【研究生精品课程】引导学生“知之”“善之”“乐之”

——信息与通信工程学院段锐副教授在《软件无线电系统的设计与验证》课程的教改探索

文:王晓刚 学生记者团 陈心洁 研究生院 苟灵 / 来源:新闻中心 / 2020-11-30 / 点击量:1361

  编者按:为充分发挥精品课程的标杆示范作用,促进研究生课程质量进一步提升,研究生院自2018年启动了研究生精品课程建设工作,以公共基础课和各一级学科(类别)专业课为重点,充分结合国务院学位委员会学科评议组和全国专业学位研究生教育指导委员会编写的《研究生核心课程指南》,整体规划、分步实施,至2020年,经学院推荐、学校专家评审、研教指委审议通过,学校已立项了三批“精品课程”。新闻中心特开设【研究生精品课程】栏目,分享这些“精品课程”基于“价值塑造、能力培养、知识传授”三位一体的教育理念,从课程目标与定位、课程内容、教学和考核方式、课程特色和成效等方面总结梳理其经验心得,与师生读者共享。本期介绍信息与通信工程学院副教授段锐在《软件无线电系统的设计与验证》课程中的教改探索。


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  “知之者不如好之者,好之者不如乐之者。”怎么样让学生“知之”“好之”进而“乐之”呢?信息与通信工程学院副教授段锐在《软件无线电系统的设计与验证》课程中,进行了长期探索。

  软件无线电技术是以现代通信理论为基础,以数字信号处理为核心,以微电子技术为支撑的新一代无线电通信体系结构,是数字无线电的高级形式。目前,该技术已经广泛地应用在广播、4G/5G通信、WiFi、卫星导航、物联网、雷达等领域产品的设计与开发中。

  段锐认为,要让学生认识、了解、掌握、喜欢这门课,不能一蹴而就,而是要循序渐进,逐级递进,帮助和引导学生一步一个脚印地学习、一步一个台阶地攀登。为此,他在教学内容、实验操作和考核方式三个方面,都进行了阶段化的设计。

内容设计:循序渐进便于学生逐级递进

  随着国家研究生培养体系的改革及相关技术的发展,《软件无线电系统的设计与验证》课程应运而生,旨在培养学生的实践动手能力和综合运用理论知识的思维,加深学生对工程实践、学科前沿、行业发展的理解。

  它是一门设计性、综合性和实用性很强的专业学位研究生工程实践类课程,以开放性、标准化、模块化、通用性、可扩展的硬件为平台,通过加载各种应用软件来实现不同用户、不同应用环境的不同需求。

  据介绍,这门课程的实践任务涉及到从部件到系统,从模拟到数字,从射频到基带,从硬件到软件,从设计到验证,从理论到实现等有关的一系列理论和技术,几乎囊括了电子与通信科学的各个领域,课程内容覆盖面宽,知识训练与技能培养兼顾,是一门综合性很强的实践性课程。

  按照课程的内容体系,要较好地掌握它,需要学生综合利用《数字信号处理》和《软件无线电技术》等先修课程的理论知识,基本掌握MatlabB、QuartusII等软件开发工具,以及软件无线电平台、信号源、频谱仪、示波器等实验仪器,并运用于系统的搭建。

  在此基础上,学生需要完成两个重要实验,一个是“数字下变频器(DDC)的设计与验证”,一个是“数字上变频器(DUC)的设计与验证”。之所以重要,是因为几乎所有无线电系统的构建都与这两个基本模块有关。

  其中,“数字下变频器”是基础模块。在所有无线电系统中,只要涉及调制解调,数字化的第一步就是数字下变频器。因此,掌握这个模块,对学生以后做更深入的研究、开发,或从事相关专业的工作都很有益。

  但这对学生的前期知识储备、技能基础要求较高。而选这门课程的学生,除了本专业学生,还有许多非本专业学生,基础扎实程度各不相同。即便是本专业学生,也可能存在知识储备不足、动手能力不够的“短板”。这就进一步增加了教学的难度。

