軟硬件協(xié)同設(shè)計型實踐教學(xué)創(chuàng)新思考

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實踐教學(xué)是高校教育教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，是貫徹理論聯(lián)系實際教學(xué)原則的必然要求。開展實踐教學(xué)，學(xué)生可以將所學(xué)到的基礎(chǔ)理論知識與專業(yè)技術(shù)知識應(yīng)用到實踐中，有助于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)、創(chuàng)新精神和實踐能力［1］。

1實踐教學(xué)改革的必要性

通信原理及電路實驗為通信專業(yè)實踐教學(xué)的核心課程，是培養(yǎng)通信工程專業(yè)學(xué)生的工程能力的重要環(huán)節(jié)，也是加深學(xué)生對通信原理與通信電路理論知識理解的一個有效輔助手段。過去我校通信原理及電路實驗教學(xué)采用傳統(tǒng)的驗證型實驗內(nèi)容，利用實驗箱等硬件設(shè)備，按照實驗講義指導(dǎo)要求進行操作，觀測記錄實驗現(xiàn)象，即教師一般只要求學(xué)生根據(jù)現(xiàn)象總結(jié)一種已然的結(jié)果。在這種實踐教學(xué)模式下，重知識的繼承與吸收，輕知識的突破與創(chuàng)新;重學(xué)習(xí)的結(jié)果，輕學(xué)習(xí)的過程;重教師的指揮，輕學(xué)生的參與。教師是一切實踐教學(xué)活動的主導(dǎo)和中心，缺乏情境教學(xué)，學(xué)風(fēng)沉悶，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機和興趣，學(xué)習(xí)活動缺乏自主性的動力機制，教師自身的積極性也難以調(diào)動［2］。該方法雖然可使學(xué)生在實驗過程中獲得一些感性認識或體驗，但是對學(xué)生整體分析能力、綜合設(shè)計能力、積極創(chuàng)新能力的培養(yǎng)顯然不夠。

除此之外，通信原理及電路的實驗教學(xué)還由于受實驗時間、環(huán)境、測量儀器、電路元件、實驗平臺等條件的限制，基本以基礎(chǔ)式模塊化的實驗內(nèi)容為主，學(xué)生按照實驗講義在實驗箱上進行操作，用示波器等設(shè)備進行數(shù)據(jù)波形的測量并記錄結(jié)果，不僅實驗手段單一，而且勢必會造成學(xué)生對實驗系統(tǒng)的整體概念，具體電路的設(shè)計思想、元件參數(shù)的選擇、實驗結(jié)果的分析等方面不求甚解。而對學(xué)生實驗成績的評定也只限于學(xué)生對實驗箱及測試儀器的操作技能層次上，無法對學(xué)生的綜合實驗水平進行一個全面系統(tǒng)的考核。實驗并不能改善大部分學(xué)生對于通信原理及電路等課程的認知僅僅停留在對公式、定理和框圖的死記硬背的現(xiàn)象，理論與實踐相結(jié)合的思想依然未能得到應(yīng)有的體現(xiàn)。因此，為響應(yīng)教育部及學(xué)校的“教學(xué)質(zhì)量工程”的指導(dǎo)思想，并努力滿足新世紀對人才的更高要求，通信原理及電路類實驗的內(nèi)容上和模式上的改革成為必然。

2實踐教學(xué)改革原則

為了達到減少驗證型、演示型實驗，增加設(shè)計型、綜合型、研究型實驗，豐富實驗手段的教學(xué)目的，并結(jié)合我校實驗室建設(shè)實際情況，在設(shè)計實驗的選題、設(shè)計和指導(dǎo)、評估時，須遵循如下幾個原則:

2．1開拓性原則

將所學(xué)知識與生產(chǎn)實際相結(jié)合，注意適時采用新器件、新技術(shù)。將諸如系統(tǒng)仿真軟件、電路設(shè)計軟件、系統(tǒng)級的實驗電路等元素引入學(xué)生實驗之中、使學(xué)生能及時將所學(xué)的理論知識與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)相結(jié)合。

