摘要：针对传统软件无线电课程实验教学中理论与实践脱节、学生创新能力不足等问题，本文提出一种以“ 三维互动” 为核心的教学方法改革方案。通过构建“ 理论 - 虚拟 - 实物” 三维互动实验体系、采用项目驱动式与跨学科融合的教学方式、创新多元化评价体系，实现知识传递、技能训练与创新思维的协同发展。实践表明，该模式能有效提升学生的工程实践能力与系统级设计思维，为新工科背景下的实验教学改革提供新思路。

关键词：软件无线电；实验教学；三维互动；项目驱动；虚实融合；跨学科融合

引言

软件无线电作为通信领域的前沿技术，其课程实验具有强实践性、跨学科性和创新性特点。然而，传统实验教学普遍存在“理论验证为主、系统设计缺失”、“硬件依赖性强、灵活拓展不足”、“考核方式单一、创新激励不够”等问题，导致学生难以形成完整的系统认知和工程实践能力。新工科建设对人才培养提出“复杂工程问题解决能力”、“跨学科技术融合能力”的新要求，迫切需要实验教学模式的创新突破。

本文提出“三维互动”教学方法，通过虚拟仿真、模块化硬件与项目实践的深度融合，构建“理论认知 - 虚拟验证 - 实物实现”的闭环实验体系，同时引入跨学科项目与多元化评价机制，激发学生的创新潜能。

一：传统实验教学模式的局限性分析

传统实验通常分为三个独立环节：理论课验证实验、计算机仿真实验和硬件操作实验。三者缺乏有机衔接，导致学生难以建立“理论→算法→系统”的完整认知链。例如，在调制解调实验中，学生可能分别完成MATLAB 仿真、FPGA 代码烧录和示波器观测，但无法理解参数调整如何影响实际系统性能。并且传统实验内容多以“菜单式”步骤为主，学生按指导书操作，缺乏自主设计空间。同时，实验项目通常局限于通信专业范畴，未与信号处理、计算机科学、电子设计等领域深度融合，难以培养学生解决复杂工程问题的能力。

二、“三维互动”教学方法的创新设计

2.1 构建“理论- 虚拟- 实物”三维互动实验体系

2.1.1 理论方面：以软件无线电核心理论（如采样定理、多速率信号处理）为切入点，通过动画演示、数学推导与案例分析，帮助学生建立抽象概念的空间想象。然后通过 GNU Radio 和 MATLAB/Simulink 搭建虚拟实验平台，支持算法级快速验证。学生可通过拖拽式模块设计通信系统（如 QPSK 调制解调），实时观察信号时域波形、频谱分布和误码率变化，快速迭代设计参数。

2.1.2 实际操作方面：采用模块化硬件平台（如 USRP、AD9361 射频卡），结合FPGA/ARM 开发板，实现从基带到射频的完整系统。

2.2 跨学科协作机制：组建“通信 + 计算机 + 电子”跨专业小组，通过角色分工（如算法设计、硬件开发、系统测试）促进知识互补。

三、多元化评价体系的构建

记录学生在虚拟仿真中的参数调整记录、实物调试中的问题解决日志，评估其设计思维与工程素养。

设立“创新点加分”机制，对提出新算法、优化系统性能或拓展应用场景的团队给予额外奖励。

引入企业工程师参与评审，重点考察系统的实用性、成本效益和可扩展性，强化工程导向。

四、三维互动教学方法的实施路径

4.1 虚实空间互动：构建“数字孪生 - 物理实现”闭环

4.1.1 虚拟仿真层设计

开发 SDR 全流程数字孪生平台，集成射频建模、信道模拟、算法验证等功能。学生可在虚拟环境中调整 OFDM 参数，实时观察频谱效率与误码率的变化曲线，快速筛选最优方案。

4.1.2 硬件实践层创新

设计模块化 SDR 实验箱，包含可重构射频前端、FPGA 加速卡、嵌入式处理器等组件。通过热插拔接口支持动态功能替换，如将接收机模块替换为MIMO 天线阵列，实现系统级扩展。

4.2 师生角色互动：打造“导学- 研学- 创学”共同体

4.2.1 问题导向的导学机制

教师发布“模糊化”实验任务，如“设计一款适用于应急场景的低功耗 SDR 终端”，仅提供性能指标约束，不限定技术路线。学生通过文献调研、小组讨论形成解决方案。

4.2.2 多维互评的创学激励

建立“教师评价 + 企业评审 + 跨团队互评”机制。通过角色轮换与多维评价，破解“学生只会执行教师指令”的被动学习困境，培养工程领导力与系统思维。

4.3 学科知识互动：驱动“通信 + 电子+AI”交叉融合

4.3.1 跨学科项目设计

开发融合多学科知识的实验案例，如：智能频谱感知：结合通信理论（频谱分析）、电子电路（传感器设计）、机器学习（分类算法）

4.3.2 知识图谱可视化工具

开发SDR 知识图谱系统，动态关联实验任务与所需知识点。例如，当学生选择“MIMO-OFDM 系统设计”项目时，系统自动推荐矩阵运算、信道建模、多线程编程等关联课程资源。

4.3.3 学科交叉工作坊

定期举办“通信 + AI”“电子 + 软件”主题工作坊，邀请不同专业教师联合指导。例如，在“SDR 与边缘计算融合”工作坊中，通信专业教师讲解物理层协议，计算机专业教师指导边缘设备部署。

五、教学改革实践与效果分析

5.1 实施案例：基于“三维互动”的 OFDM 实验

通过频谱折叠动画讲解子载波正交性，结合 5G 标准案例分析OFDM 的抗多径优势，在 GNU Radio 中搭建 OFDM 收发机，调整子载波数量（64/128/256）观察频谱利用率与峰均比变化。用卷积神经网络（CNN）替代传统信道估计，误码率降低 30% .

5.2 效果对比

实践表明，改革后学生能更主动地探索系统边界，例如有团队通过优化射频前端匹配网络，将接收灵敏度提升，体现了工程思维的显著提升。

六、结论与展望

本文提出的“三维互动”教学方法，通过虚拟仿真降低实验门槛，以模块化硬件支持灵活拓展，用跨学科项目驱动创新实践，构建了“认知 - 验证 - 创新”的递进式能力培养路径。未来可进一步探索 AI 辅助实验指导、远程云实验平台等方向，推动软件无线电实验教学的智能化与开放化发展。

参考文献

[1] . 向新 软件无线电原理与应用 [M]. 西安电子科技大学出版社 .2020.

[2] . 林冲等 . 基于深度学习和 GNU R adio 的调制信号分析实战 .[J].电子工业出版社出版.2023

[3] MIT R E C orporation. SDR for Education： A C ross- Disciplinary Approach[R ]. 2019.