基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提升研究生應(yīng)用能力培養(yǎng)——以“天線與電波傳播”課程為例

張寧超 鐘顯江 陳 蕾 楊永俠

（西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 陜西·西安 710021）

0 引言

電子信息類學(xué)科的研究生課程中，培養(yǎng)計劃設(shè)置的課程中大部分原理性內(nèi)容多，加之以本科教學(xué)為主的地方普通院校經(jīng)費(fèi)不足，研究生專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)很多無法開設(shè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)或?qū)嵱?xùn)教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)模式大多采用以課堂講授為主要手段的傳統(tǒng)教學(xué)模式，即使在上課過程中采用了多媒體教學(xué)，依然存在教學(xué)過程相對枯燥、學(xué)習(xí)過程難度較大、學(xué)生學(xué)以致用能力普遍欠缺的問題，這與應(yīng)用型專業(yè)碩士與研究型學(xué)術(shù)碩士的人才培養(yǎng)目標(biāo)是不相適應(yīng)的[1]?！短炀€與電波傳播》課程是通信與信息系統(tǒng)、信號與信息處理學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課程，但該課程的教學(xué)基本以老師為主體，過于強(qiáng)調(diào)教學(xué)內(nèi)容編排的邏輯性和完整性，在講解一些重要知識點(diǎn)缺少學(xué)生的積極參與而效果不佳?！皥霾悺闭n程相關(guān)的實(shí)驗(yàn)儀器成本高，能夠?yàn)檠芯可虒W(xué)開設(shè)相關(guān)具備測試研究的實(shí)驗(yàn)課程的高校比較少。加之實(shí)驗(yàn)需求比較苛刻，一般本科院校沒有相關(guān)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，根本無法實(shí)現(xiàn)對學(xué)生解決工程問題能力的培養(yǎng)。因此，只有考慮通過電磁軟件仿真來開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，才能滿足該類院校對學(xué)生工程能力的培養(yǎng)。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建

基于西安工業(yè)大學(xué)“電子信息與控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”，本文集成了“天線與電波傳播”課程相關(guān)虛擬仿真軟件，包括HFSS、ADS、TFDTD等，學(xué)生可通過網(wǎng)絡(luò)直接進(jìn)入虛擬仿真中心，在線進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)踐。根據(jù)課堂的理論教學(xué)內(nèi)容，要求學(xué)生在課后對相關(guān)的內(nèi)容在虛擬仿真中心完成仿真實(shí)踐，利用平臺實(shí)踐教學(xué)體系的管理模式，學(xué)生與老師在平臺可以實(shí)現(xiàn)互動，老師也可以對學(xué)生完成情況進(jìn)行考核。目前通過平臺可以完成課堂教學(xué)中比較抽象的典型實(shí)驗(yàn)包括波導(dǎo)的傳輸仿真、天線的仿真、電磁兼容的仿真等。本校的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，具備對學(xué)生自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作并進(jìn)行評判的功能。學(xué)生可以在宿舍或者機(jī)房從任意PC端登陸，實(shí)驗(yàn)的設(shè)計對每個步驟可以合理的選擇、編輯、排序的刪除。

實(shí)驗(yàn)項目設(shè)計要以復(fù)雜工程項目為背景，提升學(xué)生解決工程問題的能力。分解細(xì)化工程模塊，選取與教學(xué)內(nèi)容密切相關(guān)的模塊作為實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生體會“天線與電波傳播”課程抽象的概念和煩瑣的公式所體現(xiàn)出的工程應(yīng)用價值。在設(shè)計實(shí)踐教學(xué)計劃時，根據(jù)實(shí)例范圍的大小和復(fù)雜度，從宏觀到微觀、從高層到底層建立起一系列的從設(shè)計到實(shí)現(xiàn)的教學(xué)理念。針對這樣的綜合性實(shí)踐，學(xué)生將所涉及的課程知識點(diǎn)交叉融合并綜合運(yùn)用，避免了傳統(tǒng)教學(xué)方式下知識點(diǎn)孤立存在的問題。同時構(gòu)建了實(shí)時在線的評價模式，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效果。實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)上實(shí)時智能指導(dǎo)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中的問題，階段性地對學(xué)生進(jìn)行個性化的有效指導(dǎo)與評價。

