戴燕鵬 林 彬 呂 玲 梁梓儀 趙立宏

(大連海事大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 大連 116026)

面對新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革所帶來的挑戰(zhàn),2018年教育部提出了“把深化高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育作為推進高等教育綜合改革的突破口”[1],即實行專業(yè)教育和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育相結(jié)合的“專創(chuàng)融合”教育[2]。教育部《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》指出“高等學(xué)校人才培養(yǎng)是育人和育才相統(tǒng)一的過程。建設(shè)高水平人才培養(yǎng)體系,必須將思想政治工作體系貫通其中,必須抓好課程思政建設(shè),解決好專業(yè)教育和思政教育‘兩張皮’問題?！盵3]這對于當前通信工程專業(yè)的人才培養(yǎng)提出了新的要求和挑戰(zhàn)。

對于通信工程專業(yè)而言,單一的技術(shù)型人才已無法適應(yīng)未來崗位所需,勢必要培養(yǎng)具有正確的價值觀,且創(chuàng)新能力和專業(yè)知識同時具備的綜合型人才[4]。因此,“移動通信”課程教學(xué)需要從專創(chuàng)融合角度出發(fā),以提升授課效果。然而,傳統(tǒng)授課模式只注重書本知識,缺乏探索思考和課程思政,不利于學(xué)生養(yǎng)成創(chuàng)新能力和樹立正確價值觀。因此,亟需深入梳理課程教學(xué)內(nèi)容,將課程思政、科學(xué)實踐、創(chuàng)新精神的培養(yǎng)有機結(jié)合起來。

本文從“移動通信”這一通信工程專業(yè)重要專業(yè)課程著手,采用CDIO(Conceive Design Implement Operate)+問題驅(qū)動(Problem-Based Learning, PBL)[5-6]的教學(xué)模式,從思政教育、課堂模式、課堂實踐三個方面提出教學(xué)改革方法,促進專創(chuàng)融合教育落實,達到培養(yǎng)正確價值觀、專業(yè)知識與創(chuàng)新能力并存的新型人才的目標。

2 課程現(xiàn)狀與問題

2.1 課程思政亟需加強

在傳統(tǒng)的移動通信教學(xué)中,教師在向?qū)W生介紹通信發(fā)展歷程時,大多只介紹通信發(fā)展起源,以及關(guān)鍵理論和技術(shù)的貢獻者,其中以外國科學(xué)家居多。這就導(dǎo)致學(xué)生對我國通信技術(shù)發(fā)展歷程、現(xiàn)狀與前景的認識不足,對中外通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀缺乏正確的認識,民族自豪感不強。因此,我們需要加強課堂思政教育,增強學(xué)生對我國當前移動通信技術(shù)的了解及其未來發(fā)展的正確思考,從而培養(yǎng)學(xué)生的愛國熱情,提升學(xué)習(xí)興趣。

2.2 授課模式單一

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中,教師大多采用“注入式”的教學(xué)方式,限制了學(xué)生創(chuàng)新思維和能力的塑造。在課堂上,教師一味地按照教材或課件授課,學(xué)生被動地接受教師的講解,機械地記憶教師所講的內(nèi)容[7]。在這種教育模式下,教師和學(xué)生的互動十分有限。近年來,這種現(xiàn)象雖有所改善,但多為低效互動。除了教學(xué)模式手段單一外,教師和學(xué)生都較為依賴于書本知識,重視知識的結(jié)論和考試成績,而忽略對知識的探索與推導(dǎo)過程。這種機械的應(yīng)試教育會使學(xué)生逐步變?yōu)榱?xí)慣于被動學(xué)習(xí)的“工具人”,缺乏學(xué)習(xí)的熱情和主動性。因此,亟需提升學(xué)生的課堂參與度,培養(yǎng)學(xué)生的批判思維和創(chuàng)新思維,實現(xiàn)“專創(chuàng)融合”教育。

