“虛擬仿真平臺”在移動通信課程實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究

孫豪 梁瑞 王國林

摘要：傳統(tǒng)的“實驗箱”式教學(xué)存在著成本昂貴，以驗證性實驗為主，調(diào)整的余地很小，與產(chǎn)出結(jié)合不夠緊密等問題。而引入了“虛擬仿真平臺”以后，可以大大降低實驗室建設(shè)的成本;可以構(gòu)建“以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向”的自主式、創(chuàng)新型、面向應(yīng)用的、可靈活調(diào)整的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)。教師和學(xué)生均可以利用它提供的良好實驗操作平臺界面，借助它完備的器件模型庫，設(shè)計并實施滿足教學(xué)大綱要求的典型實驗。它不但提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情，鍛煉了學(xué)生的綜合實驗?zāi)芰蛣?chuàng)新能力，而且促進了企業(yè)與學(xué)校、企業(yè)與學(xué)生之間的相互認識與相互交流，為三方今后的進一步互動打下堅實的基礎(chǔ)，最終使本校的“應(yīng)用型”人才培養(yǎng)能夠更上一層樓。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真平臺;移動通信;實驗教學(xué);學(xué)生中心;產(chǎn)出導(dǎo)向

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）28-0266-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

1 概述

近期，隨著教育部對高等學(xué)校教育的不斷改革，“新工科”建設(shè)、“雙一流”建設(shè)的不斷深入，大學(xué)本科教學(xué)不斷突出“以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向”的新式教育理念。基于該理念的客觀影響，本校不斷推進“應(yīng)用型”人才培養(yǎng)模式的研究、建設(shè)與改進，因而為移動通信這門課程的實驗教學(xué)改革提出了新的問題和新的挑戰(zhàn)。

移動通信是一門理論性、實踐性、技術(shù)性很強，多門學(xué)科交叉的綜合性學(xué)科。它使學(xué)生熟悉并掌握GSM系統(tǒng)，WCDMA系統(tǒng)和LTE系統(tǒng)的基本原理、基本概念、基本技術(shù)、相關(guān)組網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用，使學(xué)生能夠分析一些簡單的移動通信系統(tǒng)，能夠應(yīng)用移動通信的原理與技術(shù)分析闡述常見移動通信方式中信息傳輸?shù)陌l(fā)送與接收原理，為移動通信系統(tǒng)的管理、維護、研究和開發(fā)打下必要的理論基礎(chǔ)和技能。

實驗教學(xué)是移動通信課程教學(xué)過程中一個非常重要的環(huán)節(jié)。學(xué)生首先根據(jù)實驗方案動手構(gòu)建實驗系統(tǒng)，接著安全地開展實驗、正確地采集實驗數(shù)據(jù)、得到合理有效的實驗結(jié)果，最后分析實驗結(jié)果得出正確的結(jié)論。由此，學(xué)生可以直觀地熟悉并掌握移動通信系統(tǒng)的工作原理、組成、結(jié)構(gòu)及相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，可以通過與同組學(xué)生的相互協(xié)作培養(yǎng)良好的溝通交流、組織協(xié)調(diào)和團隊合作能力[1]。但是，傳統(tǒng)的“實驗箱”式教學(xué)在應(yīng)對“以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向”這一新式教育理念時仍存在著許多難以克服的問題。因而，利用虛擬仿真平臺這種全新的教學(xué)手段，進行移動通信課程的實驗教學(xué)，踐行“以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向”，最終推進本?！皯?yīng)用型”人才的培養(yǎng)，這是一項有意義的、有挑戰(zhàn)性的研究。

2 利用“虛擬仿真平臺”進行移動通信課程實驗教學(xué)的優(yōu)勢

計算機、多媒體和人機交互等技術(shù)的高速發(fā)展帶動了虛擬仿真技術(shù)的不斷進步，虛擬仿真實驗教學(xué)也逐漸地廣泛應(yīng)用于很多高等院校的實驗教學(xué)中，它現(xiàn)在已經(jīng)成為教育信息化建設(shè)和實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，也已經(jīng)成為高校教師完成實驗教學(xué)的一種重要的教學(xué)方式[2]。虛擬仿真實驗教學(xué)可以通過構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境、實驗對象和實驗元件，讓學(xué)生更容易理解教學(xué)情境，更方便地開展實驗活動[3]。在移動通信課程的實驗教學(xué)中，利用“虛擬仿真平臺”進行實驗教學(xué)，具有以下三個方面的優(yōu)勢：

