郭曉菲　王雷全

摘要：指出目前高校通信工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀中的問題，闡述將開放式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意義，對虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能特點(diǎn)進(jìn)行研究與分析，提出基于虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)體系結(jié)構(gòu)，說明結(jié)合通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐，將虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用于課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課外創(chuàng)新的良好效果。

關(guān)鍵詞：開放式；虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；實(shí)驗(yàn)體系結(jié)構(gòu)

0、引言

近幾年，隨著高校招生規(guī)模的不斷擴(kuò)大，高校擴(kuò)招給實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來了巨大壓力，導(dǎo)致高校教學(xué)資源不足。通信技術(shù)的發(fā)展和通信系統(tǒng)的復(fù)雜性不斷增加，已使傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法不能滿足新形勢下的教學(xué)要求，面臨如下問題。

1）實(shí)驗(yàn)室難以實(shí)現(xiàn)真正的開放。

由于通信專業(yè)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要依賴費(fèi)用較高的硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)教學(xué)受時(shí)間、地點(diǎn)、人力、物力等條件的限制，學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源難以做到充分有效地利用，使得“開放實(shí)驗(yàn)室”無法實(shí)現(xiàn)真正的開放。

2）教學(xué)目標(biāo)難以落實(shí)。

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)生主要根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課之前無法對理論及實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行較好地預(yù)習(xí)，教學(xué)目標(biāo)難以達(dá)到，設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)更是難以開展。

3）常用的仿真軟件缺乏真實(shí)性。

雖然Matlab和SystemView是很優(yōu)秀的仿真建模軟件，多年來在中國石油大學(xué)通信專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，發(fā)揮了很大作用，但是由于Matlab和SystemView也有局限性，一般它不能脫離Matlab和SystemView集成環(huán)境工作，而且編寫圖形用戶界面的功能比較弱，學(xué)生使用這種仿真軟件對通信系統(tǒng)進(jìn)行模擬時(shí)，和實(shí)際的系統(tǒng)相比還是有區(qū)別的。

針對通信專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)主動(dòng)性和創(chuàng)造性等問題，提出將e-Labsim開放式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)引入到通信仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，構(gòu)建了通信專業(yè)的開放虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并嘗試在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中將Matlab和e-Labsim平臺(tái)進(jìn)行適度的銜接，突破現(xiàn)有的教學(xué)模式，探索出一條創(chuàng)新人才培養(yǎng)多元化、多樣化和多變化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革模式。

1、開放式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的特點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要途徑，中國石油大學(xué)（華東）“十二五”規(guī)劃明確指出：“完善實(shí)踐教學(xué)體系，統(tǒng)籌校內(nèi)外實(shí)踐教學(xué)資源，推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享平臺(tái)建設(shè)和實(shí)驗(yàn)室開放。”為進(jìn)一步深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，提升學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，根據(jù)通信專業(yè)人才培養(yǎng)模式的核心，構(gòu)建了通信專業(yè)開放式虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，其目的是為了在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中加強(qiáng)對學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

e-Labsim虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可提供多門課程的實(shí)驗(yàn)仿真，包括通信原理、移動(dòng)通信、光纖通信等，它主要采用大型仿真軟件所獨(dú)有的算法及時(shí)序仿真相結(jié)合的技術(shù)，并應(yīng)用當(dāng)今較流行的CSDA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及軟件框架，通過部署在用戶的服務(wù)器上，可以很好地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)資源的開放，給學(xué)生搭建起一個(gè)隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的環(huán)境。e-Labsim可模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，提供可操作的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器，由于e-Labsim獨(dú)有的“仿真核”技術(shù)，能完整模擬硬件外觀及行為，讓學(xué)生從仿真環(huán)境到實(shí)際的硬件環(huán)境能實(shí)現(xiàn)“無縫”切換，這應(yīng)該是e-Labsim完全不同于其它虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的獨(dú)到之處。e-Labsim虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能布局圖，如圖1所示。

由于通信專業(yè)課較多，實(shí)驗(yàn)課時(shí)不同，對應(yīng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的深度和難度也不同。所以在構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的過程中，要考慮適合于本校通信實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置特點(diǎn)，側(cè)重通信系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)和局部原理的設(shè)計(jì)號(hào)陛能提高，兼顧不同基礎(chǔ)層次學(xué)生的需求，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上提供多樣性、多變性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這就決定了虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該具備實(shí)驗(yàn)對象多元化，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以重組，平臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)該開放的特點(diǎn)。