2.3 實踐環(huán)節(jié)薄弱

除了要掌握教材上的知識,通過具體的實踐活動來加深對教材知識的理解是必不可少的。目前的許多教學(xué)活動中針對這一點,進行了諸多改進,但仍存在一些弊端。首先,現(xiàn)有的實踐大多基于硬件平臺,存在硬件教學(xué)平臺成本高、更新速度慢、設(shè)備老舊等問題,致使實驗數(shù)據(jù)不準確、實驗過程易出錯,嚴重影響實踐效果與質(zhì)量。其次,當前的實踐活動內(nèi)容大多是針對教材上的原理,或是基礎(chǔ)的硬件實驗。實踐內(nèi)容相對滯后,未能與時俱進[8]。最后,實驗課程基本為教師給出實驗步驟,學(xué)生按部就班即可完成實驗,缺乏對實驗過程的自主思考與探索。以上因素均影響了學(xué)生實踐能力與創(chuàng)新思維的培養(yǎng),阻礙“專創(chuàng)融合”教育落實。

3 教學(xué)改革策略

3.1 講解我國通信發(fā)展

在課程思政上,我們將我國通信發(fā)展歷程融入課程內(nèi)容的講解,達到令學(xué)生將個人理想與國家建設(shè)相融合的目的[9]。

一方面,教師需將思政元素融入理論技術(shù)講解中,加強思想引領(lǐng)。比如在介紹雙工與半雙工時,就可以以“半部電臺”為例。 1930年,紅軍在與國民黨軍的戰(zhàn)斗中繳獲了一部“只能收報,不能發(fā)報”的電臺,其被稱作“半部電臺”。由此,紅一方面軍舉辦了第一期無線電隊訓(xùn)練班,開始了我國無線電技術(shù)力量逐步壯大的過程。

另一方面,教師注重介紹我國科學(xué)家如何歷經(jīng)萬難填補了我國在通信領(lǐng)域技術(shù)空白,擺脫了西方國家對我們的技術(shù)封鎖的過程,以此來激發(fā)學(xué)生的民族自豪感與學(xué)習(xí)熱情。比如,我國于2001年所提出TD-SCDMA被正式接納為無線通信國際標準,這在一定程度上結(jié)束了我國每年都要向歐美國家交巨額專利費的歷史。當前,我國在5G技術(shù)上以絕對優(yōu)勢領(lǐng)先,全球5G標準申請總數(shù)中華為達到了3147項,占比14.5%左右,穩(wěn)居榜首。

3.2 授課方式多樣化

在授課方式上,我們采用CDIO+PBL相結(jié)合的教學(xué)模式,將授課方式從“知識核心”轉(zhuǎn)向“素質(zhì)核心”,讓學(xué)生的專業(yè)能力更加匹配行業(yè)和社會的需求。CDIO理論是一種新型工程教學(xué)理念,包括構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(Design)、實現(xiàn)(Implement)、運作(Operate)。PBL教學(xué)法是一種設(shè)計學(xué)習(xí)情境的教學(xué)方法。兩種方式均是以學(xué)生為中心,改變傳統(tǒng)教學(xué)中“以教師講授為中心”的教育模式。不同的是,CDIO理論強調(diào)實踐與理論相結(jié)合,讓學(xué)生在實踐中獲取知識。PBL教學(xué)法強調(diào)從問題出發(fā),通過設(shè)置問題情境,帶動學(xué)生主動分析和解決問題。兩者有機結(jié)合,形成基于CDIO+PBL的教學(xué)模式,可以更為全面地改善學(xué)生工程實踐能力差、缺乏主動性、創(chuàng)新意識薄弱等問題[10],促進“專創(chuàng)融合”課程教育的有效落實。

同時,不能一味地重視對學(xué)生能力方面的提高,而忽視學(xué)生的個人基礎(chǔ)差異。利用CDIO理論,將授課方式從“集體授課制”轉(zhuǎn)為“分層異步授課”。按照學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)進度劃分不同的學(xué)習(xí)層次,實行分層要求、異步指導(dǎo)、分類推進的策略,逐步實現(xiàn)學(xué)習(xí)的個性化[11]。課堂互動模式要從“展示”走向“分享”,利用PBL教學(xué)法讓學(xué)生分享問題、分享思考、分享想法,而非直接讓學(xué)生展示答案,避免機械化學(xué)習(xí)以及復(fù)制粘貼現(xiàn)象,使學(xué)生可以更好地理解與掌握課程知識。通過這種互動模式,不僅可以拉近師生關(guān)系、增強師生互動,更可以充分調(diào)動學(xué)生的積極主動性和學(xué)習(xí)興趣。

