基于專題研討的通信工程專業(yè)課教學(xué).doc

基于專題研討的通信工程專業(yè)課教學(xué) 曾菊玲，王剛，劉馨瓊，嚴(yán)朝軍 （三峽大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，湖北宜昌443002） 摘要：提出基于專題研討的通信工程專業(yè)課教學(xué)模式的設(shè)想，闡述專題確立及研討實(shí)施的方法，以斯坦福大學(xué)的無線通信原理課程為例，分析專題確立的科學(xué)性以及講授內(nèi)容與專題研討的相互支撐關(guān)系，以期對(duì)通信工程專業(yè)課教學(xué)改革有所幫助。 關(guān)鍵詞：專題研討；專題確立；研討實(shí)施；通信工程；無線通信原理 基金項(xiàng)目：國(guó)家自然基金項(xiàng)目（41172298）；三峽大學(xué)博士基金項(xiàng)目（06201xx9）；三峽大學(xué)教學(xué)基金項(xiàng)目（Jxx061）。 第一作者簡(jiǎn)介：曾菊玲，女，副教授，研究方向?yàn)閷拵o線接入網(wǎng)的QOS技術(shù)及資源管理，julingzeng163.。 0引言 國(guó)內(nèi)很多高校嘗試了通信工程專業(yè)課教學(xué)改革，一些專業(yè)實(shí)力較強(qiáng)的大學(xué)如清華大學(xué)等1-2，提出學(xué)生直接參與科研項(xiàng)目的研究性教學(xué)模式，對(duì)改變專業(yè)課教學(xué)內(nèi)容陳舊、單一的現(xiàn)狀起到重要作用。然而，這一教學(xué)模式需要豐富的、合適的科研項(xiàng)目以及教師本身對(duì)學(xué)科前沿和工程實(shí)際的深入研究和學(xué)生良好的學(xué)科基礎(chǔ)作支撐，很多學(xué)校不具備這樣的條件。專題研討的教學(xué)模式中，專題的深度和覆蓋面更容易掌控，以專題為線索組織研討更便于學(xué)科前沿與基礎(chǔ)知識(shí)的融匯以及理論與實(shí)踐的結(jié)合，形成良好的課程體系；更便于發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，使其得到從知識(shí)準(zhǔn)備到系統(tǒng)設(shè)計(jì)、從個(gè)人能力到團(tuán)隊(duì)合作、從動(dòng)手能力到語(yǔ)言表達(dá)等多方面的訓(xùn)練。 1專題確立 合理選取專題是基于專題研討的專業(yè)課教學(xué)能否成功的關(guān)鍵。 首先，基于通信行業(yè)的發(fā)展特點(diǎn)，教師應(yīng)通過專題研究克服教學(xué)大綱和教材內(nèi)容陳舊的缺陷，令專題的內(nèi)容緊跟學(xué)科前沿，順應(yīng)通信行業(yè)快速發(fā)展的現(xiàn)狀。同時(shí)，考慮到教學(xué)的目的是培養(yǎng)應(yīng)用型人才，專題新穎性和內(nèi)容寬窄程度應(yīng)有別于科學(xué)研究，選取那些具有相對(duì)明確發(fā)展方向和相對(duì)完善理論基礎(chǔ)的熱點(diǎn)問題，為學(xué)生從事專業(yè)工作奠定知識(shí)基礎(chǔ)，也為學(xué)生貫通前沿與基礎(chǔ)知識(shí)奠定能力基礎(chǔ)。因此，專題的新穎程度應(yīng)稍低于科研課題而覆蓋面更寬。 其次，選取的專題應(yīng)能在知識(shí)體系中提綱挈領(lǐng)，注重前沿與傳統(tǒng)、應(yīng)用與基礎(chǔ)、知識(shí)與能力、能力與素養(yǎng)的貫通，使繁雜的內(nèi)容以專題為線索體系化。同時(shí)，教師在專題研討中要注重專業(yè)課教學(xué)對(duì)學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)培養(yǎng)，在教學(xué)內(nèi)容上不僅要考慮科學(xué)前沿，還要考慮行業(yè)及職業(yè)要求，提供專業(yè)知識(shí)和創(chuàng)新平臺(tái)。 以斯坦福大學(xué)AndreaGoldsmith教授主講的無線通信原理課程3為例。主講人AndreaGoldsmith從加州伯克利大學(xué)（UniversityofCalifornia-Berkeley）獲得博士學(xué)位，具有豐富的科研教學(xué)經(jīng)歷，是軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)的Aelera公司和著名的高通公司發(fā)起人、首席科學(xué)家和首席技術(shù)官，也曾供職于MaximTechnologies、MemorylinkCorporation以及貝爾實(shí)驗(yàn)室，其研究領(lǐng)域包括無線信息論及通信理論、認(rèn)知無線電、傳感器網(wǎng)絡(luò)、綠色無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、智能電網(wǎng)以及通信及信號(hào)處理在生命科學(xué)中的應(yīng)用，幾乎涉獵當(dāng)前無線通信領(lǐng)域的所有前沿，對(duì)通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)以及硬件、軟件各行業(yè)都有相當(dāng)高度的了解。