宋曉勤 雷 磊 楊 陽 張莉涓 宋茂忠

(南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,南京 210016)

2021年7月,《教育部等六部門關(guān)于推進(jìn)教育新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)構(gòu)建高質(zhì)量教育支撐體系的指導(dǎo)意見》頒布。教育新基建旨在推動(dòng)教育信息化和現(xiàn)代化,利用信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)等手段,構(gòu)建數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的教育環(huán)境,提供更加豐富、靈活和高效的學(xué)習(xí)與教學(xué)方式[1-2]。2022年12月,教育部高等教育司司長(zhǎng)吳巖在新華網(wǎng)教育論壇上指出,要全力抓好高校教育教學(xué)新基建,并特別強(qiáng)調(diào)“課程是人才培養(yǎng)的核心要素”。

“通信網(wǎng)絡(luò)”是信息工程專業(yè)和電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門必修課,其內(nèi)容覆蓋面廣、專業(yè)術(shù)語眾多且協(xié)議設(shè)計(jì)抽象。此外,現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展日新月異,而教材更新周期相對(duì)較長(zhǎng),無法將最新技術(shù)及時(shí)融入教材。

針對(duì)課程特點(diǎn)與傳統(tǒng)教學(xué)方法中存在的問題,引入案例式教學(xué),提升課程的“兩性一度”。案例式教學(xué)[3-4]是一種符合教育新基建要求的教學(xué)方法,它充分利用信息技術(shù)和多媒體資源,創(chuàng)造互動(dòng)性和實(shí)踐性的學(xué)習(xí)環(huán)境,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度和實(shí)踐能力。同時(shí),學(xué)生通過團(tuán)隊(duì)合作解決問題,還可以培養(yǎng)協(xié)作精神并提升綜合素質(zhì)。

在對(duì)教學(xué)案例進(jìn)行設(shè)計(jì)與選題時(shí),充分考慮了南京航空航天大學(xué)“航空、航天和民航”的辦學(xué)特色,將科研中所研究的空天地一體化組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù),經(jīng)過抽象提煉,引入教學(xué)中,做到科教融合。通過教學(xué)實(shí)踐,最終形成以學(xué)生為中心的案例式教學(xué)范式,并為學(xué)生提供多種深入研究的途徑,踐行專創(chuàng)融合。

綜上所述,在教育新基建背景下,將案例式教學(xué)用于“通信網(wǎng)絡(luò)”課程中具有重要的意義,能夠提高學(xué)生的參與度、促進(jìn)學(xué)生綜合能力提升并適應(yīng)當(dāng)今航空航天工業(yè)人才培養(yǎng)的需求。

1 人才培養(yǎng)需求分析與案例設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在空天領(lǐng)域的快速發(fā)展,對(duì)高質(zhì)量人才的需求日益增長(zhǎng)。亟需培養(yǎng)具備空天電子信息專業(yè)知識(shí)、實(shí)踐能力與創(chuàng)新思維的高素質(zhì)人才。

1.1 空天網(wǎng)絡(luò)的專業(yè)知識(shí)

空天地一體化網(wǎng)絡(luò)旨在實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星、空中和地面之間高速、安全且可靠的數(shù)據(jù)通信。因此,除了傳統(tǒng)的地面通信網(wǎng)絡(luò)外,學(xué)生還應(yīng)了解衛(wèi)星通信的基本概念和運(yùn)行模式,無人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)及特點(diǎn),以及面向空天地一體化網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議、數(shù)據(jù)安全等知識(shí)。

1.2 實(shí)踐創(chuàng)新與學(xué)科交叉

空天網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的人才應(yīng)該具備分析和解決復(fù)雜問題的能力,能夠在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)空天網(wǎng)絡(luò)時(shí)提出創(chuàng)新的解決方案。空天網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域涉及多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域的知識(shí),需要具備跨學(xué)科的交叉能力。人才應(yīng)該具備工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和電子通信等多個(gè)學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí),能夠進(jìn)行跨學(xué)科的融合應(yīng)用。

總之,空天網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域需要培養(yǎng)具備航天知識(shí)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸安全等基礎(chǔ)能力的人才,并注重多學(xué)科的交叉能力和解決問題、創(chuàng)新的能力。這樣的人才可以在空天網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)維等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用,并推動(dòng)該領(lǐng)域的發(fā)展和進(jìn)步。

從教育新基建的發(fā)展背景及高校人才培養(yǎng)發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā),通過與高校教育機(jī)構(gòu)、企業(yè)和行業(yè)專家等進(jìn)行訪談,調(diào)研高校人才培養(yǎng)需求,以及新時(shí)代和新發(fā)展格局下,培養(yǎng)人才所需的技術(shù)能力、創(chuàng)新意識(shí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和法律倫理素養(yǎng)。結(jié)合空天領(lǐng)域人才培養(yǎng)需求采用對(duì)比研究方法,分析高校人才培養(yǎng)能力需求和現(xiàn)有能力狀態(tài)的差距,分析目前人才教育培養(yǎng)中存在的問題,采用多因素分析法得到人才教育的制約因素及其產(chǎn)生根源,如圖1所示。