3.3 通信仿真技術(shù)實踐

在課程實踐上,我們積極地采用先進通信仿真技術(shù),克服因設(shè)備成本高、更新慢和實驗內(nèi)容老舊所引起的許多前沿問題和技術(shù)無法引入課堂的問題[12-13]。目前Matlab、Python等都包含了移動通信的工具箱。應(yīng)用這些仿真平臺,可以進行一些先進通信技術(shù)的仿真實驗,無需在線下進行復(fù)雜的硬件平臺設(shè)置,擺脫了傳統(tǒng)硬件平臺設(shè)備的限制,增加了實驗的多樣性。在教學(xué)過程中,教師通過仿真軟件平臺展示一些網(wǎng)絡(luò)場景和問題的仿真驗證與初步探索,使一些難以理解的技術(shù)和理論推導(dǎo)更為直觀[14]。

在仿真實踐的過程中,學(xué)生充分利用仿真軟件的各項功能,可以更方便地對實驗進行調(diào)整并進行設(shè)計性實驗,從而更好地將一些關(guān)鍵技術(shù)理論融匯貫通。在操作過程中就可以充分鍛煉學(xué)生分析問題、解決問題的能力,加強學(xué)生對移動通信原理的認識與理解,增加學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的成就感,提高學(xué)生的工程實踐能力。同時,不同理論知識與仿真操作過程都有共通處,方便同學(xué)之間相互討論,鍛煉了學(xué)生的自主思考能力與團隊協(xié)作能力。通過這種方式,調(diào)動每一名學(xué)生的積極性,“從實踐中來,到實踐中去”,從而令鞏固專業(yè)知識與培養(yǎng)創(chuàng)新能力并舉,保證“專創(chuàng)融合”教育的有效實施。

4 改革成效分析

4.1 啟發(fā)式教學(xué)育創(chuàng)新

以4G LTE移動通信核心技術(shù)講解為例。首先通過介紹我國提出的TD-LTE成為4G國際主流標準,讓學(xué)生了解我國移動通信的這一歷史性轉(zhuǎn)折點,引起學(xué)生的愛國熱情和民族自信心。進而采用PBL教學(xué)法,提出4G LTE系統(tǒng)在設(shè)計階段所面臨的關(guān)鍵問題,啟發(fā)學(xué)生對該知識點的思考,比如:提出小區(qū)間干擾是限制移動通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量提升的關(guān)鍵因素,使學(xué)生們對4G LTE系統(tǒng)如何抑制小區(qū)間干擾這一關(guān)鍵問題產(chǎn)生濃厚的興趣。然后,利用CDIO教學(xué)理論講解4G LTE系統(tǒng)中針對關(guān)鍵問題所設(shè)計的核心技術(shù),例如在講解4G LTE系統(tǒng)多點協(xié)作技術(shù)時,將講授內(nèi)容分解如下:

(1)技術(shù)構(gòu)思:由于小區(qū)間干擾嚴重的區(qū)域集中在小區(qū)邊緣,屬于多個基站共同覆蓋的區(qū)域,只依靠單個基站很難改善干擾,因此多個基站協(xié)作通信的技術(shù)構(gòu)思被提出。

(2)設(shè)計要點:基于多個基站協(xié)作通信的技術(shù)構(gòu)思,介紹多點協(xié)作技術(shù)的設(shè)計要點,讓學(xué)生了解協(xié)作基站之間數(shù)據(jù)傳輸和信令交互的方式。

(3)實現(xiàn)方法:根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要點進一步介紹多點協(xié)作技術(shù)的實現(xiàn)方法,深入講解多點協(xié)作技術(shù)的類別、實現(xiàn)步驟和技術(shù)要點,讓學(xué)生們掌握這一部分的重要知識點。