  针对这些实际情况,他根据课程安排突出了“设计”与“验证”两个主题,把讲授内容分为三个递进的阶段:第一是引导学生从理论上利用所学知识设计一个系统,第二是编写“硬件实现代码”,根据所设计的系统进行仿真、模拟,验证系统是否合理,第三是把系统放到实际的仪器上,编写到对应的器件里,然后通过外部仪器测试最终效果。

  这样就把复杂的实验进行了合理分解,以使课程内容由浅入深,避免学生从一开始就望而生畏,还可以让学生明确如何把理论知识和之后的实验相对应,并在实验中找到出错之处、及时解决问题。在不断发现错误、纠正错误的过程中,加深学生对软件无线电系统的认知。

实验分解:引导学生动手实践活学活用

  软件无线电系统设计的主要理论基础是带通采样理论、多速率处理理论。在本科阶段,对应的是《数字信号处理》涉及到的低通采样和奈奎斯特采样定理。现在手机可以做得这么小巧精致,主要是利用了带通采样原理,缩小了体积、减少了成本。

  到了研究生阶段,《软件无线电系统的设计与验证》这门课利用带通采样理论这一高效的实现方式来构建系统,相当于把以前的理论进行了升级,并把它转化为实际可实现的系统。这是研究生阶段与本科阶段教学目标和要求的显著不同。

  因此,即便这门课程包含着丰富的理论知识,但在课堂教学中,段锐并没有讲授太多的理论知识,而是强调把理论知识变成可以通过实验实现的电子模块或电子系统。它强调工程实践,强调学生对实验流程的熟悉和掌握,强调学生对开发工具的熟练运用。

  选修这门课程的学生,总共有60人。学生每4人一组,共分成15个组进行学习。在学生进行实验操作时,段瑞会挨个儿查看,学生每遇难题可随时提问,他发现学生的不足也会及时引导或纠正。无论是理论还是实验操作方面的问题,他都与学生充分交流,答疑解惑。

  为了让学生更容易上手,段锐把实验操作过程也分解为三个阶段,每个阶段讲解对应的理论知识和实际操纵流程,并提供对应的范例,引导学生活学活用,从易到难逐步实现系统的设计、仿真、验证。

  在这个过程中,老师需要指导学生完成的挑战性任务有:

  ——完成系统框架的设计,编写FPGA程序子模块,完成A/D控制、数据缓存、DDC芯片控制、DUC芯片控制、D/A控制等功能模块的编写和仿真验证。

  ——用信号源产生10.1MHz的单频信号,运用DDC控制的FPGA程序,将中频信号下变频后输出的基带I、Q两路信号到D/A,用示波器对D/A输出信号进行观测,以验证DDC系统的输出结果是否正确。

  ——设计DUC模块,把生成的基带信号上变频至10.1MHz,控制D/A将中频数字信号转换为模拟信号,然后用示波器和频谱仪观察信号波形和频率是否正确,完成DUC系统的验证。

  ——运用FPGA程序,产生带宽为4MHz的线性调频信号,用DUC模块将其上变频至10MHz的中频,最后,用示波器和频谱仪观察由D/A变换器输出的波形及频谱是否正确。

  ——对产生的中频宽带信号进行采集后,经过DDC和抽取降低数据率后,通过USB接口传输到计算机上,利用编写的Matlab程序对采集和保存的宽带信号进行信道化处理后,分析各个基带信号的频谱关系,验证信道化处理系统的正确性。

  在做“数字下变频器”实验时,他给每一个小组布置了不同的输入条件和输出参数,各小组根据自己的信号输入条件完成输出任务,做成一个自主设计的系统,并完成仿真、验证。段锐表示,“不同组别所做的系统,虽然在系统模块层面相同,但是它的设计条件、输入条件不同,学生必须充分发挥自己的能动性,才能真正地实现出来!”

