通过综合性实验培养学生创新实践能力

通过综合性实验培养学生创新实践能力

杨俊东　余　江　赵东风　丁洪伟

（云南大学信息学院 　昆明　650091）

摘要：工科学生的创新实践能力是人才培养的重要目标和质量评价标准。对于通信工程专业，电信技术的迅猛发展，使得本科教学和人才培养面临新的要求和挑战。着眼应用实际培养具有扎实理论基础又有创新实践能力的通信专业人才是办学单位不断追求的目标，在教学过程中抓好实践教学环节往往可以收到较好的效果。本文结合云南大学信息学院通信原理课程开展综合性实验的设计进行了分析讨论。

关键词：创新实践能力　通信原理实验　单元实验　综合性实验

当前数字电视地面标准的激烈讨论、手机电视的试播、基于OFDM的WLAN广泛运用、采用GMSK的GSM系统到GPRS的成熟过渡、TD-SCDMA第三代移动通信标准的系统测试和商业试验网的开通、基于DMT的ADSL宽带大量推广等等，无不吸引着通信工程专业学生的注意力。

一方面现实中的先进和具体生动的应用，另一方面是课堂中基本理论基本技能的学习培养，再有用人单位对毕业生要求的不断提高，如何将基础、困难、复杂的理论分析计算与工程专业实践性突出的特点密切联系，培养具有扎实理论基础，又有较强创新实践能力并受用人单位肯定的本科通信工程专业学生是各院校面对的压力和挑战。

就学生动手实践能力的培养，在人才培养理念、课程体系设计、理论教学、实验教学、毕业设计、生产实习、社会实践、实践基地建设、EDA和DSP各类竞赛等诸多环节中相互关联和密切联系，对于一部分院校和大多数的学生而言，在这中间因地制宜开展好实验教学尤其抓好综合性实验环节往往现实而且能够收到事半功倍的效果。

云南大学信息学院在通信工程专业实验教学环节中，抓住电路电子基础实验，通信原理、微波与电磁场专业基础实验，交换技术、光纤通信、卫星通信、电视广播、移动通信、射频等专业实验，根据实际情况，在实验内容开设尤其是综合性实验开设方面进行了一些尝试，一方面做到把教学资源的利用最大化，另一方面着眼实验环节培养学生创新实践能力，以通信原理为例进行以下探讨。

在本科通信原理课程的教学中，要求实验课程的内容对理论的学习提供形象、具体的支持，让学生在动手操作过程中对于信号、码型、编码、译码、频谱、功率、调制/解调等重要概念有感性、深刻的认识，但目前的以下两种主要思路有一定的不足。

一类是单元模块电路实验内容，以AM、FM模拟调制解调，模拟信号数字化PCM、DPCM，数字信号模拟调制FSK、PSK、QPSK，基带传输和线路码型（HDB₃）的实验内容为基础，如图1所示，增加GMSK、QAM、CDMA等内容。另一类是软件仿真实验，通过SystemView、Matlab等软件仿真环境，对于单元模块和系统进行仿真实验，借助软件分析处理的强大功能对于信号、信号频谱、眼图、星座等形象展示，让学生有生动的认识和体会。

图1　通信原理单元实验

前一种情况如果是现成的实验电路，学生仅仅能够测量一些关键信号点和波形，实验完成以后也不知道如何实现、如何应用、如何分析和调测，实验的效果有折扣。如果要通过芯片进行模块电路设计，则通信原理的教学内容强化不够，学时上不好把握。而且通信是全程全网的系统，如何建立模块的概念、培养系统级的认识方法，及对系统的分析把握是非常重要的。对于软件仿真，因为参数调整方便、可以灵活设置，往往可以实现系统的设计和性能分析，但是没有硬件实物，没有仪器设备以及电路的调测，动手实践能力的培养有影响。将这两种手段有效的结合起来是非常好的选择，但如何紧密结合也是困扰人的问题。

结合我们的实际情况，在通信原理实验教学过程中，对于综合性实验我们采用了在单元实验基础上将模块电路进行相互连接实现系统功能的设计与调测的方式开展，在此基础上进行自选题目的综合性实验及课程设计，以达到夯实基础、验证为辅、自主尝试、鼓励创新的实验教学。

一、单元实验

在开设的通信原理实验中，把PAM、PCM、DPCM、HDB₃、ECC、FSK、PSK、QPSK这些基本验证实验内容作为基础，在这些实验内容开展的过程中，强调其电路实现和输入/输出的外特性以及该单元在通信系统组成中所代表的功能项，在验证基本原理的同时为综合性实验做好准备，为调测、分析通信系统做准备。

