通信工程專業(yè)開放式虛擬實驗平臺構(gòu)建

郭曉菲　王雷全

摘要：指出目前高校通信工程專業(yè)實驗教學(xué)現(xiàn)狀中的問題，闡述將開放式虛擬實驗平臺引入實驗教學(xué)的意義，對虛擬實驗平臺的功能特點進行研究與分析，提出基于虛擬實驗室的實驗體系結(jié)構(gòu)，說明結(jié)合通信實驗教學(xué)的實踐，將虛擬實驗平臺應(yīng)用于課內(nèi)實驗教學(xué)和課外創(chuàng)新的良好效果。

關(guān)鍵詞：開放式；虛擬實驗平臺；實驗體系結(jié)構(gòu)

0、引言

近幾年，隨著高校招生規(guī)模的不斷擴大，高校擴招給實驗教學(xué)帶來了巨大壓力，導(dǎo)致高校教學(xué)資源不足。通信技術(shù)的發(fā)展和通信系統(tǒng)的復(fù)雜性不斷增加，已使傳統(tǒng)實驗教學(xué)方法不能滿足新形勢下的教學(xué)要求，面臨如下問題。

1）實驗室難以實現(xiàn)真正的開放。

由于通信專業(yè)傳統(tǒng)的實驗教學(xué)主要依賴費用較高的硬件實驗設(shè)備，實驗教學(xué)受時間、地點、人力、物力等條件的限制，學(xué)校的實驗教學(xué)資源難以做到充分有效地利用，使得“開放實驗室”無法實現(xiàn)真正的開放。

2）教學(xué)目標難以落實。

在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)生主要根據(jù)實驗指導(dǎo)書進行驗證性實驗，學(xué)生在實驗課之前無法對理論及實驗設(shè)備進行較好地預(yù)習(xí)，教學(xué)目標難以達到，設(shè)計性和創(chuàng)新性實驗更是難以開展。

3）常用的仿真軟件缺乏真實性。

雖然Matlab和SystemView是很優(yōu)秀的仿真建模軟件，多年來在中國石油大學(xué)通信專業(yè)的實驗教學(xué)中，發(fā)揮了很大作用，但是由于Matlab和SystemView也有局限性，一般它不能脫離Matlab和SystemView集成環(huán)境工作，而且編寫圖形用戶界面的功能比較弱，學(xué)生使用這種仿真軟件對通信系統(tǒng)進行模擬時，和實際的系統(tǒng)相比還是有區(qū)別的。

針對通信專業(yè)實驗教學(xué)現(xiàn)狀，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)主動性和創(chuàng)造性等問題，提出將e-Labsim開放式虛擬實驗平臺引入到通信仿真實驗教學(xué)中，構(gòu)建了通信專業(yè)的開放虛擬實驗平臺，并嘗試在實驗教學(xué)中將Matlab和e-Labsim平臺進行適度的銜接，突破現(xiàn)有的教學(xué)模式，探索出一條創(chuàng)新人才培養(yǎng)多元化、多樣化和多變化的實驗教學(xué)改革模式。

1、開放式虛擬實驗平臺的特點

實驗教學(xué)是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要途徑，中國石油大學(xué)（華東）“十二五”規(guī)劃明確指出：“完善實踐教學(xué)體系，統(tǒng)籌校內(nèi)外實踐教學(xué)資源，推動實驗教學(xué)資源共享平臺建設(shè)和實驗室開放?！睘檫M一步深化實驗教學(xué)改革，提升學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力，根據(jù)通信專業(yè)人才培養(yǎng)模式的核心，構(gòu)建了通信專業(yè)開放式虛擬實驗教學(xué)平臺，其目的是為了在實驗教學(xué)中加強對學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐能力的培養(yǎng)。

e-Labsim虛擬實驗平臺可提供多門課程的實驗仿真，包括通信原理、移動通信、光纖通信等，它主要采用大型仿真軟件所獨有的算法及時序仿真相結(jié)合的技術(shù)，并應(yīng)用當(dāng)今較流行的CSDA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及軟件框架，通過部署在用戶的服務(wù)器上，可以很好地實現(xiàn)實驗資源的開放，給學(xué)生搭建起一個隨時隨地學(xué)習(xí)和創(chuàng)新設(shè)計的環(huán)境。e-Labsim可模擬真實實驗環(huán)境，提供可操作的虛擬實驗儀器，由于e-Labsim獨有的“仿真核”技術(shù)，能完整模擬硬件外觀及行為，讓學(xué)生從仿真環(huán)境到實際的硬件環(huán)境能實現(xiàn)“無縫”切換，這應(yīng)該是e-Labsim完全不同于其它虛擬實驗環(huán)境的獨到之處。e-Labsim虛擬實驗平臺的功能布局圖，如圖1所示。

