應(yīng)用型本科院校通信工程專業(yè)虛擬仿真實驗室的建設(shè)

陳 英，王路露，張竹嫻，周 遠，劉光燦

(長沙學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，湖南 長沙 410022)

近年來，信息通信技術(shù)進入快速發(fā)展階段，國家信息化建設(shè)、地方信息化建設(shè)都需要大批信息通信類人才[1,2].長沙學(xué)院通信工程和計算機技術(shù)等專業(yè)每學(xué)年進行信息通信技術(shù)實驗課的學(xué)生人數(shù)就達到近400人.傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方式已經(jīng)不能滿足新形勢下的教學(xué)要求.現(xiàn)有實驗教學(xué)中存在的主要問題包括：(1)高投入、高消耗實驗項目制約了實驗室建設(shè)與發(fā)展.各類通信設(shè)備更新?lián)Q代很快，設(shè)備投入高，學(xué)校實驗室建設(shè)無法緊跟信息通信技術(shù)發(fā)展的腳步.同時通信系統(tǒng)設(shè)備在學(xué)生頻繁操作下容易損壞，維修費時費力，維修成本居高不下，為系統(tǒng)后期維護和管理帶來很大的壓力，嚴重影響了實驗室的建設(shè)、運行與使用[3].(2)實驗設(shè)備數(shù)目制約學(xué)生完成實驗實訓(xùn)的效果.現(xiàn)有真實的實驗系統(tǒng)平臺受到設(shè)備數(shù)量的限制，在同一個時間段內(nèi)僅能滿足部分學(xué)生的使用需求，這嚴重制約了學(xué)生實驗實訓(xùn)的開展[4].(3)工程現(xiàn)場不可達，制約學(xué)生工程實踐能力的培養(yǎng).我校的人才培養(yǎng)目標是“培養(yǎng)應(yīng)用基礎(chǔ)實、實踐能力強，具有社會責(zé)任感，德智體美全面發(fā)展的高素質(zhì)應(yīng)用型人才”，對于通信工程專業(yè)學(xué)生，除要求掌握學(xué)科體系的基本原理之外，還要了解具體的工程實踐(如基站安裝、現(xiàn)場勘測等).這些實踐技能的培養(yǎng)要求學(xué)生在工程現(xiàn)場進行實地勘察，而現(xiàn)有的實驗室資源顯然無法滿足大量學(xué)生到達工程現(xiàn)場的需求.針對以上存在的問題，長沙學(xué)院成立了電子信息與電氣工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心，主要目的是為了解決真實實驗教學(xué)中存在的問題，對工程現(xiàn)場不可達、高投入、高消耗(包括能源和實驗原材料)、不便共享的實驗、實訓(xùn)項目進行虛擬仿真化, 充分發(fā)揮虛擬仿真實驗在工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)中的作用；同時將最新的信息技術(shù)充實實驗教學(xué)內(nèi)容，更新學(xué)生知識結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計及創(chuàng)新能力.

1 通信工程專業(yè)虛擬仿真實驗室建設(shè)原則

1.1 平臺建設(shè)的原則——科學(xué)性和可擴充性

虛擬實驗室建設(shè)是為了實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能.在建設(shè)過程中，我們切實遵循了“虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛”的原則.將實驗課程的開設(shè)、實驗項目的規(guī)劃與本專業(yè)點的發(fā)展緊密結(jié)合起來，既參考了其他院校虛擬實驗室的建設(shè)經(jīng)驗，也充分考慮了自身的實際情況，為建立科學(xué)的實驗教學(xué)體系提供了基礎(chǔ).由于通信技術(shù)發(fā)展迅速，在虛擬實驗室建設(shè)過程中，我們還充分考慮了開設(shè)的實驗項目能后續(xù)進行擴展、更新等，為實驗室規(guī)格提升和可持續(xù)發(fā)展提供了空間.

