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在油田偏远油区生产过程中,对相关生产参数及油井视频进行远程监控对偏远油井的安全生产起着至关重要的作用。但由于偏远油区装置远离********,应用有线的通讯方式,施工困难且周期长、灵活性差。而无线通讯方式由于其建立物理链路简单易行,成本低,可以根据现场需求及时调整项目方案,灵活性好,系统的功能扩展方便,因此特别适合偏远油区对通信链路的要求。
2常用的无线通讯技术
目前在油田现场广泛应用的无线通讯技术主要有GPRS/CDMA、数传电台、扩频微波、无线网桥及卫星通信、短波通信技术等。
其中GPRS和CDMA技术中国移动和中国联通公司的主营数据传输业务,在数据传输方面有着很强的优势,即信号覆盖范围广。对于陆上油田生产区域基本完全覆盖。但由于海上油田地理位置特殊,远离陆地的基站,因此很多海上生产平台还无法为GPRS/CDMA信号完全覆盖。此外经过测试,GPRS的平均速率为20kbit/s~40kbit/s,CDMA的平均速率为80kbit/s~100kbit/s,可以满足传输小数据量的生产数据要求,但无法满足大数据量的信号(例如视频信号)远程无线传输。虽然有利用CDMA技术进行视频信号传输的案例,但效果并不理想。
数字电台用于点对点或点对多点的工作环境,能够提供标准RS-232接口,可直接与计算机、RTU、PLC等数据终端连接,实现透明传输。数传电台的传输速率从1200~19.2Kbit,传输距离20~50公里。具有抗干扰能力强、接收灵敏度高等特点。数传电台技术比较成熟,标准统一,一直以来广泛用于油田的数据遥测/数据采集与监控(SCADA)项目中。但随着GPRS/CDMA技术的日渐成熟,相应的设备价格的降低,使得在很多应用场合中数传电台被GPRS/CDMA所取代。但同时,数传电台的相关技术也在不断发展,智能化、网络化、高带宽的数传电台也不断涌现。结合数传电台误码率低、信道可靠的特点,数传电台必将成为海上油田通信技术应用的可靠选择。
扩频微波和无线网桥技术是近几年兴起的一门数据传输技术。扩频微波最大优点在于较强的抗干扰能力,以及保密、多址、组网、抗多径等,同时具有传输距离远、覆盖面广等特点,特别适合野外联网应用。而无线网桥是无线射频技术和传统的有线网桥技术相结合的产物。无线网桥是为使用无线(微波)进行远距离数据传输的点对点网间互联而设计。它是一种在链路层实现LAN互联的存储转发设备,可用于固定数字设备与其他固定数字设备之间的远距离(可达50km)、高速(可达百Mbps)无线组网。这两项技术都可以用来传输对带宽要求相当高的视频监控等大数据量信号传输业务。
例如,对于远离陆地且无法进行中继的海上平台,通讯链路只能通过卫星通信和短波通讯。其中卫星通信范围大,只要卫星发射的波束覆盖进行的范围均可进行通信。不易受陆地灾害影响,建设速度快,易于实现广播和多址通信等等优点。但其运行费用相对昂贵,且系统维护要求高。短波通讯以往只在军事通信、专业通信、业余通信中发挥着极为重要的作用,因其传输速率低、噪声大,电离层反射天波为主,通常不能稳定的使用固定频率工作等缺点,因此在其他领域已慢慢淡出人们的视线。尽管短波通信存在一些缺陷,但对于海上油田而言,短波通讯作为可靠性高、覆盖区域广的通信方式,用于海上平台的紧急通信及小数据量传输应该是一个比较好的选择。
3环境因素对技术应用的影响
偏远油区的环境因素以以海上油田最为特殊。海上油田除了考虑信道带宽,传输数率,传输距离,发射功率,天线要求等通信设备本身的技术参数外,在应用无线通讯技术的过程中,还必须全面地考虑海上平特的地理环境与地理条件对无线通信技术应用的影响。
3.1对信号传输的影响
可以通过选取性能好的设备或应用抗干扰措施以减少甚至避免干扰。但无线通信过程中的信号衰落问题则是普遍存在的,而且是不可避免的。由于海上油田远离陆地,与陆地之间的广阔的海域、多变的气候使得在陆上应用效果很好的技术在海上应用时没有了用武之地。
微波在空间传播中将受到大气效应和地面效应的影响,导致接受机接受的电平随着时间的变化而不断起伏变化,我们把这种现象称为衰落。从衰落的物理因素来看,可以分成以下几类:吸收衰落、雨雾衰落、K型衰落、波导型衰落、闪烁衰落等等。在各种衰落因素中,吸收衰落、雨雾衰落及K型衰落对海上油田的无线通信应用影响较大。
3.2对技术应用的影响
各项通信技术在海上油田应用中还存在的另外一个问题就是其独特的现场环境。海上平台一般空间狭小,还要考虑海上多风,平台最高点一般较低的特点。
