虛擬實(shí)驗(yàn)室在電子信息類課程教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要：文章以通信原理課程為例，從虛擬實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)涵與應(yīng)用現(xiàn)狀出發(fā)，系統(tǒng)地闡述了通信原理課程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的創(chuàng)建路徑。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)室；通信原理；電子信息

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-4107（2014）10-0027-02

在眾多理工科高等院校中，電子信息類學(xué)科專業(yè)人才培養(yǎng)要求學(xué)生具有電子信息領(lǐng)域較寬的專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)，并具有較強(qiáng)的實(shí)踐技能和一定的工程意識(shí)及創(chuàng)新意識(shí)，具備分析問題、解決問題的能力以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力。在課程設(shè)置方面，除了必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程之外，還有高頻電子線路、通信原理、數(shù)字信號(hào)處理、電磁場(chǎng)與電磁波、信息理論與編碼等專業(yè)課程，相應(yīng)的課程內(nèi)容比較抽象，學(xué)生難以理解和掌握。

以通信原理課程為例，該門課程是高校電子信息類學(xué)科專業(yè)的必修主干課程。理論教學(xué)著眼于通信系統(tǒng)基本概念的講解，其教材內(nèi)容理論分析嚴(yán)謹(jǐn)，涉及概率統(tǒng)計(jì)和信號(hào)變換的相關(guān)知識(shí)，邏輯性較強(qiáng)，學(xué)生比較難以理解[1-2]，因此，必須輔之以實(shí)踐環(huán)節(jié)來加深對(duì)通信理論的理解。傳統(tǒng)的做法是借助于實(shí)驗(yàn)箱、示波器、信號(hào)測(cè)試儀等硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備來完成，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大多是由固化在實(shí)驗(yàn)箱里的程序來完成的，而且項(xiàng)目有限，若要增加新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，則需重新購買實(shí)驗(yàn)?zāi)K。學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)的過程中，按部就班地按實(shí)驗(yàn)步驟操作，觀察固定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這樣一成不變的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑雎粤藢?duì)學(xué)生創(chuàng)造力的培養(yǎng)。針對(duì)上述教學(xué)過程存在的問題，提出了建立“虛擬通信實(shí)驗(yàn)室”的構(gòu)想，既可以讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)來仿真，也可將系統(tǒng)仿真模型應(yīng)用到課堂教學(xué)中，直觀地在課堂上演示仿真的過程，提高教學(xué)效果。

一、虛擬實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)涵與應(yīng)用現(xiàn)狀

虛擬實(shí)驗(yàn)室是指由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)等綜合生成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可通過軟件編程來模擬實(shí)際儀器，在計(jì)算機(jī)上虛擬出各種功能的實(shí)驗(yàn)儀器（例如：函數(shù)發(fā)生器、示波器、萬用表等），用戶也可以根據(jù)需要自己設(shè)計(jì)和定義各種儀器[3]。實(shí)驗(yàn)人員可以像在實(shí)際環(huán)境中一樣完成各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所獲得實(shí)驗(yàn)效果甚至比在真實(shí)環(huán)境中所取得的還要好。

在國(guó)外，虛擬實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用已十分普及。作為最早提出虛擬實(shí)驗(yàn)室概念的美國(guó)，從一開始就十分重視虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究與開發(fā)，在很多大學(xué)里的普及應(yīng)用也非常廣泛。其中，麻省理工學(xué)院于1998年開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室并投入使用，它提供了微電子學(xué)、電路設(shè)計(jì)兩門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生可以在個(gè)人電腦上設(shè)計(jì)各種電路模型，然后通過測(cè)試設(shè)備來獲取測(cè)試數(shù)據(jù)，驗(yàn)證自己的設(shè)計(jì)。美國(guó)的另一所大學(xué)俄勒岡大學(xué)物理系開發(fā)了物理實(shí)驗(yàn)網(wǎng)站，在網(wǎng)站上創(chuàng)建了力學(xué)、熱學(xué)、天體物理及能量與環(huán)境等幾十種虛擬實(shí)驗(yàn)。