2．2軟硬件協(xié)同設(shè)計及驗證原則

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的高速發(fā)展，設(shè)計的電路越來越復(fù)雜，系統(tǒng)規(guī)模越來越大，通信系統(tǒng)及電路的設(shè)計與實現(xiàn)已經(jīng)與功能日益強大的EDA及系統(tǒng)仿真工具不可分割［3］。借助于EDA及系統(tǒng)仿真工具進行通信系統(tǒng)及電路的設(shè)計和仿真實驗，一方面具有高效率、高精度、無損耗、靈活性、實驗條件限制小等優(yōu)點，可以改善目前我校實驗條件及資源相對有限，實驗硬件資源的采購、維護成本及損耗相對過高的現(xiàn)狀;更重要的是實踐中采用了軟件仿真和硬件調(diào)試驗證兩個環(huán)節(jié)，能夠使得學(xué)生充分參與到實際通信系統(tǒng)及電路設(shè)計的各個環(huán)節(jié)，全方位學(xué)習(xí)和掌握通信原理及具體功能電路設(shè)計知識和手段。通過使用EDA軟件和系統(tǒng)仿真語言，學(xué)生具備了軟硬件協(xié)同設(shè)計、調(diào)試、驗證通信系統(tǒng)的能力，初步具備根據(jù)通信原理及電路的理論知識獨立完成通信系統(tǒng)的設(shè)計與仿真的能力，在工具學(xué)習(xí)掌握方面同樣做到與時俱進，提高學(xué)習(xí)興趣的同時更為今后從事現(xiàn)代化通信領(lǐng)域的工作打下堅實的基礎(chǔ)。

2．3循序漸進、難度適中原則

設(shè)計實驗對初次接觸的學(xué)生來說是比較陌生的，在實驗教學(xué)中，必須堅持循序漸進的原則。注意培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，進一步調(diào)動學(xué)生的積極性和自覺性。要盡量選擇與理論知識聯(lián)系密切、涉及多項基本實驗技術(shù)、實驗方案與操作步驟相對明確簡單、實驗現(xiàn)象典型的實驗。這樣實驗的方案設(shè)計相對容易，方法步驟不很繁瑣且大多數(shù)所用到的技術(shù)方法學(xué)生在此之前已學(xué)習(xí)并基本掌握，可使學(xué)生在短時間內(nèi)較好地完成實驗，產(chǎn)生探索未知并獲得成就感和喜悅感。

3實踐教學(xué)改革內(nèi)容

3．1實踐教學(xué)內(nèi)容的改革

將驗證性實驗和綜合設(shè)計性實驗相結(jié)合，將軟件設(shè)計仿真與硬件實現(xiàn)驗證相結(jié)合。調(diào)整改革驗證性實驗內(nèi)容，目的為加強學(xué)生對通信電路基本理論的理解和掌握，并培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣。教師首先需要對實驗內(nèi)容進行調(diào)研，在系統(tǒng)的了解相應(yīng)的理論課程之后，所制定的實驗項目應(yīng)能與工程實踐緊密結(jié)合，同時具備理論基礎(chǔ)和操作條件，使學(xué)生具備設(shè)計和實現(xiàn)的可能。在此基礎(chǔ)上，撰寫實踐環(huán)節(jié)實驗指導(dǎo)教材，力求內(nèi)容上能覆蓋全《通信原理》及《通信電路》教學(xué)大綱的知識點，并盡量避免重復(fù)的實驗內(nèi)容。側(cè)重激發(fā)學(xué)生自學(xué)熱情，難度適中，內(nèi)容只應(yīng)包含實驗任務(wù)或?qū)嶒災(zāi)康募案乓灾笇?dǎo)，形式上采用給出系統(tǒng)功能、性能要求及參數(shù)，基本原理框圖，引導(dǎo)學(xué)生自行設(shè)計和仿真驗證的方式，并提出思考問題，進一步促使學(xué)生深入理解思考實驗現(xiàn)象背后的原理。其中，《通信電路實驗》首次與Orcad/PSpice軟件相結(jié)合，新開發(fā)了5個設(shè)計仿真類實驗，內(nèi)容涵蓋了阻抗匹配、功率放大、振蕩電路、信號調(diào)制解調(diào)、最小通信系統(tǒng)設(shè)計等知識點，與理論教材有關(guān)章節(jié)實現(xiàn)了一一對應(yīng)。其中部分實驗設(shè)計方案最終可通過硬件得以實現(xiàn)。而《通信原理實驗》則引入了MATLAB系統(tǒng)仿真實驗，新增了功率譜分析、眼圖仿真觀測、數(shù)字多進制調(diào)制解調(diào)仿真、信道建模仿真、OFDM通信系統(tǒng)仿真等8個實驗。從上述實驗內(nèi)容，可以看到傳統(tǒng)的驗證型實驗逐步被設(shè)計型實驗所取代;以往以單一功能模塊實驗為主逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槟K與系統(tǒng)級實驗并存。同時，軟硬件協(xié)同設(shè)計的理念也得到了充分體現(xiàn)。