首先是对天线安装的限制。海上微波通信受地形地貌影响,相同的通信距离要求两端天线的高度更高。对于卫星通信、扩频微波、短波通信等天线体积较大的应用,由于海上风力较大,抗风性的要求也使得设备在小平台的安装变得十分困难。
此外,对于无人值守的平台,设备必须具有高可靠性、可自动维护、参数远程设置等功能。而对于卫星通信、短波通信等要求平台上配备专业管理操作人员进行设备的管理维护,这一特点也为技术的应用带来一定的限制。
4无线网桥技术在海上平台视频监控中的应用
在实际的现场应用中,我们选取了基于5.8G无线网桥设备进行了现场应用测试。测试地点为浅海油井,测试内容为4路视频监控图像的传输。该系统具体解决方案是利用摩托罗拉Canopy5.8G无线网桥建立通信链路。在平台一侧首先通过视频服务器将模拟视频信号转化为可在网络传输的IP数据流,之后由无线网桥将信号传输到陆地端。陆地端一侧通过无线网桥进行接收后由视频监控服务器处理后,对视频信号进行录像存储及Web。相关用户可依据相应权限在局域网内进行视频图像的浏览、录像等操作。
系统通讯链路建立后,可远端对设备参数进行设置,设备维护方便。监控视频图像清晰、连贯,满足监控要求。从系统的链路冗余可以看出本次测试的应用距离已接近5.8G无线网桥技术在海上应用的最远距离。从系统的稳定性出发,在更远一些的类似应用中应谨慎选择这项技术。
这次做项目我也注意到了我们团队的一些缺点:
1.各组员之间和各小组之间没沟通交流好,各组与个人都以完成各自任务为止,并不顾及其他小组或个人搜集的资料,以致查找内容重复,整个团队对整个项目了解都很片面;
2.很多队员的责任心都不够强,找了资料没整理好就发给负责人,由于大家都都是比较忙的,结果有些内容就只是很机械地拼凑起来而已,使总的报告内容欠实,主次凌乱。
关键词:无线网络;实验;需求驱动;方案
0 引言
高校实验教学必须符合专业设置的要求,紧跟社会经济的发展并为之提供发展导向与技术支持。实验教学与理论教学是相辅相成、不可分割的两个部分,它们彼此之间相互影响、相互支持和相互促进。实验教学是验证教学理论与实际应用的过程,帮助学生更好地理解与掌握教学内容的关键点。实验课程内容安排是否合理和新颖将会直接影响到专业教学质量和人才培养水平。文献主要从培养实践能力、开发学生智能以及培养学生科研能力3方面论述高校实验教学既是高等教育的一个重要组成部分,又是培养专业人才不可缺少的重要途径。笔者以无线网络实验课程的设置为例,首先研究课程的客观需求,然后提出开设该课程的思路和设计方案。
1 现状与需求
1.1 科技发展与教学改革的客观要求
在计算机与互联网技术取得长足发展的今天,计算机网络呈现出由有线向无线、由固定向移动、由单一业务向多媒体业务发展的趋势。2013年1月15日,中国互联网络信息中心《第31次中国互联网络发展状况统计报告》,报告显示截至2012年12月底,中国网络用户数量达5.64亿,增长速度趋于平稳,其中手机网络用户已超越台式电脑成为第一大上网终端,规模达到4.2亿,国内互联网普及率达到42.1%,各种网络用户的年增长趋势见图1。
当国内网络用户的增长进入相对平稳的阶段时,表明互联网在易转化人群和发达地区居民中的普及率将趋于饱和,下一阶段将转向发展相对落后地区的居民。随着智能手机性价比的不断提高,移动上网应用涌现出新热潮,使用手机接人互联网将成为庞大的流动人口和农村人口更为廉价和便捷的方式之一。移动智能终端使用门槛的降低使普通手机用户不断向智能化用户的转变。国内多座城市的办事大厅、公园、医院等重要公众场所已经完成WIFI网络工程并向广大市民开放,这是无线局域网在计算机网络与无线通信技术支持下实现个人移动通信的又一重要技术应用。
提高学生的综合素质是教学改革的重要目标。首先应利用现代科技成果进行学习模式改革,促使教师不断充实完善专业知识,激励学生运用现代信息技术高效地学习,学会在研究和创造中学习,以适应激烈竞争的社会。其次必须树立新型学习理念,高度重视学生学习能力的培养。用人单位和毕业生一致认为应进一步加强对大学生科学实验态度和独立设计实验能力的培养。最后,拓宽知识结构,加强科学实验和社会实践,使人才培养融入科技发展和社会进步。事实证明这是学生了解社会,激发学习动机,提高实践能力、专业技能和社会适应能力的重要途径。高校要顺应科技发展和社会进步的客观需求,将培养学生实践能力和提高综合素质纳入教学改革的重点。
1.2 学生求知的主观要求