2.1 大大降低實驗室建設(shè)的成本

傳統(tǒng)的“實驗箱”式教學(xué)均需要購買費用高昂的實驗室設(shè)備，如果再考慮到設(shè)備的先進性、精密性與品牌效應(yīng)，即使少量購買，這也是一筆難以負擔(dān)的巨額成本。

引入“虛擬仿真平臺”以后，除去必要的平臺運行與維護的開銷，移動通信實驗所使用的某些虛擬元器件/元模塊也可以應(yīng)用于其他相關(guān)課程的虛擬實驗教學(xué)中，這樣既可以大大節(jié)省用于采購該課程實驗硬件設(shè)備的資金，又可以輔助其他相關(guān)課程的實驗室建設(shè)過程，從而大大減少實驗室建設(shè)周期，為學(xué)校降低實驗室建設(shè)的成本。

2.2 “以學(xué)生為中心”，構(gòu)建自主式、創(chuàng)新型的實驗教學(xué)

目前，大多數(shù)高校使用的“實驗箱”式教學(xué)仍然是以驗證性實驗為主，這對學(xué)生的知識掌握、能力培養(yǎng)均具有一定的局限性。首先，“實驗箱”式教學(xué)僅能滿足對基本原理的驗證，如移動通信技術(shù)中的調(diào)制和解調(diào)，擴頻與解擴等，但與實際生活中由手機、基站、移動交換機等構(gòu)建的蜂窩移動通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差距較大[4]。其次，“實驗箱”式教學(xué)往往將多個系統(tǒng)模塊集成在一起，學(xué)生在做實驗時只需要進行簡單的連線操作，就直接進入到觀察并記錄實驗結(jié)果這一步驟，導(dǎo)致許多信號處理過程，如濾波、編碼/解碼、模數(shù)轉(zhuǎn)換等，學(xué)生的理解并不透徹[5]。最后，“實驗箱”式教學(xué)設(shè)計電路圖固定，連線固定，實驗結(jié)果也基本相差不大，學(xué)生只是按照實驗指導(dǎo)書的操作步驟逐步驗證，沒有培養(yǎng)足夠的創(chuàng)新意識和解決問題的綜合能力。

引入“虛擬仿真平臺”以后，教師和學(xué)生的實驗自主性均大大增強[6]。教師既可以使用現(xiàn)有的器材模型構(gòu)建課程實驗大綱要求的典型實驗，也可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況靈活設(shè)計個性化的典型實驗;學(xué)生更可以根據(jù)各自的創(chuàng)意去構(gòu)思、驗證各種個性化的設(shè)計方案，自主完成實驗的全過程，從而充分展示學(xué)生的創(chuàng)新性思維，讓學(xué)生盡情感受學(xué)習(xí)的樂趣。

2.3 “以產(chǎn)出為導(dǎo)向”，構(gòu)建面向應(yīng)用的、可靈活調(diào)整的實驗教學(xué)

移動通信技術(shù)發(fā)展的顯著特點之一就是更新速度非?？欤潭?0多年的時間，移動通信系統(tǒng)就已經(jīng)發(fā)展到了第五代。而傳統(tǒng)的“實驗箱”式教學(xué)所采用的實驗設(shè)備只能限定于某型號、某代移動通信產(chǎn)品，學(xué)生利用其培養(yǎng)出來的實驗?zāi)芰Σ⒉灰欢芎退木蜆I(yè)需求建立較明確的對接關(guān)系，而且調(diào)整的余地很小，具有較明顯的局限性。

引入“虛擬仿真平臺”以后，創(chuàng)造性實驗的導(dǎo)向性得到了明顯的加強。以移動通信課程為例，學(xué)?？梢越柚@個平臺，利用產(chǎn)學(xué)研項目與有意向的通信技術(shù)企業(yè)進行深度合作;企業(yè)則可以根據(jù)自身的特色和學(xué)生的具體學(xué)習(xí)情況，為學(xué)生制定一組面向?qū)嶋H應(yīng)用的、可靈活調(diào)整的創(chuàng)造性實驗。這樣學(xué)生在做實驗的過程中既鍛煉了綜合性實驗?zāi)芰?，又進一步地了解了該企業(yè)的特色，最終為有意向的學(xué)生和企業(yè)之間奠定了良好的雙向選擇基礎(chǔ)。