1.2 體系建設(shè)的原則——綜合性和工程性，

在虛擬實踐教學(xué)體系建設(shè)的過程中，我們始終堅持虛擬實驗項目的綜合性和工程性，基本形成了“專業(yè)基礎(chǔ)層-專業(yè)核心層-工程仿真實訓(xùn)層”的虛擬類實驗教學(xué)體系.實驗項目的建設(shè)統(tǒng)一布局、分層次，有重點，以滿足學(xué)生基礎(chǔ)理論的認知、專業(yè)核心課程的掌握和工程實踐能力的培養(yǎng)的要求.在基礎(chǔ)理論課程授課中，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)和仿真手段實現(xiàn)通信原理和技術(shù)的直觀呈現(xiàn)，提高授課的直觀性、新穎性和趣味性；在專業(yè)核心課程實驗中，充分利用各類先進的仿真工作和教學(xué)軟件，體現(xiàn)虛擬實驗的高精度、高效率特點.在工程實踐類課程實驗中，聯(lián)合通信知名企業(yè)開發(fā)了模擬現(xiàn)網(wǎng)運行的教學(xué)軟件，如數(shù)字程控交換、PTN分組傳輸網(wǎng)、CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA、FDD-LTE等，為鍛煉學(xué)生的工程實踐和應(yīng)用開發(fā)能力提供了良好平臺.虛擬實驗項目跨越了不同難度層次(從基本概念提高到工程實踐和應(yīng)用開發(fā))，覆蓋了不同知識內(nèi)涵(包括電、信息、儀器儀表等)，體現(xiàn)了多種教學(xué)實現(xiàn)方式(包括直觀認知、動手操作、應(yīng)用開發(fā)設(shè)計等).

2 虛擬仿真實驗教學(xué)資源及教學(xué)效果

在建設(shè)虛擬實驗教學(xué)資源時緊密結(jié)合信息通信類應(yīng)用型人才“原理級-系統(tǒng)級-應(yīng)用級”的知識體系、已經(jīng)基本形成了“專業(yè)基礎(chǔ)層-專業(yè)核心層-工程仿真實訓(xùn)層”的虛擬類實驗教學(xué)體系.

圖1 構(gòu)建的虛擬仿真實驗教學(xué)體系示意圖

(1)專業(yè)基礎(chǔ)層的實驗課程主要包含《模擬電子技術(shù)實驗》、《數(shù)字電子技術(shù)實驗》.在上述兩門課程的實驗中，我們主要采用虛實結(jié)合式的教學(xué)手段，虛擬仿真軟件包括Altium Designer、Multisim、Proteus等，所開設(shè)的實驗項目有場效應(yīng)管放大電路、LC選頻放大與LC正弦振蕩電路、積分與微分電路、低頻功率放大器-OTL功率放大器、兩極交流放大電路、互補對稱功率放大電路、集成運算放大器的基本應(yīng)用-有源濾波器、由D觸發(fā)器構(gòu)成的扭環(huán)計數(shù)器、異步計數(shù)器、中規(guī)模時序集成電路-移位寄存器的應(yīng)用、序列信號發(fā)生器的設(shè)計、脈沖分配器的設(shè)計等.學(xué)生通過仿真實驗學(xué)習(xí)后，再結(jié)合實物搭建實際的模擬電路系統(tǒng)，完成對仿真設(shè)計的實驗驗證.

教學(xué)效果：在計算機上用上述的虛擬教學(xué)軟件，可以方便地搭建各種電路以及對電路進行修改、測試等，這很好地解決了傳統(tǒng)實物實驗教學(xué)中存在的設(shè)備緊張、儀器陳舊、元器件損耗等問題，同時其直觀、可視化的特性也能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.實踐證明以Multlsim等為代表的EDA軟件，在電子技術(shù)實驗教學(xué)中發(fā)揮了重要的作用，這種新穎的實驗方式是電路實驗教學(xué)的一種很好的輔助手段，同時，它在改進實驗教學(xué)方法，提高實驗教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力等方面發(fā)揮了非常重要的作用[4].

(2)在專業(yè)核心層課程(如《通信原理》、《信號與系統(tǒng)》、《數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡(luò)》等)的實驗教學(xué)過程中，我們利用Multisim、Matlab、Labview等仿真教學(xué)軟件，構(gòu)建了100余種常見的電子元器件(電阻、電容、運算器、濾波器等)和30余種常見的通信器材(信號源、調(diào)制器、解調(diào)器、信號分析器、路由器等).虛擬仿真平臺模擬真實實驗中用到的器材和設(shè)備，提供與真實實驗相似的實驗環(huán)境[5,6].例如在通信原理的實驗課程中，我將虛擬仿真實驗做為硬件實驗的輔助教學(xué)手段，要求學(xué)生在課前進行自主學(xué)習(xí)，開設(shè)的實驗項目有AMI/HDB3編譯碼過程實驗、眼圖觀察測量實驗、2FSK調(diào)制與解調(diào)實驗、抽樣定理與PAM通信系統(tǒng)實驗、PCM脈沖編譯碼實驗、數(shù)字同步技術(shù)實驗等.