(4)標準運作:介紹當前4G LTE技術(shù)標準中多點協(xié)作技術(shù)的協(xié)議標準和運作場景。

在學(xué)習(xí)完課程知識后,學(xué)生們將以小組為單位進行課程報告,根據(jù)當下國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,運用所學(xué)習(xí)的課程知識提出未來移動通信方面的新技術(shù)、新產(chǎn)品或新應(yīng)用。如圖1所示為學(xué)生在課堂上進行報告的實例。課程報告結(jié)果統(tǒng)計顯示,90%的學(xué)生可以利用所學(xué)習(xí)的課程內(nèi)容,提出創(chuàng)新想法;66%的學(xué)生可以正確地運用所學(xué)知識,給出合理的設(shè)計方案;30%的學(xué)生認為自己的設(shè)計方案可以用來參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽;7%的學(xué)生認為自己的方案可以申請專利或撰寫科技論文。

(b) 移動通信技術(shù)新應(yīng)用場景綜述圖1 移動通信創(chuàng)新想法課堂報告示例

以上授課方法利用CDIO和PBL實現(xiàn)了啟發(fā)式教學(xué),讓學(xué)生們掌握了某一移動通信技術(shù)的關(guān)鍵知識點,也了解了技術(shù)發(fā)展背后的產(chǎn)生原因和演化過程,提高了授課質(zhì)量。

4.2 加強實踐促專創(chuàng)融合

以移動通信多輸入多輸出(Multiple-Input-and-Multiple-Output,MIMO)系統(tǒng)容量講解為例。首先通過介紹MIMO技術(shù)在現(xiàn)代移動通信中的重要作用以及進階版的Massive MIMO在5G中應(yīng)用,既可以向?qū)W生介紹國際主流的新技術(shù),也可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。進而采用CDIO+PBL教學(xué)方法,講解MIMO系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容。在完成以上授課內(nèi)容之后,利用Matlab軟件進行MIMO系統(tǒng)的仿真實現(xiàn),講解MIMO系統(tǒng)是如何提高系統(tǒng)容量并受到哪些因素的影響。如圖2所示為MIMO系統(tǒng)的仿真實踐結(jié)果,其中所展示的教學(xué)內(nèi)容如下:

(b)MIMO系統(tǒng)誤碼率仿真實踐圖2 MIMO系統(tǒng)仿真實踐示例

(1)掌握收發(fā)天線數(shù)量對于MIMO系統(tǒng)容量的影響,即系統(tǒng)容量與天線數(shù)量呈正比關(guān)系;

(2)直觀感受到MIMO系統(tǒng)提升網(wǎng)絡(luò)容量的能力,即在無需增加額外帶寬和發(fā)射功率的情況下,能夠大幅度提升網(wǎng)絡(luò)容量。

在課上完成仿真步驟講解后,通過以小組為單位進行作業(yè)布置,小組內(nèi)的每個人都有自己的子課題,彼此之間既有共通點,也有不同點。這不僅培養(yǎng)了學(xué)生的團隊協(xié)作能力,也培養(yǎng)了獨立思考的能力,有效地促進專創(chuàng)融合教育的落實。課程仿真實踐結(jié)果統(tǒng)計顯示,全部學(xué)生均能夠掌握Matlab軟件編寫仿真代碼;83%的學(xué)生可以得到與課上仿真實踐相同的仿真結(jié)果,掌握了所講授的課程重點;12%的學(xué)生能在課上仿真實踐的基礎(chǔ)上,啟發(fā)性地得到新的仿真結(jié)果,且保證結(jié)果的正確性。

5 結(jié)語

從“移動通信”課程特點出發(fā),結(jié)合“專創(chuàng)融合”的思想,積極改善傳統(tǒng)課堂的弊端,從多個方面著力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、學(xué)習(xí)自主性以及實踐能力。在思政教育方面,我們將教學(xué)內(nèi)容與課堂思政有機融合。在授課方式上,我們通過基于CDIO+PBL的教學(xué)模式,以學(xué)生為主體,以問題為導(dǎo)向,將理論結(jié)合實踐,提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力;改變傳統(tǒng)課堂互動模式,讓學(xué)生成為“分享”的主體。在課程實踐方面,我們充分利用多種軟件仿真平臺的優(yōu)勢來進行教學(xué),進一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情;通過小組活動等方式來提高學(xué)生的團隊協(xié)作能力和專業(yè)實踐能力,有效地促進專創(chuàng)融合教育的落實。