目前公办高校本科教学基本沿用理论为主实验为辅的人才培养模式,所授课程知识面较窄,内容较陈旧、抽象,学生不但容易造成理解上的偏差,甚至还对某些实验课程产生畏惧和厌倦心理。笔者对广州4所高校与计算机相关专业的在校大学生进行问卷调查,了解到绝大多数学生对无线网络实验课程很感兴趣,他们希望学校开设此类相关的课程,如图2所示。
2 无线网络实验课程的开设思路
2.1 课程内容
1)无线局域网组网与配置。
无线局域网是以无线电波作为网络设备与终端之间的主要通信传输介质,相比有线局域网具有更强的优势,尤其适用于移动办公的场合,如体育场馆、新闻采访等;也可用于有线设施昂贵或难以实施的场合,如具有较大开放结构的办公室、图书馆、校园、证券交易厅和会展中心以及旅游景区等公共场所。
2)WIFI应用。
WIFI是一种在个人电脑、手持设备(如PDA、手机)等终端之间以无线传播方式互相传送数据的技术,目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网络产品之间的互通性。
2.2 课程调查分析
信息技术及相关学科是高校实验教学的前沿技术,可从以下数据库进行检索。
1)Web of Knowledge数据库检索。
首先通过对Web ofKnowledge的数据库进行搜索,检索条件为:主题=(Wireless Network),时间跨度=2000-01-01至2012.12.31,共检索出5 144篇文献。将所有文献导入到文献计量学分析工具HistCite进行分析、整理得到表1。从表中的关键词列可知:全网引用次数GCS和本地引用次数LCS的前3位分别是无线、网络及传感器研究,说明这些是当前研究热点。从文献作者所在的国家或地区来看,GCS和LCS的前3位分别是美国、中国和韩国。对研究机构进行排列,结果显示以美国高校的研究占主导地位,说明中国对相关研究虽有一定的量,但研究优势并不集中。其次再将检索范围缩小,条件设为:主题=(Wireless Network)AND主题=(Experimental courses),时间跨度=所有年份。共检索到42条文献目录,对其标题和摘要进行浏览,并未发现有关无线网络在实验教学或课程中应用的文献。
2)CNKI数据库检索。
笔者对知网的中国学术期刊网络出版总库分别进行3次检索,检索条件:发表时间是2000.01至2012.12—31,主题依次为:网络技术发展/网络实验/无线网络实验(精确匹配),共检索到11987/1641/13条结果,如图3所示,其中主题为“无线网络实验”的13条文献未发现关于无线网络在实验教学或课程中应用的论述。
3)Google检索。
利用Google检索检索关键词为WirelessNetwork并与Experimental courses完全匹配的信息,共检索到2120条信息,其中很多信息是关于美国衣阿华州立大学实验课程的介绍,包括无线网络实验的介绍。
经过以上检索和分析得出以下结论:
1)开设无线网络实验课程是必要的。
无线通信技术的迅速发展及我国社会对这一技术人才的广大需求是开设课程的客观依据。多数学生对于无线网络实验课程有较大兴趣,为这一课程的开设奠定了主客观基础,也是开设这一课程的充分依据。
2)开设无线网络实验课程具有前瞻性。
在广州的高校中无线网络实验相关课程没有或很少开设。设置无线网络实验课程可以紧跟科技发展前沿,加强学生动手能力,提升学校信息技术相关专业学生的专业竞争力。
3)无线网络实验课程的设计更具实用性。
课程内容的设计应包括如何配置家庭无线局域网、如何连接公共场所提供的免费无线网等,重点应放在无线网络的日常应用。
3 实验课程设计与教学建议
3.1 实验目的与实验方案的研究
1)任务或项目驱动。
实验课程要求学生能够分析、配置、测试以及维护无线网络。首先将实验主动权交给学生,教师仅给以启发和引导。教师将实验指导书变为任务书,只给出实验项目内容、要求、实验条件及所需设备等,引导学生自组团队解决实际问题,设计细节和实现由学生自主完成,培养学生独立分析问题、解决问题的能力,激发创新思维。其次是制订科学严谨的实验教学大纲,设计一套行之有效的实验操作流程与规章来管理和控制实验课程,提高学生的实际运用能力,使学生尽早地投入到角色中去,如图4所示。
在计算机网络实验教学中引入项目驱动方式,确定项目任务、设计项目方案、实施项目方案和评价项目4个过程,以1个网络实验项目贯穿上述过程,探讨项目驱动方式在计算机网络实验教学中的具体应用。
2)实验项目设计。