教學(xué)效果：學(xué)生通過仿真實驗學(xué)習(xí)后，能夠加深對通信中的基本原理的理解，特別是對掌握通信系統(tǒng)架構(gòu)有非常重要的幫助.學(xué)生可以方便的在校園內(nèi)進入虛擬實驗教學(xué)平臺，通過構(gòu)建虛擬的通信系統(tǒng)，提高了實驗效率，為開設(shè)提高學(xué)生實踐能力的綜合性、設(shè)計性實驗提供了盈余的時間，同時也進一步降低了設(shè)備損耗和實驗耗材成本.

(3)工程實訓(xùn)仿真層的課程包括《SDH原理與技術(shù)》、《現(xiàn)代交換原理》、《通信仿真實訓(xùn)》、《通信系統(tǒng)綜合實訓(xùn)》等.學(xué)生在通信原理、數(shù)據(jù)通信等基礎(chǔ)知識后，就可以依托工程實訓(xùn)仿真平臺進行更高層次的實驗、實訓(xùn).該平臺包含現(xiàn)網(wǎng)運行的數(shù)字程控交換、PTN分組傳輸網(wǎng)、CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA、FDD-LTE等虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)等[7].學(xué)生在平臺上進行虛擬仿真訓(xùn)練后，再到中心已經(jīng)建設(shè)好的現(xiàn)網(wǎng)運行4G移動通信實驗室、軟交換實驗分室上進行數(shù)據(jù)排隊上傳驗證.通過上述訓(xùn)練，學(xué)生能掌握現(xiàn)代通信技術(shù)工程實踐(如基站安裝、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、機房規(guī)劃等)的基本能力.例如LTE工程仿真教學(xué)軟件以高仿真商用設(shè)備機房為背景，基于售后工程師工作內(nèi)容設(shè)計，融合真實LTE站點工程、天饋、傳輸時鐘、網(wǎng)管方案的要素，再現(xiàn)了LTE eNodeB系列設(shè)備的組網(wǎng)、硬件結(jié)構(gòu)、軟硬件工程安裝、開通調(diào)試等過程.學(xué)生首先完成網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計，部署商用機房設(shè)備及安裝連線，接著進行網(wǎng)管軟件安裝，站點版本升級、網(wǎng)管數(shù)據(jù)配置及導(dǎo)入、故障排查等工作，最后完成LTE終端的撥號連接和業(yè)務(wù)測試工作，F(xiàn)DD-LTE仿真實驗系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示，虛擬機房的觀察如圖3所示.

圖2 FDD-LTE虛擬仿真實驗系統(tǒng)功能圖

圖3 虛擬機房觀察

教學(xué)效果：通過虛擬仿真模塊的實踐操作，學(xué)生能真實、直觀、全面熟悉了通信應(yīng)用場景、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、標準的站點建設(shè)、安裝、開通調(diào)試、測試等全功能，深入掌握了通信工程現(xiàn)場規(guī)范；而且學(xué)生對設(shè)備接口、功能、板件、配置、對接等有了全面的了解，而這一部分內(nèi)容幾乎是行業(yè)內(nèi)通用的.仿真教學(xué)系統(tǒng)還原了真實的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，貼合了當(dāng)前運營商對畢業(yè)生的要求，為學(xué)生高質(zhì)量就業(yè)打下了堅實的基礎(chǔ).