近年來，國(guó)內(nèi)有很多高校都根據(jù)各自的科研和教學(xué)現(xiàn)狀創(chuàng)建了一些虛擬實(shí)驗(yàn)室。中國(guó)科技大學(xué)研究并開發(fā)了幾何光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、物理仿真實(shí)驗(yàn)軟件及大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)；浙江大學(xué)以VRML為基礎(chǔ)開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，創(chuàng)建了基于Web的虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的人機(jī)交互；同濟(jì)大學(xué)則建成了虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室，可對(duì)建筑景觀和結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)虛擬仿真。

二、通信原理課程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的創(chuàng)建

LabVIEW是一種圖形化的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，使用圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。它將軟件和各種不同的測(cè)量?jī)x器硬件和計(jì)算機(jī)集成在一起，建立虛擬儀器系統(tǒng)[4]。在通信原理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的創(chuàng)建過程中，需要利用高效靈活的虛擬儀器仿真軟件LabVIEW來完成各種測(cè)試。

（一）優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，為理論教學(xué)創(chuàng)建輔助平臺(tái)

在教學(xué)輔助系統(tǒng)使用的過程中，以學(xué)生為主體，教師起指導(dǎo)作用。教師負(fù)責(zé)創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)的資源和協(xié)作學(xué)習(xí)的環(huán)境。課題組選取合適的教學(xué)演示模塊是教學(xué)成功的關(guān)鍵，必須是學(xué)生感興趣的且能夠讓學(xué)生直觀、易懂的。教學(xué)演示模塊既要和教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合，又要能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，且由易到難地逐步漸進(jìn)，同時(shí)又要有一定的設(shè)計(jì)空間，讓學(xué)生能運(yùn)用學(xué)過的虛擬儀器知識(shí)在已有教學(xué)演示模塊的基礎(chǔ)上創(chuàng)造發(fā)揮，擴(kuò)展其功能。

（二）改革教學(xué)方法，分階段實(shí)施輔助平臺(tái)教學(xué)

將虛擬平臺(tái)輔助教學(xué)法融入通信原理課程的教學(xué)過程，具體實(shí)施步驟如下。

第一階段，系統(tǒng)建模。結(jié)合通信原理的基礎(chǔ)理論知識(shí)，對(duì)課堂講授的內(nèi)容進(jìn)行總體規(guī)劃，在虛擬儀器工作平臺(tái)上緊密聯(lián)系教學(xué)內(nèi)容，并采用層次化的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行總體架構(gòu)的建模。通信原理的課程教學(xué)主要圍繞模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)兩大類展開討論，而兩類系統(tǒng)中各自也涉及了多個(gè)章節(jié)的理論內(nèi)容。以數(shù)字通信系統(tǒng)為例，總體上包括了信源的模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字調(diào)制與解調(diào)、同步技術(shù)、糾錯(cuò)編碼及信道噪聲等多個(gè)模塊，而每個(gè)模塊又涉及不同的理論章節(jié)，可進(jìn)一步細(xì)化為不同形式的子模塊。例如：數(shù)字調(diào)制模塊可以分為振幅鍵控（ASK）、頻率鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）等調(diào)制方式，每種調(diào)制方式分別對(duì)應(yīng)一個(gè)子模塊。

第二階段，系統(tǒng)設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，利用虛擬儀器技術(shù)，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，按層次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的模型和用戶界面。在設(shè)計(jì)過程中，將信號(hào)源控件、信號(hào)處理控件和信號(hào)顯示控件等與用戶交互的空間嵌入到系統(tǒng)的總體框圖中，緊密聯(lián)系課程教學(xué)內(nèi)容，編寫程序框圖，完成相應(yīng)前面板界面的設(shè)計(jì)，使得類似的信號(hào)波形可以在同一個(gè)顯示控件中顯示[5]。

例如：在數(shù)字通信系統(tǒng)中，采用QDPSK的方式對(duì)信道編碼產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行載波調(diào)制，在設(shè)計(jì)相應(yīng)的調(diào)制模塊的過程中，采用虛擬儀器平臺(tái)軟件Labview來構(gòu)建QDPSK調(diào)制軟件包。針對(duì)QDPSK調(diào)制過程中的各個(gè)模塊建立了有四進(jìn)制基帶信號(hào)生成子模塊、抽樣判決子模塊、門電路子模塊、信道子模塊、2PSK調(diào)制子模塊、2DPSK調(diào)制子模塊等相應(yīng)的子VI，最后進(jìn)行QDPSK調(diào)制系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)，通過仿真結(jié)果來驗(yàn)證系統(tǒng)的合理性及功能[6]。

