劉云飛， 田華明， 黃子革， 王 鼎

(海軍航空大學(xué)青島校區(qū) 航空電子系， 山東 青島 266041)

實驗教學(xué)作為高等院校教學(xué)工作的重要組成部分，在培養(yǎng)學(xué)員的動手能力、分析解決問題的能力、正確的思維方法和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)等方面起著不可替代的作用，是培養(yǎng)創(chuàng)新人才、加強學(xué)科及專業(yè)建設(shè)的重要途徑。如何更好地發(fā)揮實驗室的作用，實現(xiàn)實驗室建設(shè)與培養(yǎng)創(chuàng)新人才相結(jié)合，是當(dāng)前深化實踐教學(xué)改革的難點、熱點問題。我校針對通信原理與系統(tǒng)實驗室(以下簡稱“實驗室”)的建設(shè)，進行了多方面的研究和探索，取得了較好的實際成果，可供各高校同行借鑒和參考。

1 系統(tǒng)籌劃，推進實驗室全面建設(shè)

1.1 加強硬件建設(shè)，創(chuàng)造良好實驗條件

實驗室采取認(rèn)真調(diào)研、充分論證、重點投入、分步實施的建設(shè)思路，對所購儀器設(shè)備按平臺化、通用化、系統(tǒng)化、現(xiàn)代化思路進行籌劃，先后購置了10多套南京潤眾科技有限公司生產(chǎn)的RZ8641型現(xiàn)代通信技術(shù)實驗箱，隨后又升級為RZ9681型，配套購置了10套DSO2902型五合一多功能綜合虛擬測試儀，構(gòu)建了基于PXI總線的通用軟件無線電實驗平臺，自主研發(fā)了短波寬帶信道模擬器，調(diào)撥了部隊現(xiàn)役通信電臺，形成了從基本模塊到實裝的全層次覆蓋，使實驗室不僅能夠開設(shè)“通信原理”“通信導(dǎo)航系統(tǒng)”“通信設(shè)備”等相關(guān)課程的實驗，還可為高年級本科生、研究生和教員進行通信領(lǐng)域的研究提供實驗條件。

1.2 虛實結(jié)合，構(gòu)建綜合化實驗平臺

以通信技術(shù)實驗箱為主的硬件實驗平臺，有直觀性強、能鍛煉動手能力、搭建平臺迅速等優(yōu)點，但成本高，實驗項目有一定局限性。實驗室在實驗箱基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)了基于Matlab、Systemview和LabVIEW的3個虛擬軟件實驗平臺。虛擬軟件實驗平臺有功能全、成本低、效率高的優(yōu)點，與硬件平臺互為補充，使硬件平臺不能提供的實驗得以通過虛擬軟件來完成。學(xué)員通過軟件模塊搭建實驗系統(tǒng)，可充分發(fā)揮其想象力，拓展其思維，提高其編程實踐能力[1]。

1.3 精選實驗內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)員自主實驗?zāi)芰?/h3>

在傳統(tǒng)實驗教學(xué)過程中，學(xué)員只能在教師設(shè)定的框架下進行驗證性的實驗。其缺陷在于:一是單一的驗證性實驗對學(xué)員的吸引力不大；二是驗證性實驗在培養(yǎng)學(xué)員的綜合思維能力、創(chuàng)新能力和動手能力方面效果不好。因此在實驗內(nèi)容設(shè)置上，將其調(diào)整為驗證性、設(shè)計性和創(chuàng)新性實驗3部分，盡量減少驗證性實驗，增加設(shè)計性和創(chuàng)新性實驗[2]，以培養(yǎng)學(xué)員獲取新知識、分析和解決問題以及交流與合作的能力，使學(xué)員掌握基礎(chǔ)知識和基本技能，并具有創(chuàng)新精神和實踐能力。驗證性實驗在相應(yīng)理論課講解完之后進行，教員將部分實驗在課堂演示后再安排學(xué)員進行實驗，取得理論課和實驗課教學(xué)相得益彰的效果。設(shè)計性實驗安排在某段固定實驗課時內(nèi)完成，以布置作業(yè)的形式給出，要求學(xué)員利用實驗室已有的儀器設(shè)備完成設(shè)計實驗任務(wù)，創(chuàng)新性實驗安排部分成績優(yōu)秀、學(xué)有余力的學(xué)員進行。