3 虛擬實驗室建設(shè)的特色與成效

學(xué)院堅持“虛實結(jié)合，提升學(xué)生工程素質(zhì)，培養(yǎng)信息工程類應(yīng)用型人才”的實踐教學(xué)理念，將虛擬化、數(shù)字化實驗室的建設(shè)作為實驗教學(xué)建設(shè)與改革的重要方向，在實驗平臺建設(shè)過程中不斷創(chuàng)新，逐漸形成了自己的特色[8, 9].特色之一：大學(xué)四年全過程覆蓋，領(lǐng)引學(xué)生從基礎(chǔ)課程向?qū)嵺`創(chuàng)新邁進.中心現(xiàn)已基本形成了“專業(yè)基礎(chǔ)層-專業(yè)核心層-工程仿真實訓(xùn)層”的實踐教學(xué)體系，覆蓋了專業(yè)基礎(chǔ)課程、專業(yè)核心課程和高年級學(xué)生綜合實訓(xùn)、課外科技創(chuàng)新活動.我院學(xué)生從大一開始就可接觸虛擬仿真實驗平臺，直到學(xué)科競賽、畢業(yè)設(shè)計、科技創(chuàng)新等活動，學(xué)生都可自如運用這一平臺從事虛擬仿真設(shè)計，以驗證自己所設(shè)計電路和作品的有效性，為學(xué)生科技創(chuàng)新提供了良好的實踐平臺，有力地推動了我院學(xué)生科技創(chuàng)新活動和提升了學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力.特色之二：校企合作共建虛擬仿真項目，保證了實驗項目的先進性和創(chuàng)新性[10].例如學(xué)院與中興通訊企業(yè)合作共建虛擬仿真實驗室，將先進的通信仿真軟件引進到實驗室，使建設(shè)的每套虛擬軟件都能單獨完成“電信網(wǎng)絡(luò)”中某一層次、某項功能的仿真工作.尤其在3G、4G等專業(yè)課程的教學(xué)環(huán)節(jié)，引入了中興通訊針對企業(yè)客戶技術(shù)培訓(xùn)開發(fā)的最新虛擬仿真系統(tǒng)，通過網(wǎng)上虛擬推演和軟件仿真，勘察通信場地、機房，配置基站、天線等參數(shù)，進行信令跟蹤，業(yè)務(wù)驗證，突破了無線通信等在時間、空間、環(huán)境等條件的種種約束和限制，完成真實實驗不可及或難以實現(xiàn)的教學(xué)功能，該類實驗項目具備模擬工程實訓(xùn)功能，有效提升了通信技術(shù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量和畢業(yè)生的就業(yè)質(zhì)量.

已取得的建設(shè)成效：利用中央財政與地方共建實驗室資金資助，2013年學(xué)院與中興通訊合作建設(shè)了目前省內(nèi)最為齊全的通信類虛擬仿真教學(xué)平臺，從固網(wǎng)的程控交換仿真平臺，到移動通信網(wǎng)的3G、4G仿真平臺以及互聯(lián)網(wǎng)通信的數(shù)據(jù)通信仿真平臺.學(xué)院積極宣傳已有的虛擬實驗室建設(shè)資源與建設(shè)成果，在提高教學(xué)資源的共享率、利用率的同時，也提升了學(xué)校的影響力.虛擬實驗室主要承擔(dān)了通信工程，電子信息工程、光電信息工程等專業(yè)的課程實驗、通信綜合實訓(xùn)等教學(xué)任務(wù)，年均服務(wù)學(xué)生人數(shù)300人左右.校際共享方面，國防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院通信工程系的學(xué)生在我院實驗室開設(shè)了《通信綜合實訓(xùn)》課程，共享了3G、4G虛擬仿真平臺.此外，學(xué)院還與湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院進行了通信實驗教學(xué)資源的共享.企業(yè)共享方面，學(xué)院與上海智翔集團共建了校內(nèi)校企合作基地，可實現(xiàn)教育軟、硬件資源共享，產(chǎn)業(yè)化項目資源共享以及人力資源共享等.學(xué)生、中心教師、企業(yè)工程師可共享上海智翔信息科技股份有限公司與各企業(yè)和高校(包括本校)共建的“一飛網(wǎng)”，在網(wǎng)上自由學(xué)習(xí)、討論并承接合作企業(yè)發(fā)布的外包項目.

平臺建設(shè)方面，學(xué)院現(xiàn)建有長沙學(xué)院-智翔集團校企合作人才定制化培養(yǎng)基地和長沙學(xué)院-中興通訊校企合作人才培養(yǎng)基地，其中前者2013年被立項為“湖南省電子信息類專業(yè)校企合作人才培養(yǎng)示范基地”.2015年，長沙學(xué)院電子信息與電氣工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心立項為“湖南省虛擬仿真實驗教學(xué)中心”建設(shè)單位.