成建平 李飛 沈建華

【摘要】虛擬仿真技術(shù)是實(shí)踐教學(xué)改革的重要發(fā)展方向之一。針對(duì)電子信息類專業(yè)人才培養(yǎng)需求，結(jié)合南京郵電大學(xué)《光纖通信》課程教學(xué)實(shí)踐，討論了基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)及其實(shí)踐。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 電子信息 光纖通信

【Abstract】Virtual simulation technology is one of the most important development directions for experimental teaching mode. Focusing on Electronic Information Engineering Personnel Cultivation， this paper proposes the exploration and practice of virtual simulation experimental teaching for Optical Fiber Communication course in NJUPT.

【Keywords】Virtual Simulation； Experimental Teaching； Electronic and Information Specific； Optical Fiber Communication

【基金項(xiàng)目】江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目（TAPP：PZ00215001），“十二五”國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)項(xiàng)目，南京郵電大學(xué)教學(xué)改革重點(diǎn)課題（JG00215JX01，JG00215JX54）。

【中圖分類號(hào)】G482 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）09-0254-02

1.引言

電子信息產(chǎn)業(yè)已經(jīng)是我國國民經(jīng)濟(jì)第一大產(chǎn)業(yè)，同時(shí)也是當(dāng)前國際間新一輪產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)和搶占經(jīng)濟(jì)科技制高點(diǎn)的戰(zhàn)略先導(dǎo)領(lǐng)域[1][2]。電子信息技術(shù)的不斷進(jìn)步和突破，對(duì)高校電子信息類專業(yè)人才培養(yǎng)提出了新的需求：必須進(jìn)一步加大力度培養(yǎng)全面掌握電子信息技術(shù)和經(jīng)過充分訓(xùn)練的創(chuàng)新型人才，以適應(yīng)行業(yè)發(fā)展和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的迫切需要。

《光纖通信》是通信工程、電子信息工程、光電科學(xué)與技術(shù)等多個(gè)電子信息類專業(yè)的核心專業(yè)課之一。隨著技術(shù)的進(jìn)步和教學(xué)內(nèi)容的更新，傳統(tǒng)的以實(shí)驗(yàn)箱為主的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)模式已經(jīng)無法滿足需要，而依托真實(shí)系統(tǒng)設(shè)備建設(shè)實(shí)驗(yàn)室也面臨著投入巨大和更新頻繁等挑戰(zhàn)。因此，引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)并依托包括虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體和通信網(wǎng)絡(luò)等手段，構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，不僅可以以較低的成本開展實(shí)驗(yàn)，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。同時(shí)，也為實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能，特別是在一些不可及或不可逆的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)提供了可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)手段[3]。

2.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和教學(xué)內(nèi)容的深化，采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)模式日益受到局限，引入虛擬仿真技術(shù)手段可以更好地推動(dòng)信息化條件下學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)等實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革，也為教師提高教學(xué)能力、豐富教學(xué)內(nèi)容、拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容提供了良好的手段。另一方面，現(xiàn)代電子信息系統(tǒng)多為大型復(fù)雜系統(tǒng)，成本高且難以進(jìn)行二次開發(fā)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有諸多優(yōu)點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能。以《光纖通信》課程為例，光纖傳輸參數(shù)中損耗系數(shù)的基準(zhǔn)測(cè)量方法為剪斷法，測(cè)試中需要對(duì)光纖進(jìn)行多次剪斷，在大規(guī)模實(shí)驗(yàn)中受到許多條件的制約。而虛擬仿真技術(shù)可以模擬近似真實(shí)的光纖線路，構(gòu)造虛擬剪斷測(cè)試點(diǎn)，這樣不僅可以不受有限的硬件資源限制，同時(shí)也可以獲得近似真實(shí)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)。

（2）有效解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中存在的高成本和高消耗等缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的光纖通信系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，需要有完整的多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的真實(shí)系統(tǒng)，同時(shí)還要配置包括傳輸分析儀、信號(hào)發(fā)生器、光譜分析儀及網(wǎng)絡(luò)分析儀等貴重測(cè)試儀器，成本極高且對(duì)操作者的要求也很高。引入虛擬仿真技術(shù)開展實(shí)驗(yàn)，有效地解決了制約實(shí)驗(yàn)教學(xué)的初次投入問題。

（3）開發(fā)現(xiàn)階段技術(shù)條件不具備或無法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能。當(dāng)前光纖通信已經(jīng)進(jìn)入100Gbit/s時(shí)代，而400Gbit/s乃至更高傳輸速率的系統(tǒng)也已在開發(fā)中，如此高的傳輸速率使得現(xiàn)階段開發(fā)包括調(diào)制、編碼、解調(diào)、接收等實(shí)驗(yàn)裝置都非常困難，這也催生了只有依靠虛擬仿真技術(shù)才能開展相關(guān)的教學(xué)活動(dòng)。

（4）拓展實(shí)踐教學(xué)開展模式和促進(jìn)終身學(xué)習(xí)。以大規(guī)模在線開放課程（MOOC）為代表的在線教學(xué)已經(jīng)成為當(dāng)前高等教育界普遍關(guān)注的熱點(diǎn)話題。傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)要求學(xué)生必須到實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)完成教學(xué)活動(dòng)，而虛擬仿真技術(shù)的引入可以在很大程度上改變這一格局。隨著包括智能手機(jī)和平板電腦等終端的普及，未來將會(huì)有更多的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)，這也為繼續(xù)教育和終身學(xué)習(xí)提供了有益的渠道。