通过PAM、PCM、DPCM实验，使学生对模拟信号到数字信号转换，奈奎斯特抽样定理、信源编码方法、系统幅频特性、TDM、路际串扰、信息传输速率、带宽等重要问题加深印象，并能够由此考虑信源编码当中的主要问题。通过PSK、FSK实验，使学生对于调制解调即数字信号模拟传输理解深化，当中涉及的PN序列、滤波、载波同步、定时提取、位同步、判决再生、眼图等重要问题有形象化的素材。通过ECC实验，使学生对于信道编码问题增加感性认识，由此考虑生成多项式、码字距离、纠检错与码字距离关系、监督矩阵、分组码、循环码、卷积码、编码效率等问题。通过HDB₃实验，使学生对基带传输当中码型选择问题有足够的认识，从而对信号频谱、系统频带、传输速率、同步、误码率等问题有更好的认识。

尽管每个单元实验很基础，实际上也是一个简单的通信系统的实验。比如DPSK实验，实验模块原理图如图2所示。

图2　DPSK调制解调单元实验

基带信号是24位周期的NRZ信号，速率取值16Kb/s，位定时16kHz，帧信号0.67 kHz，经过差分编码、相位选择实现调制，载波采用64kHz；解调采用相干解调，利用Costas环提取相干载波后用乘法器与调制信号相乘经低通滤波鉴相，经过电压比较器过零判决后再通过数字锁相环提取位同步信号，在所提取的BS位同步信号下对基带信号判决再生。实验中要求学生对于数字基带信号的码型、速率，载波的幅值、频率进行适当选取设置。在波形观察记录中，要求对于同频同相载波获取的认识理解，即如何调整元件参数，通过双踪示波器观测，实现载波同步。

在这个实验完成后，可以向学生提出问题：DPSK信号源的基带信号来自何处？可以是什么样的信号？该模块支持什么样的输入？信号参量如何？解调时如果不提取同步载波、位同步，可以怎样简化？调制输出的信号如果要实现无线传送，对后继模块有何要求以及怎么才能够实现？基带信号模拟传输的调制方式还有哪些？目前实际应用的系统采用什么样的技术？

通过上述的问题让学生思考通信系统是全程全网，由传输、交换、同步、信令及管理各个环节组成的，在通信原理课程中学习的基本知识是现实应用的归纳、抽象。通过具体个案有了感性认识，就要关注应用实际，尽量举一反三、普遍联系。

二、综合性实验

每个单元模块实验我们都是按照上述的方式开展，注重外特性、接口特性，重视调试与测量，在强化通信原理基本理论认识的同时，强调通信是一个系统，需要有系统的观点来分析认识。在完成这些单元实验以后，我们给学生提出一个具体要求，如何将上述实验用到的基本单元模块和实验室能提供的其他模块连接起来实现一个完整通信的系统，并且是尽可能多的运用已有的单元模块，自己提出初步设计方案。

在这个要求下，结合已经完成的单元实验和通信系统的各个组成部分，学生做出了各种初步设计，如图3、图4、图5所示。

图3　综合性实验设计一

图4　综合性实验设计二

在初步设计提交时候，教师和学生的讨论环节是非常重要的，即所做设计需要的条件是否具备，单元模块的接口特性是否满足要求，如果不满足设计方案需要怎么修改。将每一次的修改都做好记录，反复多次确定后，由学生选取所需模块搭建系统，调测、观察波形、作好数据记录，最后撰写提交综合性实验的实验报告。

在综合性实验设计一中，单音和PCM、PSK调制解调、码型变换、终端模块是单元实验中涉及的内容，如要连接起来则要分析其接口参量。PCM输出是64Kb/s的单极性信号，码型变换模块为了方便单元实验是以24位为周期，通过帧信号控制显示的，PCM的信号没有这样的特点，它的帧信号8kHz；学生又提出采用HDB₃编码以后再PSK调制，分析讨论后PSK调制输入是单极性信号，上述分析讨论后现有条件无法实现，只有取消该码型变换单元，同时对于PSK载波信号频率选取应大于64kHz如选取256kHz，则同步载波提取Costas环VCO本振频率也要调节，据此注意同频同相。实验过程中，诸多模块进行调测的时候，提示学生先将PSK按照单元实验的连接方法根据选取的参数调节好以后，再将PCM、信道模拟等模块逐步引入。整个系统连接完毕以后PCM译码的2MHz、64kHz、8kHz信号简化为PCM编码端所采用的信号，还原单音信号不理想，让学生思考原因，引导学生思考网络收发同步问题。实验设计二与实验设计一近似。对于信号源采用数字基带信号，可采用码型变换模块，如图5所示。

