逐渐发展成一门成熟的通信技术。“扩频通信技术与应用”课程是在对扩频技术相关概念进行深入阐述的基础上全面介绍了扩频通信系统以及扩频技术的发展和应用，如将混沌序列作为扩频码进行扩频，以及电信运营商的移动通信网络(WCDMA、CDMAEVDO、TDSCDMA)、WLAN网络、蓝牙网络以及GPS网络、LoRa物联网等的具体工程应用，课程教学内容构架图如图1所示。该课程作为我院通信工程和信息工程专业核心课程，围绕建设“双一流”、应用型内涵、高峰高原学科光学工程中的网络通信工程，根据“新工科”建设的理念，积极开展课程实践教学改革，让通信工程、信息工程专业的本科生及物联网方向的研究生了解和掌握扩频通信的原理、技术特点、实现方式和具体工程应用，对于工程应用型人才培养以及毕业后走上相关的工程技术岗位有着十分重要的意义。

1课程教学现状

传统的“扩频通信技术与应用”课程的教学工作，受限于软硬件设施等各方面的原因，课程教学的开展目前存在以下诸多问题:

1．1教学方法仍以讲授为主

由于受到现有教学条件的限制，目前本课程教学主要还是教师全程讲授与灌输，学生被动接受，未能充分发挥学生的主观能动性，达不到培养优秀工程能力的目的。

1．2没有开展相关实验

课程内容基本围绕扩频通信的理论原理和应用讲解，理论性较强，没有让学生动手开展相应的实验，导致学生在学习过程容易感到枯燥，难以掌握，从而导致兴趣下降，达不到预期教学效果。难以开展实验的原因有:①企业级移动通信设备价格昂贵，我院投资100多万建设了一套移动通信基站系统，但是主要设备仅有一套，无法满足每年300多名学生的实验要求。②学生无法了解商用扩频通信机房的真实布局。商用机房因其工作性质不会对外开放，学生即使在企业实习时也无法到机房里参观了解商用机房的内景布局情况，更无机会参与商用机房的建设实施。③学生无法实践操作扩频通信设备的安装。学生在课堂教学中仅能学到扩频通信设备的工作原理、安装规范的要求，但是无法真实体验设备的安装过程。

1．3没有与工程技术实训相结合

通信工程的发展迅猛，传统实验室设计的应用环境无法与工程中的实际环境相比较。而进入实际一线的工程操作环境训练，才能真正提高学生对通信工程技术掌握的熟练度和创新能力。

1．4没有结合相关产业的新发展

与扩频技术相结合的物联网和通信等新工科专业发展日新月异，传统的课程教授内容按照既定的课本教学内容，有的已经过时，无法有效激发学生的学习兴趣。总之，现有的“扩频通信技术与应用”课程教学存在各种不同与弊端，与“新工科”建设对工程专业人才的培养要求仍有差距。因此在新工程建设背景下，对该课程的教学体系进行改革，制定并开展可行性强的课程教学改革方案，以达到工程专业所需的高素质的工程应用人才目标显得十分必要。

2课程教学模式改革探索

我们在工程课程教学中积极强化项目实践教学，以适应新工科发展需要。具体改革措施如下:

2．1开展虚拟仿真实验

扩频通信的规划优化及建设需要大面积的场地，若实地训练还需要耗费大量的人力物力。因此结合真实移动通信系统场景，为学生提供一个规划优化学习、研究和创新设计的虚拟实训实验环境很有必要，既能够帮助学生所见即所得地快速熟悉和掌握规划和优化技术，又能够积累扩频通信无线网络覆盖规划和优化方面的实际工程操作经验，达到既能加深对于理论知识的理解又可达到积累实践经验的效果。本课程借助我院获批的省级移动通信虚拟仿真实验中心及国家级虚拟仿真实验项目，不断整合丰富扩频通信相关规划优化和硬件安装建设内容，培养提升学生扩频通信规划建设能力，创新工程教育方式与手段，落实以学生为中心的工程教育模式，为学生后续的通信工程工作打下坚实基础。我院的省级移动通信虚拟仿真实验中心、国家级虚拟仿真实验项目采用引导式、互动式的教学方法辅助学生进行移动现网基本情况及基站设备安装的认知学习。教学中可虚实结合，先在实验室里让学生认识通信设备实物，学习通信设备基本工作原理;然后通过虚拟仿真方式构造出一套完整的移动现网商用级通信机房，虚拟机房外景与内景的建设最大程度忠实于移动现网机房，引导学生学习掌握企业商用机房的建设要求、设备布局;接着，通过互动式的教学方式，采用虚拟设备的人机交互操作方法，对企业级通信设备和设备的安装过程开展仿真，以虚拟的技术手段再现设备安装过程的重要环节。设备安装前可通过仿真实验界面学习主要设备的安装规范要求，然后开始交互式操作实验，一步步完成机房主设备安装、室外设备安装、天线安装、GPS天线安装、防雷箱安装，以及设备之间的线缆走线，通过虚拟技术手段，让学生体会到真实的安装过程。虚拟仿真实验系统由课程实验仿真平台和虚拟实验教学管理系统两部分组成。仿真平台采用虚拟技术仿真实验中用到的器材和设备，提供与真实实验相似的实验环境;虚拟实验教学管理系统提供全方位的虚拟实验教学辅助功能，包括:实验前的预习、实验的开课管理、典型实验库的维护、实验教学安排、实验过程的指导、实验结果的批改、实验成绩统计查询等功能，为实验教学环境提供服务并开展应用。该实验系统弥补了目前移动通信课程中无法实施基站设备安装实验的缺陷，通过3D建模的企业级机房实景，使学生生动而真实地了解与掌握了企业级机房的布局情况;通过器材库提供的通信设备与辅材，加深对扩频通信设备的认知与掌握;通过学习设备安装规范以及一步步的模拟安装实验，了解与掌握了建设与开通移动基站站点的过程。不仅使学生加深了理论知识，而且也掌握了企业级的设备安装与实际操作。经过虚拟实验训练的学生具备了一定的工程实践能力和工程实践经验，更能适应企业的工程技术、网络管理、系统维护等工作岗位需求。通过虚实结合应用模型进行网络规划优化及工程建设安装，可以激发学生的创新意识，培养学生的创新能力。达到最终“了解技术、融合知识、结合实际，递进能力”的目的。