1.4 開放實驗室，提高實驗室利用率

由于學(xué)時有限，正課時間開設(shè)實驗時，常常是幾人1組、1人為主、多人旁觀，其實驗效率不是很高。此外，如果實驗室課余時間若不開放，實驗設(shè)備就會閑置，降低了設(shè)備的利用率，實驗效果難以提高。因此實驗室在時間、地點、內(nèi)容和實驗人員上采取全面開放的形式[3]。

(1) 時間上的開放，提高靈活性。實驗室根據(jù)理論課和實驗課的進度，在實驗設(shè)備的使用不發(fā)生沖突的前提下，由學(xué)員根據(jù)自己的課程安排，與實驗室協(xié)商，并決定什么時間到實驗室完成實驗課所規(guī)定的實驗內(nèi)容。在時間上給學(xué)員較大的靈活性，提高學(xué)員學(xué)習(xí)的主動性，增加實驗室的容量，提高實驗室的利用率[4]。

(2) 地點上的開放，提高便利性。RZ9681型現(xiàn)代通信技術(shù)實驗平臺，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化實驗。學(xué)員在宿舍或計算機房，只要能通過校園網(wǎng)鏈接實驗室的實驗平臺，經(jīng)過實驗室管理員審批后，就可以遠程鏈接實驗平臺開展實驗。地點上的開放，使得學(xué)員利用實驗室的自由度大大提高，為學(xué)員做實驗提供了充分的便利。

(3) 實驗內(nèi)容的開放，提高自主性。實驗室內(nèi)容的開放分為實驗室主動開出的計劃外實驗項目和學(xué)員自主提出的創(chuàng)新實驗項目2種開放模式[5]。第一種模式是實驗室根據(jù)實際情況開設(shè)計劃外的實驗項目，學(xué)員可選做這些實驗項目，以培養(yǎng)出一定數(shù)量具有較強實驗?zāi)芰途哂锌蒲谢A(chǔ)知識的尖子學(xué)員。第二種模式是針對實驗基礎(chǔ)好并有強烈主觀愿望參與實驗的學(xué)員主動提出的具有創(chuàng)新性、研究性的實驗項目，開放實驗室為他們提供一個進一步提高實驗技能的機會，使得他們的科學(xué)研究能力得到訓(xùn)練，為他們以后的專業(yè)學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。學(xué)員在開放的實驗時間內(nèi)做實驗，教員僅起指導(dǎo)和監(jiān)控的作用，對學(xué)員的自我約束力、責(zé)任心、合作精神以及管理能力也是一種培養(yǎng)和鍛煉[6]。

1.5 畢業(yè)設(shè)計與科研相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)員創(chuàng)新潛質(zhì)

實驗室為學(xué)員做畢業(yè)設(shè)計和科研工作提供實驗平臺，主動實現(xiàn)資源共享。多名本科生和研究生利用實驗室開展專項課題研究，開展自主創(chuàng)新的實驗，在非正弦波通信、非平穩(wěn)信號通信理論和認(rèn)知無線電通信領(lǐng)域取得了較大的理論突破和技術(shù)進步。實驗室還為課題組承擔(dān)的國家“863”項目、國家自然科學(xué)基金項目等多項課題提供理論技術(shù)支撐，取得了一批科研成果。

2 大膽實踐，走創(chuàng)新發(fā)展道路

實驗室建設(shè)要符合院校的辦學(xué)規(guī)律和人才成長規(guī)律，在深化教學(xué)改革，培養(yǎng)創(chuàng)新人才的實驗室建設(shè)實踐上要具有一定的創(chuàng)新。總結(jié)實驗室主要創(chuàng)新發(fā)展之處有以下幾點。

2.1 構(gòu)建了綜合性實驗新平臺

實驗室采用虛擬軟件實驗平臺與硬件實驗平臺相結(jié)合優(yōu)勢互補的方式。虛擬軟件實驗平臺的構(gòu)建充分利用3種軟件的不同特點，偏于理論分析的應(yīng)用Matlab，偏于直觀信號分析的應(yīng)用LabVIEW，偏于軟件模塊搭建的應(yīng)用Systemview。硬件實驗平臺采用多功能綜合虛擬儀器與計算機結(jié)合可以替代傳統(tǒng)的示波器、邏輯分析儀和頻譜分析儀的功能，更為直觀、方便、節(jié)省空間，同時也降低了實驗臺的成本?，F(xiàn)代通信技術(shù)實驗箱由模塊化構(gòu)成，可以獨立使用，也可以方便地組合成各種通信系統(tǒng)，同時實驗箱之間還可以通過組合構(gòu)成大的通信系統(tǒng)。軟件無線電平臺的引入可以方便地通過軟件定義的方式產(chǎn)生各種通信信號與調(diào)制方式，可以涵蓋通信系統(tǒng)級與信號級的設(shè)計與實現(xiàn)。自主研發(fā)的信道模擬器可以給實驗平臺和通信實裝方便地提供信道環(huán)境，可以很容易地制造出各種典型信道特性環(huán)境和電磁環(huán)境，能夠模擬的地域跨度非常廣闊，不受氣候條件限制，可隨時進行多次重復(fù)實驗，節(jié)省大量實驗費用[7]。