2、基于開放式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)建

經(jīng)過不斷地實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索與實(shí)踐，結(jié)合多年實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)室的功能特點(diǎn)，提出了由基礎(chǔ)型、綜合型、設(shè)計(jì)型、創(chuàng)新型4個(gè)實(shí)驗(yàn)層次構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)體系結(jié)構(gòu)，由淺入深、由易到難，以學(xué)生為本、注重創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

（1）基礎(chǔ)型。著重于基礎(chǔ)理論和基本技能的訓(xùn)練，是創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)。該類實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是基本的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書給出的組件連接圖和參數(shù)設(shè)置，自己動(dòng)手配置、連接、調(diào)試實(shí)驗(yàn)設(shè)備，搭建出基本的通信模型，進(jìn)一步理解基本概念和理論。比如移動(dòng)通信中的“MSK調(diào)制及相干解調(diào)”實(shí)驗(yàn)，目的是了解MSK調(diào)制解調(diào)原理及特性，觀察I、Q兩路基帶信號(hào)的特征及與輸入NRZ碼的關(guān)系，還有I、Q兩路信號(hào)調(diào)制解調(diào)過程中各信號(hào)的變化。該環(huán)節(jié)重在基礎(chǔ)，面向綜合，在掌握實(shí)驗(yàn)的基本方法、基本知識(shí)以及基本操作的基礎(chǔ)上逐步培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，為開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

（2）綜合型。該類實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由若干基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)組合而成，目的是讓學(xué)生了解和掌握不同通信系統(tǒng)模型之間的聯(lián)系，幫助學(xué)生樹立通信系統(tǒng)的概念。比如“GSM通信系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)，就是將正交調(diào)制及解調(diào)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K串起來，讓學(xué)生建立起GSM通信系統(tǒng)的概念，了解GSM通信系統(tǒng)的組成及特性，最終完成在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的系統(tǒng)搭建與仿真，觀察GSM通信系統(tǒng)各部分信號(hào)的變化。

（3）設(shè)計(jì)型。前兩類實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中都給出組件連接圖和參數(shù)設(shè)置，而設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)只給出原理框圖，學(xué)生需要運(yùn)用已學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)，自己設(shè)計(jì)組件連接圖，這部分實(shí)驗(yàn)主要用于對學(xué)生獨(dú)立思考、分析問題、解決問題能力的進(jìn)一步訓(xùn)練。該類實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ绞墙o學(xué)生提出一個(gè)問題，不限定解決問題的方法，由學(xué)生通過運(yùn)用所學(xué)專業(yè)基本概念和基本理論進(jìn)行思考、分析，提出設(shè)計(jì)方案并加以實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步熟悉e-Labsim虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)。比如“PSK信號(hào)載波恢復(fù)”實(shí)驗(yàn)，學(xué)生首先要自己查資料了解一下載波提取的方法有哪些，然后自己選擇設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)組件連接圖，并設(shè)計(jì)一個(gè)相關(guān)解調(diào)系統(tǒng)作為測試用例，來驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的載波提取方法的可用性和正確性。endprint

（4）創(chuàng)新型。由于e-Labsim虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)置完整的二次開發(fā)及創(chuàng)新設(shè)計(jì)模塊，學(xué)生可以方便地進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，學(xué)生設(shè)計(jì)的功能完全可以替代系統(tǒng)原有的模塊，為提高學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐的興趣，還可將學(xué)生設(shè)計(jì)的功能模塊融入到e-Labsim平臺(tái)的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證。由于該類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是針對學(xué)有余力的優(yōu)秀學(xué)生，幫助其提高創(chuàng)新能力的進(jìn)一步的訓(xùn)練，所以應(yīng)鼓勵(lì)他們自主創(chuàng)新，提出若干具有挑戰(zhàn)性的問題，參加一些國內(nèi)外創(chuàng)新競賽，申請并完成創(chuàng)新基金項(xiàng)目等，比如大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃和國家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目。

3、開放式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組織與實(shí)施

針對將e-Labsim虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)引入到通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可能遇到的問題，以及在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，如何將課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和課外創(chuàng)新活動(dòng)結(jié)合，以達(dá)到最佳效果，根據(jù)多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的特點(diǎn)，給出了以下一套實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和創(chuàng)新的具體實(shí)施方案。