教授多次主講無線通信原理并出版多部相關(guān)教材，豐富的教學(xué)科研經(jīng)歷使其擬定的專題具有很強(qiáng)的科學(xué)性。AndreaGoldsmith教授在無線通信原理課程擬定的專題見表14。 專題特點(diǎn)分析如下： （1）前沿性。表1中專題可分為應(yīng)用（1、6、9）、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)（2、3）、物理層技術(shù)（7、8）及基礎(chǔ)理論（4、5）研究四大類。基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的新型業(yè)務(wù)提供是當(dāng)前移動(dòng)通信的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，而新型業(yè)務(wù)歸納起來主要有視頻類、交互類、社交類等。因此，所選應(yīng)用型專題無線視頻流傳輸（1）、網(wǎng)絡(luò)定位（6）這兩個(gè)專題具有較好的前沿性和覆蓋性；另一應(yīng)用型專題無線電力傳輸（9），將節(jié)能綠色通信與智能電力傳輸相結(jié)合，是未來家居智能的一個(gè)主要方向。網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)研究專題量子通信（2）、無線連接3則為新型業(yè)務(wù)安全性、移動(dòng)性及無縫接入提供新的網(wǎng)絡(luò)解決方案，其中包含量子密鑰、寬帶接入、異構(gòu)融合、虛擬網(wǎng)絡(luò)等內(nèi)容，緊跟新型網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的前沿研究。大規(guī)模MIMO（4）、無線通信新基礎(chǔ)探究（8）這兩個(gè)專題則從物理層面研究新型業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)所要求的并行高速和寬帶信道模型，緊跟MIMO信道信息論、新的信道建模理論等前沿內(nèi)容。表1中的專題以應(yīng)用前沿為導(dǎo)引，提出從應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)傳輸直至信道的網(wǎng)絡(luò)通信各個(gè)層面的前沿研究專題，便于學(xué)生直接切入不同層面的研究前沿。 （2）貫通性。9個(gè)專題中，1、6、9提出3個(gè)無線通信的應(yīng)用熱點(diǎn)，共同的核心問題是無線傳輸自適應(yīng)、高帶寬及有效性，自適應(yīng)通信實(shí)現(xiàn)方法需跨層設(shè)計(jì)，以能夠較好地實(shí)現(xiàn)上層與下層的貫通；以此為線索提出2、3兩個(gè)專題研究支撐新業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)，再往下的7、8兩個(gè)專題研究滿足新型網(wǎng)絡(luò)高帶寬、自適應(yīng)等要求的新的物理層技術(shù)，主要內(nèi)容圍繞新的高速并行信道建模及信息論展開；最后，4、5兩個(gè)專題研究傳統(tǒng)的信道建模理論，為前述專題提供支撐?？梢钥闯?，全部專題實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用與基礎(chǔ)、前沿與傳統(tǒng)、上層與下層的融會(huì)貫通，便于形成良好的理論體系，培養(yǎng)學(xué)生追根溯源的能力。 （3）典型性。表1中的所有專題都是在移動(dòng)互聯(lián)這一典型環(huán)境下，基于OSI分層模型每一層面的最核心內(nèi)容，具有很好的輻射性。專題4、5研究散射信道和多徑傳輸信道模型，這是移動(dòng)通信最基本、最典型的信道建模方法。在此基礎(chǔ)上，專題7、8研究大規(guī)模MIMO等典型無線通信新技術(shù)中的建模及傳輸問題。專題2、3則在專題7、8的基礎(chǔ)上，研究新興業(yè)務(wù)支撐的典型網(wǎng)絡(luò)解決方案寬帶接入技術(shù)。專題1、6、9研究無線視頻流傳輸跨層優(yōu)化、基于傳播自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)定位以及無線電力傳輸。