這種綜合性實驗新平臺的構(gòu)建符合當(dāng)今通信裝備的發(fā)展趨勢，使得學(xué)員和教員可以針對不同情況選擇不同的實驗平臺，很好地解決了實驗室投入有限與保障完成實驗任務(wù)的問題。

2.2 完善了系統(tǒng)化實驗新體系

實驗室軟硬件平臺既相互獨立又是一個有機結(jié)合的整體，可以分開使用，也可以通過靈活的組合配置為多種實驗系統(tǒng)。實驗室可以用軟件實驗平臺進行模擬仿真驗證，也可以通過實驗箱硬件模塊搭建硬件實驗系統(tǒng)，還可以應(yīng)用現(xiàn)役裝備進行實裝演練。實現(xiàn)了從模塊組建到系統(tǒng)分析，從仿真驗證到系統(tǒng)設(shè)計，從理論學(xué)習(xí)到實裝操作，全方位、系統(tǒng)化的實驗新體系。新的實驗體系改變了傳統(tǒng)的固定儀器設(shè)備模式而發(fā)展為按需配置模式，可以根據(jù)實驗需要自由組合，也可以自主開發(fā)一些相關(guān)實驗內(nèi)容，可以方便地實現(xiàn)學(xué)員、教員一些新的想法，鼓勵學(xué)員實現(xiàn)“只有想不到，沒有做不到”的創(chuàng)新體系[8]。

2.3 豐富了多層次實驗新內(nèi)容

實驗內(nèi)容調(diào)整為驗證性、設(shè)計性和創(chuàng)新性實驗3個層次。在實驗配置上，由以往的簡單的硬件模塊的原理性驗證實驗發(fā)展到了軟件仿真、基本硬件模塊實驗、構(gòu)建小的通信系統(tǒng)、通信系統(tǒng)之間的系統(tǒng)以及部隊實裝的操作多個層次，使學(xué)員能夠多層次、全方位、多角度地進行實驗，系統(tǒng)地進行分析和驗證[9]。

在實驗實施上，采用“工程背景—教學(xué)模型—物理模型—實驗配置—特性歸納”的分析思路、“數(shù)學(xué)分析—波形分析—頻譜分析—仿真分析”的分析方法，內(nèi)容安排依照“基礎(chǔ)建立—理論分析—技術(shù)分析—實驗驗證”的次序。

2.4 形成了全面開放的新模式

實驗室的全面開放，是相對于傳統(tǒng)的“封閉式”實驗?zāi)Ｊ蕉岢龅囊环N有利于培養(yǎng)學(xué)員實踐能力和創(chuàng)新能力的新模式。開放包含3個層次:一是教學(xué)時間上的開放，由以往的固定時間的課程實驗發(fā)展到學(xué)員自主預(yù)約實驗和固定課堂實驗相結(jié)合的模式；二是實驗內(nèi)容上的開放，由原理的固定實驗科目發(fā)展到自主設(shè)定實驗內(nèi)容和固定課程實驗相結(jié)合的新模式；三是教學(xué)地點的開放，由以前的固定實驗室內(nèi)教學(xué)發(fā)展到野外通信與實驗室內(nèi)實驗相結(jié)合的模式[10-12]。

3 挖掘潛能，提升實踐效果

經(jīng)過幾年的實踐檢驗，通信原理與系統(tǒng)取得了較好的實踐效果，也受到學(xué)員的歡迎和好評。

(1) 實驗室保障能力提高。通過實驗室硬件平臺和軟件平臺建設(shè)，實驗室除了能保障“通信原理”課程所有實驗項目外，還能為“信息與編碼”“通信技術(shù)”等相關(guān)課程提供實驗平臺。

(2) 學(xué)員實驗興趣增加。實驗室為通信工程等本科學(xué)員及通信與信息系統(tǒng)等研究生提供驗證性、設(shè)計性和創(chuàng)新性實驗，學(xué)員實驗興趣明顯增加。每學(xué)年開設(shè)實驗課達1 800多人時，其中含開放性實驗600多人時。從感覺實驗課單調(diào)乏味沒意思，到自己動腦設(shè)計實驗，主動到實驗室做實驗，有了質(zhì)的變化。

