软硬件协同设计型实践教学创新思考

实践教学是高校教育教学的重要环节，是贯彻理论联系实际教学原则的必然要求。开展实践教学，学生可以将所学到的基础理论知识与专业技术知识应用到实践中，有助于提高学生的综合素质、创新精神和实践能力［1］。

1实践教学改革的必要性

通信原理及电路实验为通信专业实践教学的核心课程，是培养通信工程专业学生的工程能力的重要环节，也是加深学生对通信原理与通信电路理论知识理解的一个有效辅助手段。过去我校通信原理及电路实验教学采用传统的验证型实验内容，利用实验箱等硬件设备，按照实验讲义指导要求进行操作，观测记录实验现象，即教师一般只要求学生根据现象总结一种已然的结果。在这种实践教学模式下，重知识的继承与吸收，轻知识的突破与创新;重学习的结果，轻学习的过程;重教师的指挥，轻学生的参与。教师是一切实践教学活动的主导和中心，缺乏情境教学，学风沉闷，难以激发学生的学习动机和兴趣，学习活动缺乏自主性的动力机制，教师自身的积极性也难以调动［2］。该方法虽然可使学生在实验过程中获得一些感性认识或体验，但是对学生整体分析能力、综合设计能力、积极创新能力的培养显然不够。

除此之外，通信原理及电路的实验教学还由于受实验时间、环境、测量仪器、电路元件、实验平台等条件的限制，基本以基础式模块化的实验内容为主，学生按照实验讲义在实验箱上进行操作，用示波器等设备进行数据波形的测量并记录结果，不仅实验手段单一，而且势必会造成学生对实验系统的整体概念，具体电路的设计思想、元件参数的选择、实验结果的分析等方面不求甚解。而对学生实验成绩的评定也只限于学生对实验箱及测试仪器的操作技能层次上，无法对学生的综合实验水平进行一个全面系统的考核。实验并不能改善大部分学生对于通信原理及电路等课程的认知仅仅停留在对公式、定理和框图的死记硬背的现象，理论与实践相结合的思想依然未能得到应有的体现。因此，为响应教育部及学校的“教学质量工程”的指导思想，并努力满足新世纪对人才的更高要求，通信原理及电路类实验的内容上和模式上的改革成为必然。

2实践教学改革原则

为了达到减少验证型、演示型实验，增加设计型、综合型、研究型实验，丰富实验手段的教学目的，并结合我校实验室建设实际情况，在设计实验的选题、设计和指导、评估时，须遵循如下几个原则:

2．1开拓性原则

将所学知识与生产实际相结合，注意适时采用新器件、新技术。将诸如系统仿真软件、电路设计软件、系统级的实验电路等元素引入学生实验之中、使学生能及时将所学的理论知识与现代科学技术相结合。

2．2软硬件协同设计及验证原则

随着现代电子技术的高速发展，设计的电路越来越复杂，系统规模越来越大，通信系统及电路的设计与实现已经与功能日益强大的EDA及系统仿真工具不可分割［3］。借助于EDA及系统仿真工具进行通信系统及电路的设计和仿真实验，一方面具有高效率、高精度、无损耗、灵活性、实验条件限制小等优点，可以改善目前我校实验条件及资源相对有限，实验硬件资源的采购、维护成本及损耗相对过高的现状;更重要的是实践中采用了软件仿真和硬件调试验证两个环节，能够使得学生充分参与到实际通信系统及电路设计的各个环节，全方位学习和掌握通信原理及具体功能电路设计知识和手段。通过使用EDA软件和系统仿真语言，学生具备了软硬件协同设计、调试、验证通信系统的能力，初步具备根据通信原理及电路的理论知识独立完成通信系统的设计与仿真的能力，在工具学习掌握方面同样做到与时俱进，提高学习兴趣的同时更为今后从事现代化通信领域的工作打下坚实的基础。

2．3循序渐进、难度适中原则

设计实验对初次接触的学生来说是比较陌生的，在实验教学中，必须坚持循序渐进的原则。注意培养学生分析问题和解决问题的能力，进一步调动学生的积极性和自觉性。要尽量选择与理论知识联系密切、涉及多项基本实验技术、实验方案与操作步骤相对明确简单、实验现象典型的实验。这样实验的方案设计相对容易，方法步骤不很繁琐且大多数所用到的技术方法学生在此之前已学习并基本掌握，可使学生在短时间内较好地完成实验，产生探索未知并获得成就感和喜悦感。