圖1 空天特色典型教學(xué)案例的設(shè)計(jì)

2 學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)與提升方法

遵循“兩性一度”和成果導(dǎo)向教育(Outcome Based Education,OBE)理念的學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)[5]與提升方法如圖2所示,包括“物聯(lián)網(wǎng)+”與“智能+”賦能的空天網(wǎng)絡(luò)案例和學(xué)生自主探索新興技術(shù)的工程實(shí)踐能力培養(yǎng)兩方面的內(nèi)容。

圖2 學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)與提升方法

以星地融合網(wǎng)絡(luò)和無人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)等為典型案例,通過實(shí)現(xiàn)多智能體的協(xié)同與交互,讓學(xué)生深入理解互聯(lián)網(wǎng)和智能技術(shù)在空天通信領(lǐng)域的重要作用。這樣的案例能夠提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力,并推動(dòng)他們應(yīng)對(duì)空天網(wǎng)絡(luò)挑戰(zhàn)的能力發(fā)展。在學(xué)生能力培養(yǎng)方面,注重學(xué)生的自主探索與創(chuàng)新培養(yǎng),激發(fā)學(xué)生的研究興趣,并鼓勵(lì)他們自主選題、自主設(shè)計(jì)和實(shí)施項(xiàng)目。

3 教學(xué)案例設(shè)計(jì)與實(shí)施

下面以星地融合網(wǎng)絡(luò)切片中的資源調(diào)度技術(shù)作為典型案例,說明以學(xué)生為中心的案例式教學(xué)過程。星地融合網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)未來空天地一體化的重要一環(huán)。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋范圍廣、可擴(kuò)展性強(qiáng)和不易受到自然災(zāi)害破壞等優(yōu)點(diǎn),將其與陸地5G/6G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)相融合,在提供全球互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智慧城市和無人駕駛等應(yīng)用方面發(fā)揮了重要的作用。空天地一體化模型[6-7]如圖3所示。

圖3 空天地一體化模型示意圖

教學(xué)案例的設(shè)計(jì)過程涵蓋了課前準(zhǔn)備、課中實(shí)施和課后延伸等階段,旨在引導(dǎo)學(xué)生理解與應(yīng)用星地融合網(wǎng)絡(luò)中的通信資源分配技術(shù),并掌握相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)和雙深度Q網(wǎng)絡(luò)(double deep Q network,DDQN)深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法。

3.1 課前準(zhǔn)備

(1) 確定教學(xué)目標(biāo):教師設(shè)計(jì)案例的目的是讓學(xué)生理解和應(yīng)用星地融合網(wǎng)絡(luò)中的資源調(diào)度問題,并掌握網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)和DDQN深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)等算法。

(2) 確定教學(xué)內(nèi)容:教師將構(gòu)建星地融合網(wǎng)絡(luò)基于網(wǎng)絡(luò)切片的系統(tǒng)模型,解決通信資源分配問題,作為本次案例式教學(xué)的內(nèi)容。

(3) 準(zhǔn)備教學(xué)材料:教師準(zhǔn)備案例學(xué)習(xí)材料,包括相關(guān)論文、書籍、案例分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果等。

(4) 學(xué)生自主學(xué)習(xí):根據(jù)教師提供的預(yù)習(xí)材料,學(xué)生自主學(xué)習(xí)星地融合網(wǎng)絡(luò)的基本概念、通信資源分配問題和網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)等知識(shí)。

(5) 學(xué)生理解案例背景:學(xué)生通過閱讀相關(guān)材料,理解基于智能認(rèn)知與協(xié)同技術(shù)的泛在衛(wèi)星通信系統(tǒng)研發(fā)的背景,并理解星地融合網(wǎng)絡(luò)的問題。

3.2 課中實(shí)施

(1) 學(xué)生講解系統(tǒng)模型:學(xué)生通過小組或個(gè)人展示,講解星地融合網(wǎng)絡(luò)中基于網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的系統(tǒng)模型?？梢杂肞PT展示或錄制視頻等方式介紹模型的構(gòu)建,包括節(jié)點(diǎn)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)連接和用戶等,并考慮約束條件,如中繼節(jié)點(diǎn)和鏈路帶寬的優(yōu)化。

(2) 學(xué)生分享實(shí)驗(yàn)結(jié)果:學(xué)生可以分享在使用DDQN深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)理論中所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,包括網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)延遲與最大化智能體的獎(jiǎng)勵(lì)收益等。并通過小組或全班討論,相互評(píng)估、學(xué)習(xí)和提供改進(jìn)意見。

(3) 監(jiān)督并指導(dǎo)學(xué)生:在學(xué)生進(jìn)行講解和探討過程中,教師起到監(jiān)督和指導(dǎo)的作用,確保學(xué)生對(duì)系統(tǒng)模型、優(yōu)化問題模型和DDQN深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)應(yīng)用有正確理解,并提供必要的補(bǔ)充說明。