由于通信專業(yè)課較多，實驗課時不同，對應(yīng)實驗內(nèi)容的深度和難度也不同。所以在構(gòu)建虛擬實驗室的過程中，要考慮適合于本校通信實驗課程的設(shè)置特點，側(cè)重通信系統(tǒng)整體實現(xiàn)和局部原理的設(shè)計號陛能提高，兼顧不同基礎(chǔ)層次學(xué)生的需求，在實驗平臺上提供多樣性、多變性的實驗項目。這就決定了虛擬實驗室應(yīng)該具備實驗對象多元化，實驗項目可以重組，平臺結(jié)構(gòu)應(yīng)該開放的特點。

2、基于開放式虛擬實驗平臺的實驗體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)建

經(jīng)過不斷地實驗教學(xué)改革探索與實踐，結(jié)合多年實驗教學(xué)經(jīng)驗和虛擬實驗室的功能特點，提出了由基礎(chǔ)型、綜合型、設(shè)計型、創(chuàng)新型4個實驗層次構(gòu)成的實驗體系結(jié)構(gòu)，由淺入深、由易到難，以學(xué)生為本、注重創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)。

（1）基礎(chǔ)型。著重于基礎(chǔ)理論和基本技能的訓(xùn)練，是創(chuàng)新能力和實踐能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)。該類實驗內(nèi)容是基本的驗證性實驗，學(xué)生根據(jù)實驗指導(dǎo)書給出的組件連接圖和參數(shù)設(shè)置，自己動手配置、連接、調(diào)試實驗設(shè)備，搭建出基本的通信模型，進一步理解基本概念和理論。比如移動通信中的“MSK調(diào)制及相干解調(diào)”實驗，目的是了解MSK調(diào)制解調(diào)原理及特性，觀察I、Q兩路基帶信號的特征及與輸入NRZ碼的關(guān)系，還有I、Q兩路信號調(diào)制解調(diào)過程中各信號的變化。該環(huán)節(jié)重在基礎(chǔ)，面向綜合，在掌握實驗的基本方法、基本知識以及基本操作的基礎(chǔ)上逐步培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，為開放性實驗教學(xué)打下扎實的基礎(chǔ)。

（2）綜合型。該類實驗內(nèi)容由若干基礎(chǔ)實驗組合而成，目的是讓學(xué)生了解和掌握不同通信系統(tǒng)模型之間的聯(lián)系，幫助學(xué)生樹立通信系統(tǒng)的概念。比如“GSM通信系統(tǒng)”實驗，就是將正交調(diào)制及解調(diào)的實驗?zāi)K串起來，讓學(xué)生建立起GSM通信系統(tǒng)的概念，了解GSM通信系統(tǒng)的組成及特性，最終完成在虛擬實驗平臺上的系統(tǒng)搭建與仿真，觀察GSM通信系統(tǒng)各部分信號的變化。

（3）設(shè)計型。前兩類實驗在實驗指導(dǎo)書中都給出組件連接圖和參數(shù)設(shè)置，而設(shè)計型實驗只給出原理框圖，學(xué)生需要運用已學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)理論知識，自己設(shè)計組件連接圖，這部分實驗主要用于對學(xué)生獨立思考、分析問題、解決問題能力的進一步訓(xùn)練。該類實驗?zāi)Ｊ绞墙o學(xué)生提出一個問題，不限定解決問題的方法，由學(xué)生通過運用所學(xué)專業(yè)基本概念和基本理論進行思考、分析，提出設(shè)計方案并加以實現(xiàn)，進一步熟悉e-Labsim虛擬實驗環(huán)境下的復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計。比如“PSK信號載波恢復(fù)”實驗，學(xué)生首先要自己查資料了解一下載波提取的方法有哪些，然后自己選擇設(shè)計方案，設(shè)計組件連接圖，并設(shè)計一個相關(guān)解調(diào)系統(tǒng)作為測試用例，來驗證所設(shè)計的載波提取方法的可用性和正確性。endprint

（4）創(chuàng)新型。由于e-Labsim虛擬實驗平臺內(nèi)置完整的二次開發(fā)及創(chuàng)新設(shè)計模塊，學(xué)生可以方便地進行創(chuàng)新設(shè)計，學(xué)生設(shè)計的功能完全可以替代系統(tǒng)原有的模塊，為提高學(xué)生創(chuàng)新實踐的興趣，還可將學(xué)生設(shè)計的功能模塊融入到e-Labsim平臺的系統(tǒng)實驗中進行驗證。由于該類實驗項目是針對學(xué)有余力的優(yōu)秀學(xué)生，幫助其提高創(chuàng)新能力的進一步的訓(xùn)練，所以應(yīng)鼓勵他們自主創(chuàng)新，提出若干具有挑戰(zhàn)性的問題，參加一些國內(nèi)外創(chuàng)新競賽，申請并完成創(chuàng)新基金項目等，比如大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃和國家大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目。

3、開放式虛擬實驗平臺的組織與實施

針對將e-Labsim虛擬實驗平臺引入到通信實驗教學(xué)中可能遇到的問題，以及在實驗教學(xué)中，如何將課內(nèi)實驗和課外創(chuàng)新活動結(jié)合，以達到最佳效果，根據(jù)多年的實驗教學(xué)經(jīng)驗，結(jié)合虛擬仿真實驗平臺的特點，給出了以下一套實驗教學(xué)改革和創(chuàng)新的具體實施方案。