图5　综合性实验设计三

该综合实验的开展，将单元实验串联起来，学生初始的设计方案没有考虑到实验单元的约束条件，通过讨论分析后恍然大悟，感性认识非常强烈，动手实践的内容很丰富。综合了通信原理课程内容的很多知识，达到了综合实验预期目标。同时在该次实验中信道模拟、频谱分析、时分复用、射频发送、接收等模块要求学生自己查看资料后选用，增加了实验的复杂性。而且要求学生实验完成以后，不同实现方案之间进行讨论交流，拓展思路。

这部分内容完成以后，我们又要求学生对Matlab Simulink中的Digital Video Broadcasting Model、Bluetooth Voice Transmission Model、WCDMA Spreading and Modulation、256-Channel ADSL等复杂的例子进行调试，因为有了自主思考动手的硬件综合实验环节，学生对于通信系统的认识有了比较充分准备，对于模块、单元电路、系统模块连接、接口参量有了感性、切实的体会，对于复杂的软件仿真有了分析的思路，学习质量和教学效果有了很大的提高。

三、课程设计综合实验

有了上述锻炼以后，学生思考问题还仅仅是停留在对已有实现的软硬件资源使用这样的阶段，如何根据具体的需求和应用实际，学以致用，提出解决问题的方案和设计实现，以达到创新实践能力的飞跃，我们又向学生提出了如何利用芯片和开发环境进行系统功能实现的自选题目的课程设计实验环节。比如提供学生ispPAC在系统可编程模拟器件，要求实现滤波器、宽带放大器；提供CPLD器件要求实现曼彻斯特、卷积、BCH信道编码；提供61单片机要求实现处理机通信等等。通过这些难度较大的综合实验，学生的实践能力培养有了更大的提高。

整个实验的教学环节，考虑了基础、综合、提高三个层次的内容。先完成单元实验，对现有模块了解认识后开展硬件综合，并提供学生开发系统进行自选题目的课程设计。整个实验教学既有对模块连接实现系统，又有利用芯片对功能系统进行的设计实现，有如“搭积木”的方式进行，既有对重要知识和已有实现的验证性环节，又有如何实现的综合环节。“搭积木”的过程是学生“天马行空”思维发散的过程，是用联系的思想分析问题的过程，是在由切实感性认识的条件下进行综合设计的过程，而硬件的确实条件又有了“硬”的约束，这是学生思考在动手实践过程中必须小心谨慎对待，有力的培养了学生工程实践的观点。学生积极主动思考提出的各种方案在现有模块条件和所给芯片的约束下做出多次的调整修改，在这个过程中以往忽略或者并不注意的问题，一下子突出了出来，给学生压力想法解决。有利于培养学生的创新能力。这样让学生在自主的实验环节中，对于通信系统的关键概念、指标等有了深刻的认识，培养了严谨求实的作风。从学生的反馈意见看，这样的实验收获大，很多以前模糊的问题和概念，在课程设计综合实验中得到了解决。

四、结束语

通过这样的实验教学体系，给学生以压力，让学生的积极性得以调动，能够积极主动的查找资料、查看手册、分析模块和芯片外特性及接口参量，能够让学生深刻思考通信系统各个组成部分的功能作用，对于系统设计、调测有了一定的认识和积累。对于通信系统能够从宏观、微观的方面进行学习。也实现了现有教学资源利用的最大化。

该综合实验教学的关键点在于将学生实验环节的被动状态改变为主动积极思考，在现有的硬件条件下开展，考虑了单元实验与综合性实验的相互衔接，根据学生学习的情况，又提出课程设计的具体要求，对于学生尽量实现因材施教。这样的综合性实验是硬件实验的综合，对于学生动手实践能力的培养很有意义，体现了工科的特点。对于基本理论认识、系统思想的培养有很大的帮助，极大地促进了通信原理理论的学习以及学习效果的巩固。

通过各类实验课程尤其是其中综合性实验的开展，对于我院通信工程专业学生的实践能力培养起到了积极的作用，对于教学质量有了较大的提高，学生的实践能力得到了用人单位的肯定，在EDA、DSP等国家级竞赛中取得了一定的成绩。

创新实践能力是人才培养的根本，教育工作者需要根据情况变化不断地总结提高，因地制宜、与时俱进。

参考文献

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