2 基于虛擬仿真平臺的教學(xué)模式改革

（1）整體教學(xué)與個性化培養(yǎng)相結(jié)合的教學(xué)探索。

本科教學(xué)注重學(xué)生中心和整體目標(biāo)達(dá)成培養(yǎng)，而研究生培養(yǎng)需要根據(jù)學(xué)生個人進(jìn)行能力和擅長領(lǐng)域進(jìn)行整體與個性化結(jié)合培養(yǎng)。依托虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，不設(shè)置具體課題要求，學(xué)生根據(jù)個人能力選擇不同領(lǐng)域、不同難度的實(shí)驗(yàn)項目進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，充分調(diào)動學(xué)生的積極性和興趣愛好。同時，把部分學(xué)生參與的第二課堂、學(xué)科競賽等課外實(shí)踐活動和人才培養(yǎng)有機(jī)地結(jié)合起，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。

（2）實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)的開放式教學(xué)。

引入現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)和手段，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)平臺建設(shè)，構(gòu)建信息平臺和實(shí)踐教學(xué)信息管理平臺，融合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)多種方式輔助實(shí)踐教學(xué)。學(xué)生可以不受地域與環(huán)境的限制，隨時接受專業(yè)老師理論知識、實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新想法的指導(dǎo)。充分發(fā)揮學(xué)生、老師、實(shí)驗(yàn)室管理人員在開放式的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的角色[2]。平臺建設(shè)依托校園局域網(wǎng)和中心的服務(wù)器，可以將平臺地址映射到互聯(lián)網(wǎng)，不斷增強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐教學(xué)能力。開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管理和共享平臺一般以虛擬實(shí)驗(yàn)中心門戶網(wǎng)站為基礎(chǔ)，平臺模塊中分別設(shè)置課前基礎(chǔ)理論模塊、實(shí)驗(yàn)課的管理模塊、實(shí)驗(yàn)項目庫的維護(hù)模塊、教學(xué)指導(dǎo)模塊、對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)收評價模塊。充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)化優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了平臺的數(shù)字化管理。

（3）實(shí)施自主性實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

依托“電子信息與控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”，構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，通過“中心服務(wù)器—校園網(wǎng)—互聯(lián)網(wǎng)”三個維度的網(wǎng)絡(luò)支持，對學(xué)生完成方正的時間、地點(diǎn)和內(nèi)容上實(shí)現(xiàn)開放，充分發(fā)揮學(xué)生的自主性學(xué)習(xí)與創(chuàng)新。不同需求的學(xué)生可以合理安排自己進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時間、地點(diǎn)以及實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供寬松的學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。學(xué)生可以根據(jù)自己實(shí)際情況確定實(shí)驗(yàn)時間、內(nèi)容和進(jìn)度，可以隨時在網(wǎng)上進(jìn)行自己感興趣的實(shí)驗(yàn)。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式不受實(shí)體實(shí)驗(yàn)室關(guān)閉和開放時間的限制，也能培養(yǎng)學(xué)生的自主能力[7,8]。

（4）實(shí)驗(yàn)過程智能指導(dǎo)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不光實(shí)現(xiàn)學(xué)生的自主性，同時平臺要充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)采集與處理，通過數(shù)據(jù)分析能夠及時的對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行智能化的監(jiān)控和指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)“在線教師”的功能[9]。而且實(shí)現(xiàn)了對不同實(shí)驗(yàn)、不同學(xué)生、不同問題的分類監(jiān)控與指導(dǎo)，充分發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程的高度智能化。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)系統(tǒng)可以實(shí)時在線監(jiān)控學(xué)生完成整個實(shí)驗(yàn)項目的過程，并間斷性對實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行智能化提醒與評估。學(xué)生在完成仿真項目的過程中也可以主動尋求系統(tǒng)的提示與幫助。當(dāng)學(xué)生提交了仿真項目后，平臺通過對數(shù)據(jù)處理功能，提取出實(shí)驗(yàn)過程的關(guān)鍵評價信息和數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)樣本進(jìn)行比對，最后得出結(jié)論。