3 移動通信實驗教學(xué)在“虛擬仿真平臺”上的具體建設(shè)內(nèi)容

為了更好地發(fā)揮“虛擬仿真平臺”在移動通信實驗教學(xué)中的作用，需要從以下四個方面進行建設(shè)：

3.1 實驗操作平臺界面

實驗操作平臺界面共分為六大部分，各部分應(yīng)實現(xiàn)的功能如下表1所示：

3.2 學(xué)生、教師、教務(wù)管理員和系統(tǒng)管理員四種角色及其權(quán)限

為了更好地對本平臺進行管理，系統(tǒng)建立了四種角色：學(xué)生、教師、教務(wù)管理員和系統(tǒng)管理員。這四種角色應(yīng)具有的權(quán)限如下表2所示：

3.3 器件模型庫及其具體構(gòu)成

為了滿足課程實驗教學(xué)的需求，本系統(tǒng)應(yīng)建設(shè)六大類器件模型庫，每個器件模型庫中具體包含的模塊如下表3所示：

3.4 典型實驗設(shè)計

本系統(tǒng)基于上述六大類器件模型庫的支持，能夠提供至少8個典型實驗的設(shè)計與實施，可圓滿實現(xiàn)移動通信課程實驗教學(xué)大綱的要求。

教師在進行虛擬仿真平臺實驗教學(xué)設(shè)計時，具體的實驗教學(xué)設(shè)計過程如下圖1所示：

下面簡要描述一下利用該“虛擬仿真平臺”來進行移動通信實驗教學(xué)的全過程：

1）教師給出典型實驗題目

教師可結(jié)合線上教學(xué)實踐，通過網(wǎng)上教學(xué)平臺、QQ軟件等方式向?qū)W生發(fā)布某個實驗題目，明確學(xué)生的實驗?zāi)繕恕?/p>

2）實驗實施階段

實驗實施階段可分為三個步驟來實現(xiàn)：

A.實驗準備階段

該階段需要完成兩件任務(wù)：學(xué)生分組和實驗原理學(xué)習(xí)。

本人今年所帶的移動通信課程有28名同學(xué)選修，因而可以將學(xué)生分為7個實驗小組。由每組學(xué)生自行選舉1人為小組長，由小組長統(tǒng)籌管理該小組的實驗過程。

當學(xué)生獲悉實驗題目以后，學(xué)生應(yīng)提前查閱相關(guān)文獻，復(fù)習(xí)教材或在課上學(xué)習(xí)實驗指導(dǎo)書中的相應(yīng)知識來掌握本次實驗的實驗原理。

B.實驗執(zhí)行階段

在這一階段，每組學(xué)生既可以根據(jù)自己的創(chuàng)意設(shè)計實驗方案，自主選擇相應(yīng)的實驗元件/模塊構(gòu)建實驗?zāi)Ｐ?，驗證實驗結(jié)果，也可以直接參考實驗指導(dǎo)書上的實驗?zāi)Ｐ桶床襟E完成相關(guān)實驗數(shù)據(jù)的采集，得出實驗結(jié)論。本人強烈建議每組學(xué)生應(yīng)至少有一次以上自主設(shè)計實驗?zāi)Ｐ偷慕?jīng)歷。

C.實驗過程評價階段

在這一階段，教師應(yīng)隨時關(guān)注每組學(xué)生的實驗進度，積極解決學(xué)生實驗過程中出現(xiàn)的各種問題，保證每組學(xué)生均順利完成實驗。同時，教師應(yīng)盡可能多關(guān)注、多指導(dǎo)自主設(shè)計實驗?zāi)Ｐ偷膶W(xué)生，確保他們順利實現(xiàn)自己的實驗設(shè)計方案。

3）教師總結(jié)

教師通過每組學(xué)生的實驗表現(xiàn)及實驗報告的撰寫情況進行評分，并從總體上總結(jié)該次實驗的成功經(jīng)驗，實現(xiàn)教學(xué)相長，促進師生共同發(fā)展，共同進步。

4 結(jié)束語

綜上所述，引入“虛擬仿真平臺”以后，移動通信課程的實驗室建設(shè)可以節(jié)省大量的實驗經(jīng)費，為學(xué)校節(jié)省了資金投入;可以進一步實踐“以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向”的新式教育理念。這一方面提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情，鍛煉了學(xué)生的綜合實驗?zāi)芰蛣?chuàng)新能力;另一方面也為相關(guān)企業(yè)提供了一個良好的切入點，促進了企業(yè)與學(xué)校、企業(yè)與學(xué)生之間的相互認識與相互交流，為三方今后的進一步互動打下堅實的基礎(chǔ)。本人希望“虛擬仿真平臺”不但成功應(yīng)用于移動通信這門課程，更積極拓展到其他課程，最終使本校的“應(yīng)用型”人才培養(yǎng)能夠更上一層樓。

參考文獻：

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【通聯(lián)編輯：梁書】