实验项目采取教师命题与学生自选相结合的方式。先由教师给出10~15个题目供学生选择与参考,若学生有特定方向上的兴趣或要求,可与教师协商自拟题目,学生自选的题目须由教师审批后方可实施。实验题目的设计标准应与实际应用紧密关联,注重实效且内容应具备一定的实州价值和进一步扩充完善的空间。同时实验项目的选取要难易程度适中,兼具可控性、可验证性和可实现性,提高学生的动手能力与分析问题的能力。实验项目设计要注重培养学生务实严谨的学风和工作作风,让学生自己动手解决问题去提升自主创新能力,激发学生的自我实现意识。
3)实验地点。
由于实验设备的便利性和可移动性,学生可根据具体项目内容在实验室或宿舍等周边地区进行灵活操作,不但调动了学习积极性,还能使实验室开课率成倍提高。
4)实验报告或论文。
作业严格按照学校的格式要求提交实验报告或论文,确保实验数据、参数、图表的真实和准确,让学生养成严谨的科学态度,实验教师根据评分细则标准进行客观公正的评判与总结。
3.2 实验设备
(1)PC机/笔记本电脑/智能手机/PDA。除了台式机和笔记本电脑作为主要的实验设备,智能手机给无线网络的实验带来了极大的便利。
(2)无线网卡。无线网卡有适用于笔记本电脑的内置PC卡、台式机的内置PCI卡或两者皆适用的外接USB卡等,在无线局域网中是操作系统与天线之间的接口,用来创建透明的网络连接,用于无线组网。
(3)无线接入点AP(Access Point)。无线接入点AP是一个无线子网的基站,它实现无线局域网和有线局域网之间的桥接,用于接收、缓冲存储和传输数据。为了便于实验实施,可选用经济轻便的家用无线路由器。AP通常是通过标准以太网线连接到有线局域网上,并通过天线与无线设备进行通信。其作用半径取决于天线的方向和增益,在有多个AP时,用户可在AP问切换。通过添加更多的AP,可以比较轻松地扩充无线局域网,从而减少网络拥塞,提高网络使用率,扩大网络覆盖范围。
3.3 课程教学建议
(1)学校应重视实验教学,加强实验室师资队伍建设,加大对实验室的投入,激发实验教师的工作热情和专业素质的提升。
(2)增加实验教学时数。以往的教学计划中理论学时所占比重较大,留给实验课程的学时相对较少,图5是对某高校教育技术学专业教学计划中含实验的课程统计。从图中的情况看,实验学时数在3类课程中的比重都不高,专业必修课的实验学时数只占该类课程总学时数的26.42%,专业选修课稍高一些,但也仅为28.46%,在教学计划中多数课程学时数定为32—48学时之间,实验学时数约占10~14学时,许多实验内容在有限学时内很难完成,不但影响了实验效果,也影响了学生做实验的兴趣和积极性。因此,加强实验教学,充实实验内容,保证教学质量有效提高成为学生的普遍要求。
(3)加强在校生对基础知识与基本技能方面课程学习重要性的认识。学校应多开设一些相关专业交叉学科的选修课程,对无线网络技术甚至可开设一些校级选修课,让更多专业的学生掌握相关的知识与技能,感知科技进步的脉搏,培养学生的工程意识,增强大学生的就业适应能力。
(4)加强对实验能力、工程设计能力、识别与解决问题能力及创新能力的培养,引导学生提高自主学习和终身学习的意识与信息素养。
(5)强调统计学的知识结构。统计学是进行科学研究与分析的重要方法,随着科学技术的飞速发展,统计方法与技术的应用越来越重要,科学技术对统计方法的依赖愈来愈强,世界上许多国家尤其是发达国家都非常重视统计学理论的研究和发展。
目前来说,应用比较广泛的无线通讯技术有GPRS技术及其CDMA技术,该技术实现了对无线网桥及其卫星通信模式及其短波通信模式的应用,确保其数字电台的有效应用,确保其接口环节、数据终端连接环节等的有效协调,促进其传输环节的健全,确保其数传电台的传输速率的提升,确保其传输距离的有效规范,满足了通信系统工程的内部通讯环节的发展需要。随着经济的发展,其数传电台技术不断得到更新,满足了实际工作的需要,通过对其通信模式的深化应用,实现数传电台的运作系统的健全,促进其内部环节的有效协调,促进其网络化、科学化、智能化发展,满足了通信系统工程对于高宽带模式的数传电台的需要,大大促进了我国市场经济建设的不断深化发展。扩频微波和无线网桥技术是近几年兴起的一门数据传输技术。扩频微波最大优点在于较强的抗干扰能力,以及保密、多址、组网、抗多径等,同时具有传输距离远、覆盖面广等特点,特别适合野外联网应用。而无线网桥是无线射频技术和传统的有线网桥技术相结合的产物。无线网桥是为使用无线进行远距离数据传输的点对点网间互联而设计,它是一种在链路层实现LAN互联的存储转发设备,可用于固定数字设备与其他固定数字设备之间的远距离、高速无线组网。这两项技术都可以用来传输对带宽要求相当高的视频监控等大数据量信号传输业务。