3.《光纖通信》課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐

南京郵電大學(xué)是一所以信息通信為主要特色的工科高校，《光纖通信》是我校多個(gè)電子信息類專業(yè)的核心專業(yè)課，具有較長(zhǎng)時(shí)間的教學(xué)積累，也建設(shè)了包括SDH傳輸系統(tǒng)和PON接入網(wǎng)在內(nèi)的硬件實(shí)驗(yàn)環(huán)境。依托國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心和優(yōu)勢(shì)學(xué)科等專項(xiàng)支持，我們?cè)O(shè)計(jì)了多層次的光纖通信虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要提供了三個(gè)層次的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

（1）光纖基礎(chǔ)仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境：主要包含了對(duì)光纖物理、光學(xué)、傳輸?shù)榷鄠€(gè)參數(shù)約30000個(gè)不同配置實(shí)例的測(cè)試環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖模場(chǎng)直徑、損耗系數(shù)、色散系數(shù)、偏振模色散等諸多參數(shù)的模擬測(cè)試。

（2）光纖通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)測(cè)試仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境：主要包含了光纖通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的誤碼、抖動(dòng)、光接口、漂移等系統(tǒng)級(jí)參數(shù)約2000個(gè)測(cè)試配置實(shí)例，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于完整的光通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)級(jí)模擬測(cè)試。

（3）光纖通信系統(tǒng)底層及協(xié)議仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境：具有完善的從元器件、系統(tǒng)到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議全方位的仿真能力，可以實(shí)現(xiàn)自主定義的光器件模塊、子系統(tǒng)和系統(tǒng)級(jí)的仿真。

針對(duì)光纖通信系統(tǒng)中最基本的光纖鏈路和系統(tǒng)的性能測(cè)試分析需求，引入了EXFO公司的Fast Reporter光纖鏈路仿真軟件和Optical Report Viewer光網(wǎng)絡(luò)測(cè)試仿真軟件。Fast Reporter主要用于光纖及鏈路的傳輸性能參數(shù)測(cè)試，其內(nèi)置了包括目前最先進(jìn)的涵蓋了EXFO全系列5500/5500E/5800/5900/5230/5240/5250/7400/7400E等各種測(cè)試儀器的數(shù)據(jù)分析模塊，同時(shí)還包含了30000余個(gè)不同的測(cè)試配置，其數(shù)據(jù)均來自真實(shí)的光纖鏈路。學(xué)生在PC終端上使用的操作界面與真實(shí)測(cè)試儀器完全一致，通過選擇不同的參數(shù)配置可以得到相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果并進(jìn)行分析。Optical Report Viewer則是與系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)級(jí)測(cè)試對(duì)應(yīng)的高級(jí)仿真測(cè)試工具軟件，其內(nèi)置了主要的誤碼分析、抖動(dòng)分析、時(shí)鐘分析、漂移分析、光譜分析、光功率測(cè)試等系統(tǒng)級(jí)的測(cè)試功能，使用界面與業(yè)界主流的測(cè)試儀器等完全一致，同時(shí)內(nèi)置了2000多組不同的測(cè)試方案和數(shù)據(jù)，學(xué)生通過配置參數(shù)可以獲得系統(tǒng)性能的直觀結(jié)果，如果發(fā)生配置錯(cuò)誤也可以得到相應(yīng)的提示。

VPI transmission maker高級(jí)仿真工具是目前國際上公認(rèn)技術(shù)最先進(jìn)、最完善的光通信高級(jí)仿真工具，其不僅提供了許多功能強(qiáng)大的仿真模塊，可以支持從物理層到鏈路層乃至網(wǎng)絡(luò)層的仿真實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)采用圖形化設(shè)計(jì)并支持各種復(fù)雜模塊化器件結(jié)構(gòu)及用戶自定義，為用戶提供了完善的專業(yè)仿真實(shí)驗(yàn)分析環(huán)境。經(jīng)過必要的學(xué)習(xí)后，學(xué)生可以在教師指導(dǎo)下對(duì)VPI中的模塊進(jìn)行參數(shù)調(diào)整乃至重新設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)差異化和定制化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

4.結(jié)束語

依托虛擬仿真技術(shù)改革傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)體系是當(dāng)前高等教育改革的主要發(fā)展方向之一。將虛擬仿真技術(shù)引入電子信息類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，突出虛擬網(wǎng)絡(luò)與實(shí)體網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合、虛擬對(duì)象與實(shí)體對(duì)象相結(jié)合、虛擬手段與實(shí)際手段相結(jié)合等特點(diǎn)，是現(xiàn)階段人才培養(yǎng)改革的重要發(fā)展趨勢(shì)。論文介紹的南京郵電大學(xué)開展《光纖通信》課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索實(shí)踐，也為電子信息類其他課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供了有益的參考。未來我們將繼續(xù)堅(jiān)持以學(xué)生為中心，推行網(wǎng)絡(luò)化條件下自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，探索和實(shí)踐人才培養(yǎng)目標(biāo)與社會(huì)需求有機(jī)結(jié)合的新模式。

參考文獻(xiàn)：

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[3]沈建華等.通信與信息網(wǎng)絡(luò)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015（34）1：161-164

作者簡(jiǎn)介：

成建平（1967-），女，江蘇南京人，大學(xué)，實(shí)驗(yàn)師。主要從事通信與信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。

沈建華（1972-），男，江蘇江陰人，博士，教授。南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院副院長(zhǎng)，通信與信息網(wǎng)絡(luò)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心副主任。主要從事通信與信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。