這些專題不僅體現(xiàn)了新興業(yè)務(wù)的集成性、可視性、交互性等典型特點(diǎn)，還包括了QoE、高帶寬、同步、移動(dòng)性、信息安全等移動(dòng)互聯(lián)的典型問題，三類業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)方法跨層優(yōu)化也是目前具吸引力的設(shè)計(jì)方法。 （4）奠基職業(yè)。面向系統(tǒng)設(shè)計(jì)，專題分別從業(yè)務(wù)（專題1、6、9）、網(wǎng)絡(luò)（專題2、3）、射頻（專題4、5）、基帶（專題7、8）層面為學(xué)生奠定通信行業(yè)的四大主流職業(yè)基礎(chǔ)。 （5）成果要求。表1中的專題除了4、5外，其他都采用文獻(xiàn)綜述的成果展示形式，在創(chuàng)新性要求上低于科研成果要求，對(duì)知識(shí)和能力的要求更適合本科教學(xué)；同時(shí)便于學(xué)生通過大量閱讀形成相關(guān)專題的理論體系，通過積累和陳述培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，實(shí)現(xiàn)從學(xué)習(xí)知識(shí)到應(yīng)用知識(shí)的能力提升。 以上分析說明，專題的確立需要相關(guān)教師具有豐富的科研教學(xué)職業(yè)經(jīng)歷，在確立專題時(shí)首先跟蹤學(xué)科前沿，選取具有前沿性、貫通性和典型性的專題并兼顧職業(yè)需求。 2研討實(shí)施 2.1以研討與講授的有機(jī)結(jié)合代替單一的講授 講授法是目前最基本的教學(xué)方法，與此相應(yīng)的教學(xué)組織形式是班級(jí)授課制。這種以班級(jí)授課制為基礎(chǔ)的講授具有一定優(yōu)勢(shì)：以“課”為活動(dòng)單元，循序漸進(jìn)，系統(tǒng)完整；以講授為主，有利于發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用；固定的班級(jí)人數(shù)和統(tǒng)一的時(shí)間單位，有利于教學(xué)內(nèi)容和進(jìn)度安排，保證教學(xué)的有序性。科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步對(duì)學(xué)生現(xiàn)代科學(xué)意識(shí)的要求提高，該方法也不可避免地暴露其局限性：完全以講授為主，學(xué)生的主動(dòng)性和獨(dú)立性受到限制，探索精神和創(chuàng)造能力得不到培養(yǎng)；時(shí)間、內(nèi)容和進(jìn)程的程序化、固定化導(dǎo)致教學(xué)活動(dòng)中難以容納更多的特別是學(xué)科前沿的內(nèi)容和方法；以課程為活動(dòng)單元，課時(shí)限制往往將某些完整的教材內(nèi)容人為地割裂，導(dǎo)致其缺乏系統(tǒng)性。 專題研討需要對(duì)這種班級(jí)授課形式揚(yáng)長(zhǎng)避短，首先由教師對(duì)一些公共基礎(chǔ)知識(shí)以班級(jí)為單位或者針對(duì)專題基礎(chǔ)以研討小組為單位統(tǒng)一講授，為研討提供知識(shí)保證，為教學(xué)有序進(jìn)行提供基本保障。在此基礎(chǔ)上，在教師的指導(dǎo)和組織下，研討以專題為核心內(nèi)容，以小組為單位開展，打破班級(jí)和課堂的時(shí)間、空間、內(nèi)容限制，以保證研討的有序和連貫。 研討與講授有機(jī)結(jié)合是研討實(shí)施的前提條件。我們以斯坦福大學(xué)AndreaGoldsmith教授在無線通信原理這門課中的講授內(nèi)容（見表2）與專題之間的關(guān)系進(jìn)行說明。 對(duì)比表1和表2，我們用圖1描述講授內(nèi)容與專題內(nèi)容的關(guān)系。圖中虛線線條描述了講授內(nèi)容之間的關(guān)系，講授內(nèi)容2、3、4、5、6、7分別從傳播、陰影損耗模型、衰落模型、多普勒擴(kuò)展及時(shí)延等幾方面講述無線及移動(dòng)信道特征，奠定無線通信技術(shù)的基礎(chǔ)；內(nèi)容8、9、10、11、12、13則在此基礎(chǔ)上講述衰落信道的自適應(yīng)調(diào)制及抗衰落措施，講解主要的、基本的無線通信技術(shù)；內(nèi)容14、15、16講述MIMO信道特征及相關(guān)技術(shù)；內(nèi)容17、18、19講述OFDM、擴(kuò)頻等寬帶通信技術(shù)，這是3G、4G的基礎(chǔ)，也是無線通信新技術(shù)。講授內(nèi)容本身從傳統(tǒng)到前沿形成了一個(gè)非常完善的基礎(chǔ)理論體系。