3．2實踐教學(xué)方法和教學(xué)模式的改革

設(shè)計實驗必須是學(xué)生自己設(shè)計方案，制定實驗步驟。學(xué)生根據(jù)實驗內(nèi)容和要求，自行完成資料的查閱、方案的設(shè)計、操作步驟的擬定、軟件仿真等。在設(shè)計實驗的探索中，學(xué)生不僅需要獨立地思考和大膽地創(chuàng)新，還需要相互的討論和協(xié)作的精神。學(xué)生必須在完成設(shè)計實驗的前期準備并由指導(dǎo)教師檢查通過后才能進入實驗室進行實際操作。傳統(tǒng)實驗教學(xué)中教師往往處于灌輸?shù)臓顟B(tài)。實驗中出現(xiàn)的問題相對固定，教師的指導(dǎo)內(nèi)容有限，在一定程度上使教師的教學(xué)思路單一，知識更新緩慢。設(shè)計型實驗教學(xué)是一種師生之間、學(xué)生之間以及學(xué)生自身的一種多向反饋結(jié)構(gòu)。教師面對學(xué)生不同的設(shè)計理念、各異的實現(xiàn)方法、紛繁的問題呈現(xiàn)，必須知識廣博、思路開闊、擅長分析、操作熟練。實際上引導(dǎo)學(xué)生解決問題的過程就是教師再學(xué)習(xí)的過程。因此，要求指導(dǎo)教師認真準備，講課以實驗原理為主，減少或不講實驗具體步驟，教師指導(dǎo)主要提供實驗思路，讓學(xué)生設(shè)計實驗步驟和方法，提高學(xué)生在實驗過程中的自主性。對于學(xué)生自主設(shè)計的各類電路及編寫的程序應(yīng)能給出指導(dǎo)意見，并能結(jié)合具體仿真現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題，從而將理論與實踐融會貫通。實驗報告要求包含設(shè)計思想、設(shè)計方案、原理、儀器、步驟、數(shù)據(jù)處理、誤差計算、思考題解答以及實驗中的體會和收獲等。實驗考核應(yīng)更加注重學(xué)生的實驗綜合能力，包括系統(tǒng)方案設(shè)計能力、軟件編程能力、電路設(shè)計能力、軟硬件工具使用操作能力、問題分析與解決能力、實驗現(xiàn)象記錄歸納總結(jié)能力、數(shù)據(jù)分析能力及實驗報告撰寫能力等，綜合評判，客觀公正公平的反映學(xué)生的實際水平。

4結(jié)語

經(jīng)過近兩年時間的改革實踐，教改課題組采取多種途徑了解教學(xué)改革效果，聆聽學(xué)生及教師的意見和建議，分析實驗報告，組織指導(dǎo)教師進行交流探討，并加以歸納總結(jié)，逐步完善;完善教學(xué)方法和實驗內(nèi)容，制定了新版實驗指導(dǎo)用書。我校通信工程學(xué)院與電子工程學(xué)院先后近兩千名學(xué)生參與改革后的通信原理及電路實踐，反響良好。學(xué)生普遍反映對實驗的興趣增大，投入到實踐環(huán)節(jié)的精力與時間增多。同時，學(xué)生的《通信原理》與《通信電路》理論課成績較以往也有比較明顯的提高。由于實驗內(nèi)容的擴充，目前我?！锻ㄐ旁韺嶒灐放c《通信電路實驗》由過去的24學(xué)時增加為32學(xué)時，這也符合教育部大力加強高等教育實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的指導(dǎo)精神，通信原理及電路實踐教學(xué)的改革成效明顯。