3实践教学改革内容

3．1实践教学内容的改革

将验证性实验和综合设计性实验相结合，将软件设计仿真与硬件实现验证相结合。调整改革验证性实验内容，目的为加强学生对通信电路基本理论的理解和掌握，并培养学习兴趣。教师首先需要对实验内容进行调研，在系统的了解相应的理论课程之后，所制定的实验项目应能与工程实践紧密结合，同时具备理论基础和操作条件，使学生具备设计和实现的可能。在此基础上，撰写实践环节实验指导教材，力求内容上能覆盖全《通信原理》及《通信电路》教学大纲的知识点，并尽量避免重复的实验内容。侧重激发学生自学热情，难度适中，内容只应包含实验任务或实验目的及概要性指导，形式上采用给出系统功能、性能要求及参数，基本原理框图，引导学生自行设计和仿真验证的方式，并提出思考问题，进一步促使学生深入理解思考实验现象背后的原理。其中，《通信电路实验》首次与Orcad/PSpice软件相结合，新开发了5个设计仿真类实验，内容涵盖了阻抗匹配、功率放大、振荡电路、信号调制解调、最小通信系统设计等知识点，与理论教材有关章节实现了一一对应。其中部分实验设计方案最终可通过硬件得以实现。而《通信原理实验》则引入了MATLAB系统仿真实验，新增了功率谱分析、眼图仿真观测、数字多进制调制解调仿真、信道建模仿真、OFDM通信系统仿真等8个实验。从上述实验内容，可以看到传统的验证型实验逐步被设计型实验所取代;以往以单一功能模块实验为主逐步转变为模块与系统级实验并存。同时，软硬件协同设计的理念也得到了充分体现。

3．2实践教学方法和教学模式的改革

设计实验必须是学生自己设计方案，制定实验步骤。学生根据实验内容和要求，自行完成资料的查阅、方案的设计、操作步骤的拟定、软件仿真等。在设计实验的探索中，学生不仅需要独立地思考和大胆地创新，还需要相互的讨论和协作的精神。学生必须在完成设计实验的前期准备并由指导教师检查通过后才能进入实验室进行实际操作。传统实验教学中教师往往处于灌输的状态。实验中出现的问题相对固定，教师的指导内容有限，在一定程度上使教师的教学思路单一，知识更新缓慢。设计型实验教学是一种师生之间、学生之间以及学生自身的一种多向反馈结构。教师面对学生不同的设计理念、各异的实现方法、纷繁的问题呈现，必须知识广博、思路开阔、擅长分析、操作熟练。实际上引导学生解决问题的过程就是教师再学习的过程。因此，要求指导教师认真准备，讲课以实验原理为主，减少或不讲实验具体步骤，教师指导主要提供实验思路，让学生设计实验步骤和方法，提高学生在实验过程中的自主性。对于学生自主设计的各类电路及编写的程序应能给出指导意见，并能结合具体仿真现象，引导学生发现设计问题，从而将理论与实践融会贯通。实验报告要求包含设计思想、设计方案、原理、仪器、步骤、数据处理、误差计算、思考题解答以及实验中的体会和收获等。实验考核应更加注重学生的实验综合能力，包括系统方案设计能力、软件编程能力、电路设计能力、软硬件工具使用操作能力、问题分析与解决能力、实验现象记录归纳总结能力、数据分析能力及实验报告撰写能力等，综合评判，客观公正公平的反映学生的实际水平。

4结语

经过近两年时间的改革实践，教改课题组采取多种途径了解教学改革效果，聆听学生及教师的意见和建议，分析实验报告，组织指导教师进行交流探讨，并加以归纳总结，逐步完善;完善教学方法和实验内容，制定了新版实验指导用书。我校通信工程学院与电子工程学院先后近两千名学生参与改革后的通信原理及电路实践，反响良好。学生普遍反映对实验的兴趣增大，投入到实践环节的精力与时间增多。同时，学生的《通信原理》与《通信电路》理论课成绩较以往也有比较明显的提高。由于实验内容的扩充，目前我校《通信原理实验》与《通信电路实验》由过去的24学时增加为32学时，这也符合教育部大力加强高等教育实践教学环节的指导精神，通信原理及电路实践教学的改革成效明显。