  每一个阶段结束,他会对学生执行的过程做评估和点评。如果没有问题,学生即可进入下一个阶段的实验。这个螺旋递进的过程,可以让学生进行自查,也可以让老师及时发现学生的不足并提供帮助,最终让学生掌握实验工具,理解软件无线电系统的设计流程,切实达到“践之”且“善之”的教学效果。

考核改革:看重过程不以结果论英雄

  逐步增强学生的主观能动性,并非一朝一夕之功。学生对理论知识掌握的程度不同,在最后的成果展示中就会有明显差异。但他并不看重这种结果,而是重在考核学生参与实验的过程。

  “完整的系统包含很多步骤和过程,因此,不能因为某些同学最后没有做出完整的系统而否定他实验的过程。”他说,“只要学生参与进来,实实在在地了解系统、自主动手设计和实现系统,也能达到相应的目标和要求,并从中获得成长和收获。”

  况且,对非本专业的学生而言,学这门课程的目的与本专业的学生并不相同。有的学生通过这个课程拓宽了知识面、掌握整个开发流程、提升了某些方面的实践能力,这对学生以后从事管理或相关技术开发会有很大的好处。

  因此,他对学生的考核不搞“一刀切”,而是对应参与实验的三个阶段分别进行考核。在每个阶段,他都会和学生保持密切沟通,了解学生的进展情况。在沟通过程中,学生做得好不好,他就能了然于心。

  即便学生实验“失败”,他也会引导学生分析总结原因,完成分析报告。按要求完成这份报告需要学生深入地研究学习,知其然并知其所以然。因此,实验的结束并不是学习的结束,而是更深入学习的开始。

  这门课程自2012年面向全校专业学位研究生开课以来,教学效果良好。针对我校电子与通信工程专业学位研究生的课程教学效果调查问卷显示,学生对教学总体评价满意度高。很多学生反馈,通过该课程的学习有效的提高了运用所学知识分析问题和解决问题的能力。

  2019级硕士研究生徐家晨表示,“通过课堂的理论学习以及实验实现,我逐渐对软件无线电这门课程产生了浓厚的兴趣,并在课后通过阅读书籍和文章学习了一些相关的专业知识,这些都深深激发了我对电子通信技术的热爱。”

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使命情怀:引导学生服务国家战略

  “各门课都要守好一段渠、种好责任田,使各类课程与思想政治理论课同向同行,形成协同效应。”课程思政是课程与思政教育的叠加融合,其中,课程是思政教育的“富矿”和落脚点,思政教育也依托课程这一载体。

  该课程对自己的定位是,要担负培养科技人才的使命,不能仅仅“就知识谈知识,就技术谈技术”,而要放在国家整体发展战略中来思考。课程设置与具体教学应充分发掘自然科学背后的人性考量、价值关怀、战略定位,使学生在学习课程知识的过程中,能够从家国情怀和国家整体发展的角度来审视和解决问题。

  在课程内容上,课程组从电子信息产业中的重要基础地位出发,结合当前中美贸易战以及美国颁布的针对中国的科技禁令的国际环境,让同学们了解到我国在高精尖科技领域面临的严峻形势,鼓励同学们认真学习,不断自我成长,刻苦专研,脚踏实地学好本领,树立为中国的科技自立、自强、自信而努力奋斗的精神。

  为了增强研究生学子科技报国的使命感,课程组还用“两弹一星”精神鼓励同学们要“热爱祖国、无私奉献,自力更生、艰苦奋斗,大力协同、勇于登攀”;深入讲解电子信息技术在国防科技中地位与应用,让学生明白学好这门课程对将来服务国防现代化的重要意义。课程组还结合“成电故事”,讲述一代代成电人科技报国的精神传统,激励学生要为中华民族伟大复兴做出“成电贡献”。

  段锐表示,科学实践研究类课程的最终目的是“用”,而“用”有大小之分,所谓“小用”旨在解决具体的技术问题,而“大用”旨在服务国家的整体发展战略。《软件无线电系统的设计与验证》这门课程贯彻“课程思政”应与国家整体发展战略相结合的理念,就是要努力培养勇担使命的时代新人!



编辑:王晓刚  / 审核:王晓刚  / 发布者:陈伟