微波集群技术也是一种应用范围比较广泛的无线通讯技术,其实现了开放性的提升,确保其距离的有效应用,确保其无线通信技术系统的健全,实现了对通讯设备的有效应用,促进其无线连接模式的健全,促进其成本环节的稳定发展,促进该环节的综合效益的提升,确保其数据通讯模式的深化应用,促进其数字设备之间的有效协调,实现了对相关CMOS芯片的有效应用。特别适用于小型的移动通讯设备,使设备去掉了连接电缆的不便,通过无线建立通讯。近期应用比较多的蓝牙技术以低成本的近距离无线连接为基础,采用高速跳频和时分多址等先进技术,为固定与移动设备通讯环境建立一个特别连接。作为一个新兴技术,蓝牙技术的应用还存在许多问题和不足之处,如成本过高、有效距离短及速度和安全性能也不令人满意等。蓝牙技术已成为近年应用最快的无线通讯技术,它必将在不久的将来渗透到生活的各个方面。
2关于超宽带技术应用环节的分析
随着市场经济的不断深化,其超宽带技术不断得到更新,该技术的发展历史是比较长的,起初作为军事技术实现了对相关雷达通讯设备的应用,促进其无线通信模式的不断深化应用,满足了社会经济对于高速无线通讯模式的发展需要,促进其超宽带技术系统的不断更新,满足了通信系统工程的日常经济的发展需要。UWB是一种无载波通信技术,利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据,它实现了对某种信号带宽的应用,确保其无线通讯系统的健全,它某种程度上突破了传统的连续载波通讯模式的局限性,促进其脉冲信号的有效应用,实现其信息的有效传递,通过对其脉冲持续时间的有效控制,确保其高速通讯模式的深化,促进其脉冲带宽环节的有效控制,确保其数据传输速率的提升,促进其超宽带技术系统的健全。在高速通讯模式的应用过程中,其UWB设备的发射功率是比较小的,在实际工作过程中,我们可以通过对UWB设备模式的应用,确保其与无线电设备的有效应用,确保其带宽的共享性的提升。UWB是一种高速而又低功耗的数据通信,抗干扰性能强,UWB采用跳时扩频信号,系统具有较大的处理增益,在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中,输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。UWB的数据速率可以达到几十Mbit/s到几百Mbit/s,有望高于蓝牙100倍。UWB使用的带宽在1GHz以上,高达几个GHz。超宽带系统容量大,并且可以和目前的窄带通讯系统同时工作而互不干扰。通常情况下,无线通讯系统在通讯时需要连续发射载波,因此要消耗一定电能。而UWB不使用载波,只是发出瞬间脉冲电波,也就是直接按0和1发送出去,并且在需要时才发送脉冲电波,所以消耗电能少。
为了确保超宽带技术的广泛应用,我们也要进行UWB保密环节的深化,促进其保密性的提升,通过对其跳时扩频环节等的应用,促进其接收机环节的稳定运行,促进其发射数据的有效应用,以突破传统的接收机模式的局限性,促进其系统的发射功率谱密度的有效控制,确保其发送功率的积极控制。在实际工作中,我们要进行其UWB系统模式的深化,根据其发射功率比较小的特点,进行通信设备环节的深化应用,确保其实时通信环节的稳定运行,促进其整体通信运作系统的健全,促进其内部各个环节的有效协调,以满足实际经济的发展需要,满足市场经济通信环境的稳定。低发射功率大大延长了系统电源工作时间。成本低,适合于便携型使用:由于UWB技术使用基带传输,无需进行射频调制和解调,所以不需要混频器、过滤器、RF/TF转换器及本地振荡器等复杂元件,系统结构简化,成本大大降低,同时更容易集成到CMOS电路中。
关键词:实践课程;教学体系;创新教育教学方法;网络工程;创新能力
文章编号:1672-5913(2013)14-0104-05 中图分类号:G642
教育部在《关于全面提高高等教育质量的若干意见》中明确提出,高等教育要坚持内涵式发展,走以质量提升为核心的内涵式发展道路,要探索拔尖创新人才培养模式,开展创新教育教学方法,以提高实践能力为重点,实施卓越工程师等教育培养计划。
创新能力是国家面向未来的核心竞争力,科技创新是提高社会生产力和综合国力的战略支撑,培养高质量的科技创新人才是高等学校义不容辞的中心任务和社会责任。