第三階段，系統(tǒng)應(yīng)用。在虛擬儀器的工作平臺(tái)上，通過前面板的設(shè)計(jì)和程序框圖的編寫，建立通信原理教學(xué)輔助系統(tǒng)，將其應(yīng)用于課堂教學(xué)，使學(xué)生能夠了解各類通信系統(tǒng)的工作過程，直觀地看到通信信號(hào)的時(shí)域波形和頻域功率譜等，從而加深了學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)和興趣。教師在教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和操作，讓學(xué)生通過自己動(dòng)手操作的過程體會(huì)到一個(gè)通信系統(tǒng)模型的建立從開始設(shè)計(jì)到最后實(shí)現(xiàn)過程中所遇到的各種問題，加深學(xué)生對(duì)書本理論知識(shí)的認(rèn)知并提高學(xué)生處理問題的能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，促使學(xué)生按計(jì)劃完成學(xué)習(xí)任務(wù)，從而達(dá)到既定的教學(xué)目標(biāo)。endprint

（三）加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)的靈活性

通信原理課程的教材內(nèi)容理論性偏強(qiáng)，學(xué)生比較難于理解，通過更新完善實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)的靈活性，讓學(xué)生帶著問題學(xué)，加深學(xué)生對(duì)書本知識(shí)的理解。

該門課程的實(shí)驗(yàn)主要包括基礎(chǔ)驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)等?；A(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)部分包括模擬和數(shù)字調(diào)制兩大類。其中，模擬調(diào)制部分主要有幅度調(diào)制（AM調(diào)幅調(diào)制與解調(diào)、DSB調(diào)制與解調(diào)、SSB調(diào)制與解調(diào)）和頻率調(diào)制（FM調(diào)制與解調(diào)）兩種方式；數(shù)字調(diào)制部分主要有振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）三種方式。

在不改變課程實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的基礎(chǔ)上，課程組教師對(duì)通信原理課程的實(shí)驗(yàn)大綱進(jìn)行了調(diào)整，減少了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的學(xué)時(shí)，增加了相應(yīng)的綜合性實(shí)驗(yàn)的學(xué)時(shí)。對(duì)修訂后的實(shí)驗(yàn)大綱的實(shí)施具體方案有如下幾點(diǎn)。

第一，對(duì)于基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，可安排在相應(yīng)的理論課教學(xué)結(jié)束后進(jìn)行，讓學(xué)生“趁熱打鐵”，加深對(duì)理論知識(shí)的印象。鼓勵(lì)學(xué)生利用課余時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)，設(shè)計(jì)前面板、編寫程序框圖并進(jìn)行仿真，而在實(shí)驗(yàn)課上進(jìn)行相關(guān)的硬件實(shí)驗(yàn)和軟件仿真調(diào)試。

第二，將部分基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，通過綜合性實(shí)驗(yàn)的開展來鞏固加深對(duì)基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解，這樣不僅可減少基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)單獨(dú)開設(shè)的學(xué)時(shí)，還可以讓學(xué)生將多個(gè)基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)綜合應(yīng)用，從而提高學(xué)生從總體上把握通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作的能力。

第三，增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)的靈活性。除了用實(shí)驗(yàn)箱做硬件實(shí)驗(yàn)、用LabVIEW等軟件平臺(tái)做虛擬實(shí)驗(yàn)之外，還可以安排學(xué)生到電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）實(shí)驗(yàn)室做設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。通過融合實(shí)驗(yàn)箱硬件平臺(tái)、EDA軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)和計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)，充分發(fā)揮各類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，提高實(shí)驗(yàn)效果[7]。

以通信原理課程為例，在電子信息類專業(yè)課程的教學(xué)過程中引入“虛擬實(shí)驗(yàn)室”作為輔助手段，是在新形勢(shì)下對(duì)該門課程的教學(xué)改革實(shí)踐的嘗試，既可以將設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)仿真模型應(yīng)用到課堂教學(xué)中，直觀地在課堂上演示仿真過程，也可以讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)來進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)的靈活性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自覺性和主動(dòng)性，收到較好的教學(xué)效果。

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