2．2发挥双师型教师主观能动性

为了达到工程应用型课程最佳教授效果，充分发挥双师型教师的主观能动性。本课程的讲授教师选拔的是具备高级工程师和副教授职称的双师型教师，教学效果受到学生的一致好评。双师型教师有丰富的工程实践经验，能够更好地根据课程的特点，清晰说明工程实际的重难点，同时结合各种具体案例，生动形象地讲授，可以使学生最快掌握通信工程的关键。同时教师应具备跨学科的综合知识能力，包括通信、互联网、物联网及云计算等的理论及实践知识，以适应“新工科”课程教学的要求。

2．3开展相关Matlab仿真设计训练

实际工程应用中通常需要改进现有扩频通信系统，使其符合工程要求，特别是复杂工程，若采用传统的构建实验系统并采用仪器测量后调整设计的方法费时费力，且参数调整困难。利用Matlab中可视化仿真工具SIMULINK可建立扩频通信系统端到端仿真模型，为扩频技术在工程实际中的研究和设计提供了依据，学生可以直观看到扩频的效果，深刻理解扩频码的作用及扩频通信原理与技术特点，扩频通信同步跟踪技术、CDMA码分多址的技术特点等，加深学生对扩频知识的理解和掌握，培养学生设计综合性复杂工程的能力，同时提升学生的编程和仿真水平，为有兴趣的学生进一步科研打下坚实的基础。

2．4开展相关通信技术实训

我院借助大唐公司移动设备建立了移动通信实验室，包括了核心网及室外、室内分布基站各一套，以及基站维护终端设备等，学生在该移动通信实验室开展通信技术实训。通过该实训，结合扩频通信技术，开展扩频通信基站实操能力训练，包括制作基站的配置文件，调测开通基站，排除基站开通的各种故障，相当于完成通信工程督导等相关通信岗前培训。通过工程实训，扩展学生对所学扩频通信知识的运用，加深对扩频相关产品和具体生产流程的认识，了解通信、物联网企业生产和运营规律，提高学生对实际扩频通信系统的认识和运行维护操作技能，培养通信工程基本素质和岗位能力，为学生毕业后从事通信工程工作打下良好的基础。

2．5开展创新创业训练及竞赛

从对知识综合运用和对市场调查分析上，结合大学生创新创业活动及竞赛，开展扩频通信及物联网(如Lora)相关的软件和硬件开发，分析该技术的市场需求改进之处，观察分析利润点，寻找创业切入点，针对性地进行创新创业能力训练。在双师型教师的指导下，以学生为主完成扩频系统研发，同时评估市场利润、运营成本以及风险，协助学生提升扩频技术的综合应用能力和创新创业能力，学以致用。

2．6组织到相关企业实习

与通信、物联网企业密切交流与合作，结合大四年级的毕业实习和企业校招的契机，进入通信、物联网一线企业，深入了解扩频技术发展的新趋势，以及实际工程应用中存在的难点及解决方案，学习相关企业工程组织和管理知识，为从事相关的通信、物联网工程工作奠定坚实的基础。

2．7结合相关产业领域的新发展

“扩频通信与应用”课程突出实践教学、综合性教学，将扩频技术相关产业和技术的最新发展、行业对人才培养的最新要求引入教学过程，及时更新教学内容和课程体系，同时结合科研成果，让学生获取到扩频技术最新应用进展和实践发展新经验，促进学生在将来的工作中起到领军作用。

2．8积极开展国际交流与合作

2018年1月经教育部批准我校和英国哈德斯菲尔德大学在通信工程专业校际合作项目获得批准，这是屈指可数的本科层次工程类4+0双学位中外合作办学项目。英国哈德斯菲尔德大学以在电子工程与信息技术等领域内提供高质量的教学而享有盛誉。“扩频通信技术与应用”也入选了中英合作办学的课程，通过与英国大学的密切合作，进一步拓展了学生的国际视野，同时中英文双语教学，培养国际化工程技术人才。

3结语

“新工科”建设为高校工程学科带来了新的机遇和挑战。工程学科需按照“新工科”建设要求加强工程教育课程实践教学变革创新，本文以“扩频通信技术与应用”课程为例，详细介绍了工程专业实践教学改革的主要措施，包括通过虚拟仿真实验、双师型教师授课、Mat-lab仿真训练、工程技术实训、创新创业竞赛与训练、毕业实习、与相关产业与领域新发展相结合及开展国际合作交流等协助学生深入掌握工程实践技术，以培养出符合“新工科”建设要求的卓越工程人才。

参考文献:

［1］钟登华．新工科建设的内涵与行动［J］．武汉:高等工程教育研究，2017．6:1-6．

［2］吴爱华，侯永峰，杨秋波，郝杰．加快发展和建设新工科，主动适应和引领新经济［J］．武汉:高等工程教育研究，2017．3:1-8．

［3］胡波，冯辉，韩伟力，徐雷．加快新工科建设，推进工程教育改革创新．上海:复旦教育论坛，2017．3:20-27．

［4］林健．面向未来的中国新工科建设［J］．北京:清华大学教育研究，2017．2:26-35．

作者：王徐芳 吴怡 郑云 单位：福建师范大学