创新教育的基础在实践。我国与国外先进教育教学工作的主要差距表现在实践教学环节。笔者从高等教育网络工程专业的实践课程体系构建、完善创新性实践课程教学机制以及实践课程教学目标的实施3个方面进行教学改革探索。
1 以培养目标为驱动,构建实践课程教学体系
网络工程专业的人才培养目标应该是培养具有综合素质和创新能力,较好掌握计算机科学和计算机网络工程的基础理论、专业知识和基本技能,具有从事科学研究工作或专门技术工作的初步能力,适应社会发展和市场需求的工程应用型人才。
知识结构、能力结构和综合素质是人才培养与人才评价的3个主要因素。对于工程应用型人才来说,能力结构是第一位的,知识结构与综合素质都是为能力结构做支撑服务的。
与传统的“重理论,轻实践”的教育方式不同,网络工程专业的实践课程要自成体系,与理论课程体系同样重要,两者相辅相成。理论课程体系的设计主要体现专业结构、知识结构的培养目标要求,在此基础上,确定理论课程的知识领域、核心知识单元和知识点。而实践课程体系的设计应主要体现能力结构的培养目标要求,由能力结构确定实践课程体系的各个单元目标结构和具体指标。
实践课程教学体系由7个部分构成:课程实训、课程实验、课程设计、毕业设计、课程社会实践、实践教学评测和实践教学文档及资源。网络工程专业实践课程教学体系框架设计见图1。
(1)课程实训是指基本技能和综合技能的专业训练。课程实训的基本技能包括:常用网络设备的选取和制作;简单以太网组网及布线;网络操作系统配置与管理;路由器的简单配置与管理;异步串行通信程序设计;常用网络测试工具的使用等。综合技能包括:光纤、无线接入网的实现;网络监视与分析、网络流量监测工具的使用;交换式网络与交换机配置;链路层、网络层、传输层的应用程序设计;嵌入式网络编程;网络防火墙的配置;网络工具软件的使用;虚拟局域网络组建等。
(2)课程实验是指配合课堂理论教学进行的课内实验或单独设课实验。实验内容包括:网络操作系统实验;路由器与交换机实验;数据结构与算法实验;计算机组成原理实验;计算机网络原理实验;网络编程应用实验;网络协议的设计及应用实验;嵌入式网络应用实验;网络信息安全实验;网络工具软件的应用实验;IPv6项目实验等。
(3)课程设计是对理论课程的核心知识点以及能力结构的综合技能的专业训练。课程设计的内容包括:简单网站的设计及应用;嵌入式网络设备的应用设计;网络协议的设计、分析与实现;组网工程的设计与实现;网络系统管理与维护;网络信息安全系统的分析与设计;网络路由算法分析与设计等。
(4)毕业设计是将理论知识和专业技能与实际应用相结合的能力综合训练及检验。
(5)课程社会实践主要指针对课程实验、课程设计、毕业设计等课题项目所进行的社会调研与实践。一般生产认识实习也属于课程实践范畴。
(6)实践教学评测是对实践课程教学效果的评价和对学生实践课程成绩的评定。实践课程教学评测体系包括学生实践课程综合素质的评价指标,以及学生课程实训、课程实验、课程设计、毕业设计成绩的评定细则等。
(7)实践教学文档及资源是为了保证实践课程教学体系的各个环节有机结合、正常运转的系列教学文件和参考资料。实践教学文档包括:课程实训、课程实验、课程设计、毕业设计、课程社会实践的教学大纲和实施方案、实践课程教学考核与评价实施方案等。实践教学资源包括:实践课程讲义、教材、指导书、实践课程多媒体教学参考资料等。
按照人才培养方案的目标要求,教学计划是一个整体。实践课程教学体系是整体教学计划的一部分,也是一个与理论课程教学体系有机结合的、相对独立的完整体系。
实践课程教学环节要根据其自身的特点从培养创新意识、工程意识、研究兴趣、工程应用能力以及社会实践能力出发,对课程实训、课程实验、课程设计、课程社会实践和毕业设计等诸多实践性教学环节进行整体、系统的优化设计,从培养目标的全局角度出发,把专业基础教育和专业教育的实践教学有机衔接,使能力结构的训练构成一个体系,贯穿于创新人才培养的全过程。
2 以创新能力培养为核心,完善实践课程教学机制
创新过程实质上是新知识获取和创造的过程。创新能力是一种综合能力,是学习能力、研究能力、设计能力和实践能力的综合体现。创新人才需要培养,提升创新能力的基础在于实践。
创新人才的培养需要许多要素,其中有两点更为重要:一是软件要素,即激励创新精神。创新人才的培养首先要激发人积极投身到科技创新活动中,勇于创新,乐于创新,享受创新。二是硬件要素,即为创新人才的成长提供条件与支撑。通过专业结构调整帮助创新人才完成知识结构,通过构建创新实践平台提供物质基础,促进创新人才在实践中成长。