(4) 解答問題與引導(dǎo)討論:教師鼓勵(lì)學(xué)生提問問題,解答學(xué)生的疑惑,并引導(dǎo)他們深入討論和思考,以促進(jìn)學(xué)生思維發(fā)展和提升問題解決能力。

3.3 課后延伸

(1) 獨(dú)立思考與實(shí)踐:學(xué)生在課后獨(dú)立思考如何進(jìn)一步優(yōu)化星地融合網(wǎng)絡(luò)中的通信資源分配,嘗試設(shè)計(jì)其他類似的優(yōu)化算法或方案。

(2) 后續(xù)研究與討論:學(xué)生可申請(qǐng)大創(chuàng)課題或進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì),對(duì)該內(nèi)容進(jìn)行深入研究。

(3) 復(fù)習(xí)與答疑:教師安排課后復(fù)習(xí)與答疑環(huán)節(jié),解答學(xué)生對(duì)課堂內(nèi)容的疑問,鞏固學(xué)生對(duì)教學(xué)案例的理解。

(4) 提供相關(guān)學(xué)習(xí)條件:向?qū)W生提供課后閱讀材料和科研條件,例如相關(guān)論文、書籍或在線資源,并通過大創(chuàng)項(xiàng)目或省優(yōu)畢設(shè)培育項(xiàng)目提供研究經(jīng)費(fèi)支持,支持學(xué)生進(jìn)一步深入研究。

通過案例式教學(xué),學(xué)生不僅能夠?qū)⒗碚撝R(shí)應(yīng)用于實(shí)際情境,還能培養(yǎng)問題解決和團(tuán)隊(duì)合作的能力。同時(shí),教師的指導(dǎo)和評(píng)價(jià)也為學(xué)生提供了必要的引導(dǎo)和反饋,以確保他們?cè)趯W(xué)習(xí)過程中的有效掌握和進(jìn)步。

4 案例式教學(xué)實(shí)施效果

通過“通信網(wǎng)絡(luò)”的案例式教學(xué)實(shí)踐以及在課外科研與競(jìng)賽中進(jìn)行拓展延伸,已經(jīng)取得了顯著的人才培養(yǎng)效果。創(chuàng)建了學(xué)?！翱仗鞌?shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”綜合創(chuàng)新基地和“未來網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新應(yīng)用”主題創(chuàng)新區(qū)。指導(dǎo)學(xué)生參加第六～八屆中國(guó)大學(xué)生“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽(I級(jí)甲等)共獲得國(guó)賽金獎(jiǎng)3項(xiàng)、銀獎(jiǎng)2項(xiàng)和省賽一等獎(jiǎng)3項(xiàng),獲評(píng)優(yōu)秀指導(dǎo)教師和實(shí)踐指導(dǎo)優(yōu)秀獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。指導(dǎo)學(xué)生獲2021年度江蘇省優(yōu)秀本科畢業(yè)設(shè)計(jì)1篇,推薦2023年度江蘇省優(yōu)秀本科畢業(yè)設(shè)計(jì)1篇,獲校級(jí)優(yōu)秀本科畢業(yè)設(shè)計(jì)一等獎(jiǎng)3篇、二等獎(jiǎng)1篇。近3年來,指導(dǎo)本科生申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利18項(xiàng),其中6項(xiàng)已授權(quán)。2021年指導(dǎo)學(xué)生參加京都創(chuàng)業(yè)賽(I級(jí)乙等)獲得2大獎(jiǎng)項(xiàng)。2023年指導(dǎo)本科生參加首屆“凌特杯”通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)大賽,獲得一等獎(jiǎng)。

5 結(jié)語

根據(jù)航空航天行業(yè)對(duì)高校人才培養(yǎng)的需求,“通信網(wǎng)絡(luò)”課程組明確了課程培養(yǎng)目標(biāo),并設(shè)計(jì)了空天通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵使能技術(shù)的典型教學(xué)案例。通過在課程中采用案例式教學(xué),學(xué)生不僅可以鞏固和掌握通信網(wǎng)絡(luò)的基本原理和網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu),還能熟悉網(wǎng)絡(luò)的部署過程和運(yùn)維方法,為他們將來從事空天通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)領(lǐng)域的工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此外,案例式教學(xué)還培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力與團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。根據(jù)學(xué)生反饋,他們?cè)诎咐龑?shí)踐中獲得了實(shí)際操作的機(jī)會(huì),并且通過項(xiàng)目匯報(bào)提升了深入理解和應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的能力。課程組還為學(xué)生提供了課外實(shí)踐平臺(tái)和各類競(jìng)賽指導(dǎo),實(shí)現(xiàn)了專創(chuàng)融合。綜上所述,案例式教學(xué)模式的引入,能夠?yàn)閷W(xué)生提供更加綜合且實(shí)踐性的培養(yǎng),使他們?cè)谖磥淼穆殬I(yè)發(fā)展中能夠更好地應(yīng)對(duì)空天通信網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域新技術(shù)的挑戰(zhàn)。