1）改革實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方式，提高學(xué)生興趣。

通過改革實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方式，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。在現(xiàn)有通信硬件實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，輔以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。其主旨在于指導(dǎo)學(xué)生做硬件實(shí)驗(yàn)之前，通過虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用組件完成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建模和仿真，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對下一步的硬件實(shí)驗(yàn)起到理論指導(dǎo)作用，避免實(shí)驗(yàn)的盲目性。鼓勵(lì)學(xué)生參與虛擬實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)研究工作，在教師的帶領(lǐng)下開展自主學(xué)習(xí)活動(dòng)，深入分析通信系統(tǒng)，不斷開發(fā)所需新組件，設(shè)計(jì)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，豐富實(shí)驗(yàn)配套教材，鼓勵(lì)學(xué)生在通信領(lǐng)域進(jìn)行研究探索，并以此為契機(jī)，組織學(xué)生參加大學(xué)生創(chuàng)新基金項(xiàng)目和各種競賽等活動(dòng)，為培養(yǎng)出一批有研究精神，創(chuàng)新能力和視野開闊的通信人才提供平臺(tái)。

2）采用多樣化的教學(xué)手段，進(jìn)行輔助教學(xué)。

通過多媒體配合虛擬仿真平臺(tái)，借助生動(dòng)的圖像、形象的動(dòng)畫進(jìn)行直觀生動(dòng)地講解，在課堂及時(shí)演示課程中的實(shí)驗(yàn)，能真正做到理論和實(shí)踐有效結(jié)合，讓學(xué)生及時(shí)明確地了解課程中的底層原理，做到理論實(shí)踐一體化教學(xué)。借助網(wǎng)絡(luò)資源，通過虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展“網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)演示”，將傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式與基于網(wǎng)絡(luò)的開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式相結(jié)合，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，使“學(xué)生主動(dòng)學(xué)”成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的主要特征。

3）采取開放式互動(dòng)式教學(xué)，提高學(xué)生實(shí)踐能力。

通過虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)，學(xué)生隨時(shí)隨地可登錄網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課堂，搭建自己的實(shí)驗(yàn)，讓每個(gè)學(xué)生都擁有自己獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)室，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)室開放的目的。這樣學(xué)生做實(shí)驗(yàn)將不再受時(shí)間、地點(diǎn)等條件的制約，可根據(jù)自身的實(shí)際情況，選擇進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)場景或者觀看實(shí)驗(yàn)演示。遇到疑難問題可參考虛擬平臺(tái)的提示功能，解決不了的問題可通過通訊模塊求助于教師或同學(xué)，教師的主要工作就是對學(xué)生進(jìn)行管理和引導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)課后，學(xué)生可通過個(gè)人電腦自由進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)論壇區(qū)交流實(shí)驗(yàn)心得體會(huì)。教師對難點(diǎn)進(jìn)行解答，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生自行設(shè)計(jì)綜合型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目到仿真平臺(tái)上驗(yàn)證并及時(shí)給予必要的指導(dǎo)。學(xué)生利用虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)，可及時(shí)預(yù)習(xí)和鞏固知識(shí)，提升實(shí)驗(yàn)的效率，通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)K的開發(fā)功能，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和做實(shí)驗(yàn)的興趣，并能規(guī)避硬件實(shí)驗(yàn)中的低級錯(cuò)誤，從而降低硬件損耗。

4）完善實(shí)驗(yàn)考核方式，客觀評價(jià)實(shí)驗(yàn)效果

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配備了完整的教學(xué)管理系統(tǒng)，通過仿真系統(tǒng)的教師管理端，可以實(shí)時(shí)掌握學(xué)生實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和學(xué)科實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度。實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生通過仿真平臺(tái)對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)，并提交預(yù)習(xí)報(bào)告；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生通過平臺(tái)提交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。教師對學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并對實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行總結(jié)、批閱并評分，客觀評價(jià)實(shí)驗(yàn)效果。

4、結(jié)語

結(jié)合通信工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，將虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不僅激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課程的興趣，還提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，使實(shí)驗(yàn)的安排更加靈活方便且不受時(shí)間和空間限制，改革了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)單一模式，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)將創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力培養(yǎng)貫穿于人才培養(yǎng)的全過程。通過多層次、全方位的實(shí)驗(yàn)室開放的改革與實(shí)踐，不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力方面的缺陷和不足，完善了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，使學(xué)生積極參與科技創(chuàng)新活動(dòng)，達(dá)到了提高、增強(qiáng)學(xué)生科研能力和創(chuàng)新意識(shí)的目的，在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力方面取得了初步成效。endprint