通信工程專業(yè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)虛擬平臺(tái)建設(shè)與實(shí)踐

楊絮++王宇++李洋++陳宇

摘 要：隨著現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)課程體系的發(fā)展，實(shí)踐操作與虛擬仿真結(jié)合越來越緊密，已經(jīng)漸漸融合到一起，可以起到取長(zhǎng)補(bǔ)短的作用。虛擬實(shí)驗(yàn)是真實(shí)實(shí)驗(yàn)有益且必要的補(bǔ)充，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以對(duì)理論課上所學(xué)的抽象的知識(shí)有更加具體、直觀的認(rèn)識(shí)，加深理解。同時(shí)，學(xué)生可以通過虛擬環(huán)境，完成實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)、功能分析等工作。從而節(jié)省實(shí)際操作的時(shí)間，提高效率并降低錯(cuò)誤率。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 通信工程專業(yè) LabVIEW 虛擬儀器

中圖分類號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）08（c）-0138-02

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)功能的不斷更新及完善，計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)與儀器的結(jié)合更加緊密，基于此類技術(shù)產(chǎn)生的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)以其豐富的資源共享性、互動(dòng)操作性、安全性等特點(diǎn)，在智能化、信息化、性價(jià)比等方面都具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

在高校通信類課程中，由于很多概念過于抽象，學(xué)生只能通過實(shí)驗(yàn)來對(duì)課本上的理論知識(shí)有一個(gè)更為深刻的理解，為了提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新探索的能力和協(xié)作精神。在高等工科教學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)虛擬平臺(tái)，可以從根本上解決實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)短缺的問題和學(xué)生規(guī)模擴(kuò)大與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展滯后的嚴(yán)重比例失調(diào)問題。利用虛擬儀器技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，在實(shí)驗(yàn)、教學(xué)、科研等領(lǐng)域中具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景，同時(shí)還可以減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備的資金投入，有利于從整體上改善辦學(xué)條件和提高教學(xué)水平。

1 建設(shè)方案

1.1 以能力培養(yǎng)為主線的通信工程專業(yè)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案

通信工程專業(yè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)虛擬平臺(tái)建設(shè)緊緊圍繞通信專業(yè)知識(shí)鏈與學(xué)生能力提升兩條主線。圍繞通信知識(shí)鏈主線，實(shí)現(xiàn)“基本原理→開發(fā)技術(shù)→專業(yè)技術(shù)→系統(tǒng)應(yīng)用→全網(wǎng)通信”的無縫連接，以保證實(shí)踐能力培養(yǎng)的連貫性；從通信專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)性、綜合性、工程性和創(chuàng)新性等多個(gè)層面構(gòu)建平臺(tái)架構(gòu)，完整地體現(xiàn)通信信息處理流程與通信專業(yè)知識(shí)鏈的結(jié)合。

在能力培養(yǎng)方面，著重培養(yǎng)學(xué)生的理論結(jié)合實(shí)踐能力與工程認(rèn)知能力、理論知識(shí)運(yùn)用能力、創(chuàng)新能力與研發(fā)能力；同時(shí)，充分考慮到學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)和能力上的個(gè)體差異，按多個(gè)層次來設(shè)置虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K，使全部學(xué)生獲得應(yīng)有的基本技能，又保證優(yōu)秀的學(xué)生能脫穎而出。

1.2 基于多課程的通信專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

按照通信專業(yè)知識(shí)的深入，提出理論基礎(chǔ)和應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合的多課程虛擬實(shí)驗(yàn)融合平臺(tái)，即：通信理論子平臺(tái)、通信技術(shù)子平臺(tái)、通信系統(tǒng)子平臺(tái)、全程全網(wǎng)子平臺(tái)?！八拇蟆弊悠脚_(tái)既可獨(dú)立運(yùn)行，也可互聯(lián)互通，組成一個(gè)與現(xiàn)網(wǎng)同步的“終端與業(yè)務(wù)—接入網(wǎng)—核心網(wǎng)”電信級(jí)全程全網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通信工程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

每個(gè)模塊、子平臺(tái)、課程的虛擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)，均按照工程性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性3個(gè)模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)，分別培養(yǎng)學(xué)生的理論結(jié)合實(shí)踐能力與工程認(rèn)知能力、理論知識(shí)運(yùn)用能力、創(chuàng)新能力與研發(fā)能力。

通信工程專業(yè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)虛擬平臺(tái)組成框圖如圖2所示。其主要由硬件實(shí)驗(yàn)室、虛擬實(shí)驗(yàn)中心、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、校園網(wǎng)用戶和遠(yuǎn)程用戶組成，其中校園網(wǎng)用戶又包括學(xué)生宿舍、多媒體教室、機(jī)房及辦公室。