如何在实践课程体系中,通过日常的教学活动和过程管理,形成以创新能力培养为核心的教学机制,是实践课程体系建设的中心任务。教育部在《关于全面提高高等教育质量的若干意见》中,对实施创新教育教学方法提出了细节性的要求,倡导启发式、探究式、讨论式、参与式教学,注重学习过程考查和学生能力评价。
前面通过研究构建面向能力目标结构的实践课程教学体系可以为创新人才培养提供条件支持,但提升创新能力则需要在实践课程教学体系中形成以创新能力培养为核心的教学机制,形成制度,持之以恒,才能长久见效。通过提出课题项目设计、开展项目教学法、引入工程项目管理机制并注重项目过程管理、组建课题团队、鼓励研究性学习、实行创新激励机制,初步构建以创新能力培养为核心的实践课程创新实践平台。图2是该平台的总体设计框架。
1)开展项目教学法,引入工程项目管理机制,注重项目过程管理。
在实践课程教学中,对于课程实训、课程实验、课程设计和毕业设计的课题,采用项目教学法,引入工程项目管理机制,根据不同的教学环节和课题项目,确定科学的项目指标,注重项目过程管理,提升人才的工程实践的创新能力。
项目管理是为了实现项目目标,运用相关的知识、技能、方法和工具,对项目的计划、进度、质量、成本、资源进行管理和控制的活动。
项目教学法是通过实施一个完整的项目工作而进行的教学工作,学生以自主探索为基础,通过动手操作、讨论协作实现知识和技能之间的对接,提高理论联系实际的应用能力。项目教学法的工作要素是选定项目、项目目标规划、项目分析与实施、项目验收与评价、成果交流与展示。
项目过程管理是对项目运行中的一系列工作过程按阶段进行的指标管理和质量控制。没有过程管理就没有项目质量。
通过课题的立项与开题、组建课题小组、方案分析、方案设计、方案实现和项目验收的工作流程对学生进行科技创新活动的工程实践训练,培养良好的科研素质。将项目教学法应用到课程实训、课程实验、课程设计和毕业设计各个教学活动中,应根据其教学特点和不同阶段的特征加以应用。
项目教学法集成了当前3大教学法(即探究教学法、任务驱动教学法与案例教学法)的特点。以课题项目为载体设计教学环节。在教学过程中可以突出学生的主体地位和教师的主导作用,启发学生思考问题、解决问题,培养学生的组织能力、团队协作精神和综合素质。
2)重视课题项目设计,遵从教育规律和认知规律,促进拔尖创新人才发展。
20世纪80年代,美国著名发展心理学家、哈佛大学教授霍华德・加德纳博士提出了多元智能理论,在教育领域产生了很大影响,并获得了极大成功。他认为人类的智能是多元化而非单一的,主要是由语言智能、数学逻辑智能、空间智能、身体运动智能、音乐智能、人际智能、自我认知智能、自然认知智能8项组成,每个人都拥有不同的智能优势组合。将多元智能理论应用于创新人才的培养,对于实践课程的改革具有指导意义和应用价值。
依据培养目标和教学规律,科学、合理地设计课题项目,是开展项目教学法和项目管理的第一要素,也是教师发挥其在教学活动中的主导地位的首要任务和关键环节。要分级分类设计课题项目,遵从教育规律和认知规律,循序渐进,阶梯发展。
课程实训的教学目标是培养学生的动手能力。在课程实训的基本技能和综合技能项目基础上,增加高级技能项目。其中基本技能和综合技能是必选项,面向全体学生,而高级技能面向创新拔尖人才。比如,在网络工程实训中,增加网络模拟器NS使用、防火墙设计、无线VLA技术等高级技能项目。
课程实验的课题类型有验证性实验、操作配置类实验、应用性实验和创新设计性实验。课程实验教改的重点是将课程的验证配置性实验、设计应用性试验和自主创新性实验有机结合、落到实处,真正做到以验证配置性实验为基础,以设计应用性实验为中心,以自主创新性实验为提高的课程实验机制。
课程设计的课题类型有综合训练型和应用设计型。课程设计教改的重点是课程设计应分阶段循序渐进,以综合训练为基础,以提高实践创新能力为重点。
毕业设计的课题主要分为系统仿真设计和系统应用设计两大类。
不仅课题项目要分级分类,项目数量也要足够,以保证学生选题的空间。
3)组建课题团队,形成研究性学习氛围,利用个体差异,优势互补。
根据多元智能理论,每个人都拥有不同程度的8种智能,由于智能组合形式以及每种智能的表现形式不同,因此每个人的智能是独一无二的,这体现了个体的差异性。而8种智能中,人际智能是多元智能中非常重要的一面。