1）改革實驗內(nèi)容和方式，提高學(xué)生興趣。

通過改革實驗內(nèi)容和方式，在實驗教學(xué)中加強學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐能力的培養(yǎng)。在現(xiàn)有通信硬件實驗的基礎(chǔ)上，輔以虛擬仿真實驗平臺。其主旨在于指導(dǎo)學(xué)生做硬件實驗之前，通過虛擬實驗平臺，采用組件完成實驗系統(tǒng)的建模和仿真，驗證實驗結(jié)果，對下一步的硬件實驗起到理論指導(dǎo)作用，避免實驗的盲目性。鼓勵學(xué)生參與虛擬實驗室的開發(fā)研究工作，在教師的帶領(lǐng)下開展自主學(xué)習(xí)活動，深入分析通信系統(tǒng)，不斷開發(fā)所需新組件，設(shè)計相應(yīng)實驗項目，豐富實驗配套教材，鼓勵學(xué)生在通信領(lǐng)域進行研究探索，并以此為契機，組織學(xué)生參加大學(xué)生創(chuàng)新基金項目和各種競賽等活動，為培養(yǎng)出一批有研究精神，創(chuàng)新能力和視野開闊的通信人才提供平臺。

2）采用多樣化的教學(xué)手段，進行輔助教學(xué)。

通過多媒體配合虛擬仿真平臺，借助生動的圖像、形象的動畫進行直觀生動地講解，在課堂及時演示課程中的實驗，能真正做到理論和實踐有效結(jié)合，讓學(xué)生及時明確地了解課程中的底層原理，做到理論實踐一體化教學(xué)。借助網(wǎng)絡(luò)資源，通過虛擬實驗平臺開展“網(wǎng)上實驗演示”，將傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式與基于網(wǎng)絡(luò)的開放式實驗教學(xué)模式相結(jié)合，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，使“學(xué)生主動學(xué)”成為實驗教學(xué)過程中的主要特征。

3）采取開放式互動式教學(xué)，提高學(xué)生實踐能力。

通過虛擬實驗仿真平臺，學(xué)生隨時隨地可登錄網(wǎng)絡(luò)實驗課堂，搭建自己的實驗，讓每個學(xué)生都擁有自己獨立的實驗室，從而達到實驗室開放的目的。這樣學(xué)生做實驗將不再受時間、地點等條件的制約，可根據(jù)自身的實際情況，選擇進入虛擬實驗場景或者觀看實驗演示。遇到疑難問題可參考虛擬平臺的提示功能，解決不了的問題可通過通訊模塊求助于教師或同學(xué)，教師的主要工作就是對學(xué)生進行管理和引導(dǎo)。實驗課后，學(xué)生可通過個人電腦自由進入虛擬實驗平臺論壇區(qū)交流實驗心得體會。教師對難點進行解答，同時鼓勵學(xué)生自行設(shè)計綜合型的實驗項目到仿真平臺上驗證并及時給予必要的指導(dǎo)。學(xué)生利用虛擬實驗仿真平臺進行學(xué)習(xí)，可及時預(yù)習(xí)和鞏固知識，提升實驗的效率，通過創(chuàng)新實驗?zāi)K的開發(fā)功能，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和做實驗的興趣，并能規(guī)避硬件實驗中的低級錯誤，從而降低硬件損耗。

4）完善實驗考核方式，客觀評價實驗效果

實驗平臺配備了完整的教學(xué)管理系統(tǒng)，通過仿真系統(tǒng)的教師管理端，可以實時掌握學(xué)生實驗的結(jié)果和學(xué)科實驗的進度。實驗前，學(xué)生通過仿真平臺對實驗進行預(yù)習(xí)，并提交預(yù)習(xí)報告；實驗結(jié)束后，學(xué)生通過平臺提交實驗數(shù)據(jù)和實驗報告。教師對學(xué)生提交的實驗數(shù)據(jù)進行分析并對實驗報告進行總結(jié)、批閱并評分，客觀評價實驗效果。

4、結(jié)語

結(jié)合通信工程專業(yè)實驗教學(xué)現(xiàn)狀，將虛擬實驗平臺引入實驗教學(xué)中，不僅激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課程的興趣，還提高了實驗教學(xué)質(zhì)量，使實驗的安排更加靈活方便且不受時間和空間限制，改革了傳統(tǒng)的實驗教學(xué)單一模式，通過實驗教學(xué)將創(chuàng)新能力和實踐能力培養(yǎng)貫穿于人才培養(yǎng)的全過程。通過多層次、全方位的實驗室開放的改革與實踐，不斷改進實驗教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力方面的缺陷和不足，完善了現(xiàn)有實驗教學(xué)體系，使學(xué)生積極參與科技創(chuàng)新活動，達到了提高、增強學(xué)生科研能力和創(chuàng)新意識的目的，在培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力方面取得了初步成效。endprint