基于課程與實(shí)踐一體化的電子通信虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

唐振華+常侃+張振榮

【摘要】文章針對(duì)電子通信類專業(yè)中實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題，研究和構(gòu)建基于課程與實(shí)踐一體化的電子通信虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，并在此基礎(chǔ)上研究并提出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的框架，以提升通信工程和電子信息工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)；課程與實(shí)踐一體化；電子通信

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是指綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)以及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，通過(guò)構(gòu)建逼真的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使學(xué)生在開(kāi)放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開(kāi)展高效、安全且經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)苓_(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果，尤其對(duì)于那些涉及高?；驑O端環(huán)境、不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的大型或綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，因而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)思想、體系、模式、內(nèi)容、方法以及手段等都產(chǎn)生了意義深遠(yuǎn)的顛覆性影響。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體現(xiàn)了信息技術(shù)與教育教學(xué)融合發(fā)展和與學(xué)科專業(yè)深度融合帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新。

教育部于2013 年8 月印發(fā)了《關(guān)于開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》，正式啟動(dòng)了國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作。為了促進(jìn)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，提高本科教學(xué)質(zhì)量，廣西大學(xué)計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院整合已有的計(jì)算機(jī)與軟件技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)工程等實(shí)驗(yàn)室，于2010年成立了計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。該中心于2015年被評(píng)獲評(píng)為“自治區(qū)級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”。中心主要為全校提供計(jì)算機(jī)、電子通信類課程的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)，面向計(jì)算機(jī)、電子信息工程、通信工程等信息技術(shù)類的本科專業(yè)學(xué)生。然而，目前中心主要側(cè)重于開(kāi)設(shè)本科專業(yè)的部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，而極少涉及課程教學(xué)方面的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，尤其是針對(duì)電子通信類的課程教學(xué)。本文正是針對(duì)上述問(wèn)題而展開(kāi)研究的，目標(biāo)是研究構(gòu)建課程與實(shí)踐教學(xué)一體化的電子通信虛擬仿真實(shí)驗(yàn)體系與平臺(tái)，使其體現(xiàn)電子與通信學(xué)科的實(shí)踐性與設(shè)計(jì)性，突出培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新能力。

一、電子通信虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

在電子通信類的專業(yè)課程教學(xué)中，不少專業(yè)課程的理論性較強(qiáng)，物理概念抽象，學(xué)生不容易掌握好。傳統(tǒng)的教學(xué)方式主要注重基礎(chǔ)概念、基本定律以及理論和公式的推導(dǎo)和演算，缺乏感性地理解理論的輔助手段。以《電磁場(chǎng)與電磁波》課程為例，在該課程的教學(xué)過(guò)程中主要進(jìn)行理論和公式的講解，缺少諸如電磁場(chǎng)的三維特性和電磁波的波動(dòng)特性等抽象內(nèi)容的生動(dòng)展示， 導(dǎo)致學(xué)生對(duì)晦澀的理論失去學(xué)習(xí)興趣，從而影響整門(mén)課程的學(xué)習(xí)。

本文研究的基于課程與實(shí)踐一體化的電子通信虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系包含理論教學(xué)、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)與科研創(chuàng)新四個(gè)層次。這四個(gè)層次分別對(duì)應(yīng)四種類型的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)：演示型實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)型實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。不同層次的實(shí)驗(yàn)之間相互補(bǔ)充和融合，形成了多層次虛實(shí)結(jié)合的電子通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，如圖1所示。在設(shè)計(jì)電子通信虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系時(shí)，本文遵循了虛擬實(shí)驗(yàn)不完全脫離傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，“能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合”的原則。在有條件的情況下，要盡量安排學(xué)生接觸實(shí)物進(jìn)行操作，這樣才能讓學(xué)生更好地掌握實(shí)際操作技能，處理各種實(shí)際問(wèn)題。