(3) 學(xué)員創(chuàng)新能力得到培養(yǎng)。設(shè)計性、創(chuàng)新性實驗要求學(xué)員用發(fā)散思維、聯(lián)想思維來設(shè)計實驗、驗證實驗方案、得出實驗結(jié)論，教員在實驗中只起輔導(dǎo)答疑作用。學(xué)員通過一系列實驗，充分調(diào)動了學(xué)習(xí)主動性和積極性，增強了學(xué)員的自信心，加深了對理論課程的理解，培養(yǎng)了綜合實驗的能力。教員在通信原理與系統(tǒng)實驗平臺基礎(chǔ)上設(shè)計本科學(xué)員畢業(yè)設(shè)計題目，培養(yǎng)學(xué)員創(chuàng)新能力。學(xué)員利用實驗平臺完成了10多個設(shè)計項目。實驗室主動為科研項目敞開大門，研究生學(xué)員利用實驗室平臺，積極參與科研項目研究，較好地培養(yǎng)了學(xué)員創(chuàng)新能力。

(4) 實驗教學(xué)成果顯著。在實驗室的支持下，我?！巴ㄐ旁怼闭n程被評為海軍院校第八屆優(yōu)秀課程二等獎，“通信原理課程教學(xué)改革的實踐與探索”獲得院校級教學(xué)成果三等獎，“通信原理”課程獲學(xué)院首屆精品課程。該實驗室也作為海軍航空大學(xué)全軍重點實驗室分室之一，所支撐的“通信與信息系統(tǒng)”為全軍和山東省重點學(xué)科。

4 結(jié)語

海軍航空大學(xué)通信原理與系統(tǒng)實驗室，通過多年的建設(shè)與實踐，行成了完備的實驗體系，為通信原理課程改革，以及為培養(yǎng)高素質(zhì)海軍通信專業(yè)軍官發(fā)揮了重要作用，取得了較好的實踐效果。但是通信專業(yè)的發(fā)展日新月異，部隊新的通信裝備和技術(shù)層出不窮，因此實驗室的發(fā)展必將是一個長期的過程，還需要持續(xù)地進行投入和建設(shè)。

References)

[1] 焦瑞莉，南利平，李學(xué)華.基于LabVIEW的通信專業(yè)遠程虛擬實驗室[J].國外電子測量技術(shù)，2005(3):4-7.

[2] 金茜. 多形式開放實驗室，培養(yǎng)學(xué)員創(chuàng)新精神[J].實驗室科學(xué)，2009，12(6):104-105.

[3] 周鐸，賈蘭，趙光，等. 面對大學(xué)生的開放性實驗室建設(shè)的構(gòu)想[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版)， 2017，19(1):136-138.

[4] 袁小平，金鵬，蔣碩，等. 基于LabVIEW的遠程虛擬實驗室建設(shè)與應(yīng)用[J]. 實驗技術(shù)與管理，2016， 33(12):114-116.

[5] 杜柯予，杜紅林，陳昊. 通信原理開放性實驗的實踐與思考[J]. 甘肅科技，2006(2):246-247.

[6] 崔濤，劉海峰，溫剛. 高校實驗室開放教學(xué)模式的研究與探討[J]. 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版)，2009，21(6):118-119.

[7] 賴天華，肖曉華，郄麟. 加大實驗室開放力度，提高學(xué)生實踐能力和創(chuàng)造能力[J]. 實驗室研究與探索，2008，27(5):134-136.

[8] 王會文，肖俊生，邊蕊.加強高校儀器設(shè)備管理 提高儀器設(shè)備利用率[J].實驗室科學(xué)，2015，18(1):196-198.

[9] 武一，周亞同，張雯，等. 通信工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心構(gòu)建及管理[J]. 實驗技術(shù)與管理，2017，34(5):219-210.

[10] 楊萍，楊潮鋒，周明兵.重點實驗室開放共享機制的探索與實踐[J].實驗室科學(xué)，2015， 18(2):141-147.

[11] 周亞同，郝茜茜，王霞，等. 通信工程專業(yè)實驗室建設(shè)與探索[J]. 實驗技術(shù)與管理，2017， 34(3):219-220.

[12] 李強，明艷.專業(yè)實驗室開放模式的探索與實踐[J]. 實驗技術(shù)與管理，2017，34(2):224-225.