组建课题团队,以学生自愿为原则,但教师也可给出合理性建议。根据学生的气质和性格差异,开发学生的人际智能,促进学生弱势智能的增强和强势智能的提高,促进学生的个性发挥和全面发展,达到智能互补和优势互补。
研究性学习是指在教师的引导下,根据选择的课题项目,主动获取知识、应用知识、解决问题的教学实践活动。研究性学习的核心活动是实践和创新。其主要活动形式有调研、收集资料,分析和讨论项目方案,关键问题和技术难题的研究,实验和测试,相互交流和改进,成果汇报和展示。
通过组建团队,竞争项目负责人,开展协同合作、相互交流,体现团队精神,营造研究性学习氛围,体验创新性探究乐趣,还可以使拔尖创新人才脱颖而出。
值得提出的是,在毕业设计教学环节中,课题团队的建设依然重要。过于强调形式上的个人工作量,而忽视对团队协作精神的锤炼,不仅不利于人才的全面发展,而且也会降低毕业设计的质量。
4)完善实践课程评测体系,建立创新人才激励机制。
建立一套完善的实践教学评价和检测体系,将学生的课程实训、课程实验、课程设计、毕业设计、课程社会实践,以及学生在实践中发现问题、分析问题、解决问题的创新实践能力都纳入评测体系中,进行综合全面的考核和评价。
实践课程教学评测的教改重点是实践课程教学评价指标的确立、实践成绩的考评和形成创新人才激励机制。
在评价指标中,可以将学生的社会实践、项目答辩和成果交流的表现都纳入评价指标体系,还可以引入学生间的互评机制,以课题组为单位,组员和组长间可以互评,并作为考评依据。
对于学生实践环节的成绩认定,要依据能力结构指标考核并单设成绩计入学分,不合格的同样需要补考或重修。
在创新人才激励机制上,对勇于创新实践并取得一定成果的学生推荐列入评优行列,给予适当的奖励;同时,对在课程实验和课程设计中表现优异的学生骨干给予鼓励和表彰。
3 以实践教学团队为依托,按目标分解实施实践课程教学
尽管网络工程专业是一个新的专业,但由于全球信息网络化的快速发展,传统的网络工程专业显然已不适应新的形势。新一代互联网的共性和单元关键技术主要体现在IPv6技术、IPv4向IPv6的过渡;P2P与覆盖网;网络虚拟化;网络绿色节能技术;QoS与组播技术;光网络;移动与无线网络;空间网络;可信网络与认知网络等方面。所以,无论从培养目标、教学计划、课程体系和实践环节上,还是从毕业生的就业和质量上,网络工程专业都需要与时俱进,适应新一代网络工程实践和市场的需求。网络工程专业的实践课程体系的构建与实施是一项系统工程,也是网络工程专业改革和腾飞的关键和切入点。为保证实践课程体系目标的全面实施,应做好以下实质性工作:
1)整合资源,打造实践课程教学团队。
一支教学实践能力强的实践教学团队在培养学生综合创新实践能力过程中将起到主要的支柱作用。我们需要建设一支由课程主讲教师、实验指导教师组成的实践教学团队,由团队负责课题项目的设计、组织和实施。将专业教研室或研究所、实验室或实验中心有机融合、各有侧重、密切配合,针对实践教学的各个环节,从实训与实验指导、实践环境维护管理、课程设计与毕业设计、创新实践指导等方面全力打造实践教学团队,统一于教学目标,服务于教学质量。教师要注重教育学、心理学的学习和研究,应用创新教育教学方法,要科研教研一起做,两手都要抓。
2)立体化建设网络工程实验平台。
建设网络工程专业的实验平台,是实施实践课程教学目标的重要物质保证。没有实验环境,谈不上工程实践。实验平台可以通过校内实训实验室、校企或校校合作、网络资源等立体化建设。
基本教学的实训实验、课程设计项目,由校内实验室保证完成。一些大的实际应用项目和创新性实践课题,可以寻求校企合作、校所合作或校校合作。
3)教学目标分解,单元模块化教学。
按能力结构将教学目标分解,采用分阶段、单元模块化教学。课程实训贯穿于整个教学活动中,在4个学年中应有不同的侧重点。通过能力结构目标分解,使学生清楚具体的目标定位,掌握自己的成长状况,知道下一步努力的方向,激发学生的自主性、研究性学习热情,将充分的课余时间投入到提升创新实践能力的活动中。
4 结语
综上所述,从以培养目标为驱动,构建实践课程教学体系,以创新能力培养为核心,完善实践课程教学机制人手,进行实践教学的改革与探索。通过打造实践课程教学团队、立体化建设实验平台、按目标分解单元模块化教学,全面实施实践课程教学目标。
通过实践课程体系的教改,促进理论课程体系的教改,从而推进网络工程专业的整体化教学改革,以适应培养创新性人才的市场需求。
参考文献:
[1]徐明,曾介南,高等学校网络工程专业培养方案[M],北京:清华大学出版社,2011:100-104