不同類型的實(shí)驗(yàn)作用不同。演示型實(shí)驗(yàn)主要是讓學(xué)生通過(guò)形象的方式了解技術(shù)的基本原理。例如在講授《電磁場(chǎng)與電磁波》課程中均勻平面波在媒質(zhì)中傳播的規(guī)律時(shí)，可借助Flash技術(shù)，以高逼真的三維立體模型，完整、真實(shí)地呈現(xiàn)電磁波傳播時(shí)的狀態(tài)；在講授《現(xiàn)代通信原理》課程時(shí)，可借助MATLAB或LabVIEW等軟件動(dòng)態(tài)地顯示發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)的波形變化情況。驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)則是讓學(xué)生對(duì)某個(gè)理論或技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果來(lái)驗(yàn)證理論或技術(shù)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中主要開(kāi)設(shè)該類實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)型實(shí)驗(yàn)則主要開(kāi)展根據(jù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行自由搭建和組合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，例如利用部分硬件和虛擬軟件共同搭建基于MIMO無(wú)線通信系統(tǒng)等。創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)則主要面向?qū)W科和行業(yè)發(fā)展前沿，讓部分學(xué)有余力的學(xué)生參與教師的科研項(xiàng)目和科研工作，并將科研項(xiàng)目研究成果轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。

二、電子通信虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

電子通信技術(shù)具有技術(shù)高度密集、對(duì)實(shí)踐性要求高和更新?lián)Q代快等特點(diǎn)。隨著包括新一代移動(dòng)通信、三網(wǎng)融合、超高速光纖寬帶、虛擬現(xiàn)實(shí)、物聯(lián)網(wǎng)、量子信息處理、大數(shù)據(jù)以及云計(jì)算等通信與信息技術(shù)的不斷發(fā)展，采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)模式開(kāi)展教學(xué)日益受到局限。此外，由于通信行業(yè)的保障性要求和信息安全要求高，設(shè)備貴，學(xué)生到企業(yè)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中參加實(shí)踐教學(xué)和工程訓(xùn)練困難。

以通信專業(yè)中移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)為例，如果學(xué)校自己搭建小型的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)需要的成本極高，在經(jīng)費(fèi)不充裕的情況下，很難開(kāi)展此類實(shí)驗(yàn)教學(xué)，嚴(yán)重影響學(xué)生專業(yè)實(shí)踐能力和實(shí)用技能的培養(yǎng)。然而，在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，上述問(wèn)題就能迎刃而解。作為新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)使學(xué)生不受地域和時(shí)間的限制，不受設(shè)備和平臺(tái)的限制，理解和掌握所學(xué)知識(shí)，并通過(guò)實(shí)踐進(jìn)行印證、應(yīng)用、設(shè)計(jì)和創(chuàng)新。因而，構(gòu)建課程與實(shí)踐教學(xué)一體化的電子通信虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果，能夠有效解決傳統(tǒng)基于實(shí)際通信信息網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，同時(shí)也是解決電子通信類專業(yè)學(xué)生開(kāi)展工程訓(xùn)練的重要途徑。

本文在研究廣西大學(xué)電子通信類專業(yè)在目前的教學(xué)與科研體系的基礎(chǔ)上，提出了基于課程與實(shí)踐一體化的虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的架構(gòu)，如圖2所示。該平臺(tái)包含電信基礎(chǔ)、信息處理和信息傳輸三大模塊，而各個(gè)模塊又包含具體的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。電信基礎(chǔ)模塊包括通信與系統(tǒng)及微波與天線兩個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要涉及有線和無(wú)線通信系統(tǒng)及微波傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)。信息處理模塊包含生物醫(yī)學(xué)信息處理和多媒體信息處理兩個(gè)平臺(tái)，將專業(yè)基礎(chǔ)和老師們研究方向的特色有機(jī)結(jié)合起來(lái)。信息傳輸包括無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信、光通信網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信四個(gè)平臺(tái)，主要體現(xiàn)專業(yè)知識(shí)與當(dāng)前主流通信應(yīng)用的融合。這些平臺(tái)的構(gòu)建同時(shí)體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)資源與信息技術(shù)深度融合、真實(shí)設(shè)備與虛擬環(huán)境有機(jī)結(jié)合。

三、結(jié)語(yǔ)

依托廣西大學(xué)電子信息工程和通信工程專業(yè)的特色優(yōu)勢(shì)，本文研究并構(gòu)建了涉及理論教學(xué)、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)與科研創(chuàng)新的課程與實(shí)踐教學(xué)一體化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。該體系能夠較好地體現(xiàn)電子與通信學(xué)科的實(shí)踐性與設(shè)計(jì)性，突出培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新能力。此外，在多層次的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中，圍繞具體的電子與通信相關(guān)的知識(shí)體系，研究并提出了課程與實(shí)踐教學(xué)一體化的電子通信虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)框架，該平臺(tái)能夠體現(xiàn)廣西大學(xué)電子通信學(xué)科在信息技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)，能體現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備與虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境有機(jī)結(jié)合。

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