該平臺(tái)包含程控交換、光傳輸、NGN、WCDMA、數(shù)據(jù)通信、光接入、電信業(yè)務(wù)研發(fā)。這7個(gè)子系統(tǒng)不僅可以相互獨(dú)立地進(jìn)行某一環(huán)節(jié)的實(shí)訓(xùn)，還可按照從“終端—接入網(wǎng)—核心網(wǎng)”聯(lián)合組網(wǎng)進(jìn)行全程全網(wǎng)實(shí)訓(xùn)。為學(xué)生深入分析和了解數(shù)據(jù)、信令和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行提供了先進(jìn)實(shí)驗(yàn)手段與條件。與其他虛擬平臺(tái)不同的是，該平臺(tái)依托“長(zhǎng)春理工大學(xué)-華為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院”實(shí)驗(yàn)室的商用級(jí)通信設(shè)備，結(jié)合了現(xiàn)代在線調(diào)試技術(shù)，充分發(fā)揮了虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)專長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了專業(yè)硬件設(shè)備與虛擬儀器結(jié)合的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)。

1.3 全功能的課程演示實(shí)驗(yàn)實(shí)踐服務(wù)體系建設(shè)

以《通信原理》課程為例，在傳統(tǒng)書本及理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，增加交互性與實(shí)踐性，通過仿真軟件的交互性界面幫助學(xué)生更形象地理解概念；通過便攜或?qū)I(yè)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，引入真實(shí)的信號(hào)，借助實(shí)際的應(yīng)用來闡述理論。實(shí)現(xiàn)學(xué)生在工程思想和創(chuàng)新動(dòng)手實(shí)踐方面的提升，采取“課堂演示”“軟件實(shí)驗(yàn)”“硬件實(shí)驗(yàn)”“創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”等多方面的教學(xué)手段。

利用LabVIEW軟件編寫完全演示型課件，用于老師上課直接展示，特別適用于不方便現(xiàn)場(chǎng)演示或者存在理論極值無法實(shí)驗(yàn)得到結(jié)果的知識(shí)概念的演示。

利用軟件+教學(xué)板，這類教學(xué)板是專門為通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)定制板卡，通過提供便于動(dòng)手操作的硬件電路框圖，實(shí)現(xiàn)虛中帶實(shí)，實(shí)中有虛的教學(xué)效果。

利用仿真軟件+具體功能平臺(tái)，不僅可在統(tǒng)一的功能平臺(tái)上使用仿真軟件，制作出多種已有的通信協(xié)議系統(tǒng)的原型，還可用于更為復(fù)雜或者更為前沿的通信系統(tǒng)。既適用于教學(xué)演示，也適用于學(xué)生創(chuàng)新科研項(xiàng)目。例如，以聲卡、PC作為硬件平臺(tái)，采用虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)可以制作虛擬示波器、虛擬電壓表、虛擬功率測(cè)量?jī)x、虛擬多功能函數(shù)發(fā)生器、虛擬頻譜分析儀等虛擬儀器。學(xué)生可以自己構(gòu)建簡(jiǎn)易虛擬實(shí)驗(yàn)室，該項(xiàng)工作已經(jīng)指導(dǎo)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)取得一定成果。

2 實(shí)踐教學(xué)推廣應(yīng)用

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)虛擬平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容主要服務(wù)于本科的課程實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、參與科研等幾個(gè)方面。通過虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)課內(nèi)與課外、校內(nèi)與校外、現(xiàn)實(shí)與虛擬的融合，致力于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革。

依據(jù)演示型、基礎(chǔ)型、綜合型、設(shè)計(jì)型、創(chuàng)新型5個(gè)實(shí)驗(yàn)層次構(gòu)成的創(chuàng)新虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，使該校學(xué)生在理論、實(shí)驗(yàn)、動(dòng)手能力、創(chuàng)新意識(shí)方面不斷地提高。該校學(xué)生實(shí)踐效果得到了明顯提升，在各類學(xué)科競(jìng)賽中屢獲佳績(jī)，2015年獲全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽省二等獎(jiǎng)3項(xiàng)。

平臺(tái)的建設(shè)與推廣，為學(xué)生理解理論知識(shí)、成功完成實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)創(chuàng)建了便捷可靠的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，減輕了師生的教學(xué)負(fù)擔(dān)，提高了實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的成功率。另一方面，平臺(tái)充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，促成學(xué)生的自我學(xué)習(xí)與自我驅(qū)動(dòng)，為培養(yǎng)有研究精神，創(chuàng)新能力和視野開闊的通信人才提供了便利。

參考文獻(xiàn)

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