圖1中實(shí)線線條描述了講授內(nèi)容與專題內(nèi)容之間的關(guān)系，9個(gè)專題都有充分的講授內(nèi)容支撐，例如，對(duì)于專題1無線視頻流傳輸跨層優(yōu)化，講授內(nèi)容為其提供了自適應(yīng)調(diào)制、OFDM資源分配、MIMO自適應(yīng)通信等多種通信技術(shù)以支持跨層優(yōu)化和保證質(zhì)（QoS）的自適應(yīng)視頻流傳輸。從圖中還可看出，專題研討反過來又為更高級(jí)的講授內(nèi)容提供支撐，例如，專題4、5是現(xiàn)代無線通信的2種典型信道，通過建模可以為無線電力傳輸、基于傳播自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)定位等專題奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為講授衰落信道自適應(yīng)調(diào)制打下基礎(chǔ)。講授內(nèi)容與專題研究互為基礎(chǔ)，逐漸延伸到科技前沿和工程實(shí)際。 2.2以專題研討升華實(shí)踐教學(xué) 目前的教學(xué)實(shí)踐形式有實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)、社會(huì)實(shí)踐等5-6。單一的實(shí)踐形式不能提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)。在專題研討中，教師一方面需要根據(jù)專題內(nèi)容設(shè)計(jì)一些探索性或仿真性綜合實(shí)驗(yàn)，由于從原理設(shè)計(jì)到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、再到結(jié)果分析都需要自主完成，因此可以使專業(yè)理論知識(shí)、綜合實(shí)踐能力、創(chuàng)新精神及人文精神相互融合，避免實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證性傾向；另一方面，通過專題確立階段的行業(yè)發(fā)展、社會(huì)需求調(diào)查和信息收集，通過研討階段的相互協(xié)作，提高學(xué)生的信息能力、方法獲取能力、社會(huì)交往能力等社會(huì)實(shí)踐能力，同時(shí)通過專題的前沿性提升整個(gè)實(shí)踐過程的創(chuàng)新性，將創(chuàng)新精神貫穿于各實(shí)踐環(huán)節(jié)。 2.3將能力培養(yǎng)貫穿專題研討過程 用大學(xué)所獨(dú)具的濃郁文化氛圍和精神氣質(zhì)以及大學(xué)教師傳授知識(shí)、從事科學(xué)研究所體現(xiàn)出的儒雅氣質(zhì)和嚴(yán)謹(jǐn)作風(fēng)，促進(jìn)學(xué)生精神與思想境界的提升，是研討的任務(wù)之一1。通過研討，學(xué)生學(xué)會(huì)與他人進(jìn)行科學(xué)、文化交流與切磋，學(xué)會(huì)團(tuán)結(jié)協(xié)作，是研討的另一作用。具體來說，我們將能力分為個(gè)人知識(shí)能力、系統(tǒng)建構(gòu)能力和人際交往能力；將專題研討分為5個(gè)過程，將能力培養(yǎng)貫穿于整個(gè)研討過程。表3為專題研討的每一過程與學(xué)生能力成長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，5個(gè)過程中，個(gè)人知識(shí)能力經(jīng)歷從上至下再?gòu)南轮辽系膬蓚€(gè)知識(shí)及技術(shù)推理過程訓(xùn)練，系統(tǒng)構(gòu)建方面則經(jīng)歷系統(tǒng)分解再重新合成兩個(gè)過程。 3結(jié)語(yǔ) 專題探討模式使通信工程專業(yè)課教學(xué)瞄準(zhǔn)時(shí)代前沿，統(tǒng)領(lǐng)基礎(chǔ)，開啟專業(yè)，優(yōu)化課程體系，凝練課程內(nèi)容，從各環(huán)節(jié)提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)，是一項(xiàng)非常有意義的工作。在專題確立、講授配合、研討組織等方面還有待于我們進(jìn)一步研究。 參考文獻(xiàn)： 1馬開劍.大學(xué)教學(xué)論基礎(chǔ)M.濟(jì)南:山東大學(xué)出版社，xx:8-18. 2李曼麗.用歷史解讀CDIO及其應(yīng)用前景J.清華大學(xué)教育研究,xx,29(5):78-87. 3GoldsmithA.WirelessCommunicationsM.Cambrige:CambridgeUniversityPress,xx:158-170. 4EE359,WirelessCommunication