（5）與學(xué)生互動交流。

提供用戶互動交流模塊，包括在線實(shí)時答疑室和在線留言功能，在線實(shí)時答疑室支持多人語音、文字交流，可共享白板，保存聊天記錄，問題庫搜索、發(fā)送離線消息到郵箱。設(shè)置了答疑室的交流界面窗口，同時可提供手機(jī)在線客戶端通知功能，當(dāng)教學(xué)安排實(shí)驗(yàn)后，可以通過微信或手機(jī)端平臺實(shí)時通知學(xué)生，并且可以隨時督促未完成實(shí)驗(yàn)的學(xué)生。實(shí)驗(yàn)教學(xué)將以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力為主旨，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主式、合作式、研究式為特點(diǎn)的個性化學(xué)習(xí)方法。

3 研究特色與成果推廣

天線與電波傳播測試實(shí)驗(yàn)需要嚴(yán)格的測試環(huán)境（微波暗室）和昂貴的測試設(shè)備，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)“虛”指導(dǎo)“實(shí)”并達(dá)到“虛實(shí)結(jié)合”，從而指導(dǎo)工業(yè)設(shè)計及生產(chǎn)。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項目的開設(shè)，將解決實(shí)際測試實(shí)驗(yàn)對人產(chǎn)生的潛在輻射傷害，提供了一種可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)方法。同時借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)形成虛擬實(shí)驗(yàn)交互環(huán)境，學(xué)生能在互聯(lián)網(wǎng)完成虛擬仿真學(xué)習(xí)，教師可以以更加開放的方式進(jìn)行教學(xué)活動。高校實(shí)踐教學(xué)資源及水平存在明顯差異，部分高校在校學(xué)生、企事業(yè)工程技術(shù)人員無法得到應(yīng)有的學(xué)習(xí)與實(shí)踐機(jī)會。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，不斷完善優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)層次和教學(xué)水平，優(yōu)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，逐步面向高校和社會提供教學(xué)服務(wù)。依托國家級、省級實(shí)踐教學(xué)中心建設(shè)，加強(qiáng)校內(nèi)、校際以及與相關(guān)企業(yè)的合作，實(shí)現(xiàn)虛擬資源共用共享，在研究生培養(yǎng)上充分發(fā)揮企業(yè)優(yōu)勢，為培養(yǎng)具備工程實(shí)踐能力且有高水平學(xué)術(shù)素養(yǎng)的人才做出貢獻(xiàn)。加強(qiáng)地方高校間的合作共享，發(fā)揮了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)的示范作用。同時虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺吸引了不同研究方向的優(yōu)秀老師，教學(xué)團(tuán)隊不間斷的將自己的科研成果融入到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項目中，多學(xué)科的交叉融合，前沿化的成果交流，培養(yǎng)出具有多學(xué)科交叉且有國際視野的優(yōu)秀人才。

4 結(jié)論

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可解決“場波類”課程實(shí)踐教學(xué)中實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備短缺的不足。同時仿真平臺的靈活設(shè)計，也注重培養(yǎng)了優(yōu)秀學(xué)生發(fā)揮能力的空間。同時鼓勵學(xué)生將參與的第二課堂、學(xué)科競賽等實(shí)踐活動與課程教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起，教師把科學(xué)研究與學(xué)生的課程教學(xué)結(jié)合起來。以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項目為支撐，構(gòu)建課程相關(guān)工程實(shí)踐平臺，建立“理論—實(shí)踐—應(yīng)用”的實(shí)踐模式，不斷提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力。