孫豪 梁瑞 王國林

摘要：傳統(tǒng)的“實(shí)驗(yàn)箱”式教學(xué)存在著成本昂貴，以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)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(tái)”以后，可以大大降低實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)界面，借助它完備的器件模型庫，設(shè)計(jì)并實(shí)施滿足教學(xué)大綱要求的典型實(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新能力，而且促進(jìn)了企業(yè)與學(xué)校、企業(yè)與學(xué)生之間的相互認(rèn)識(shí)與相互交流，為三方今后的進(jìn)一步互動(dòng)打下堅(jiān)實(shí)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(tái);移動(dòng)通信;實(shí)驗(yàn)教學(xué);學(xué)生中心;產(chǎn)出導(dǎo)向

中圖分類號(hào)：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）28-0266-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)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?；谠摾砟畹目陀^影響，本校不斷推進(jìn)“應(yīng)用型”人才培養(yǎng)模式的研究、建設(shè)與改進(jìn)，因而為移動(dòng)通信這門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提出了新的問題和新的挑戰(zhàn)。

移動(dòng)通信是一門理論性、實(shí)踐性、技術(shù)性很強(qiáng)，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(dòng)通信系統(tǒng)，能夠應(yīng)用移動(dòng)通信的原理與技術(shù)分析闡述常見移動(dòng)通信方式中信息傳輸?shù)陌l(fā)送與接收原理，為移動(dòng)通信系統(tǒng)的管理、維護(hù)、研究和開發(fā)打下必要的理論基礎(chǔ)和技能。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是移動(dòng)通信課程教學(xué)過程中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。學(xué)生首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案動(dòng)手構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，接著安全地開展實(shí)驗(yàn)、正確地采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、得到合理有效的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最后分析實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(tuán)隊(duì)合作能力[1]。但是，傳統(tǒng)的“實(shí)驗(yàn)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(shí)仍存在著許多難以克服的問題。因而，利用虛擬仿真平臺(tái)這種全新的教學(xué)手段，進(jìn)行移動(dòng)通信課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，踐行“以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向”，最終推進(jìn)本?！皯?yīng)用型”人才的培養(yǎng)，這是一項(xiàng)有意義的、有挑戰(zhàn)性的研究。

2 利用“虛擬仿真平臺(tái)”進(jìn)行移動(dòng)通信課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢

計(jì)算機(jī)、多媒體和人機(jī)交互等技術(shù)的高速發(fā)展帶動(dòng)了虛擬仿真技術(shù)的不斷進(jìn)步，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)也逐漸地廣泛應(yīng)用于很多高等院校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，它現(xiàn)在已經(jīng)成為教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種重要的教學(xué)方式[2]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以通過構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)對象和實(shí)驗(yàn)元件，讓學(xué)生更容易理解教學(xué)情境，更方便地開展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)[3]。在移動(dòng)通信課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，利用“虛擬仿真平臺(tái)”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，具有以下三個(gè)方面的優(yōu)勢：

2.1 大大降低實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的成本

傳統(tǒng)的“實(shí)驗(yàn)箱”式教學(xué)均需要購買費(fèi)用高昂的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，如果再考慮到設(shè)備的先進(jìn)性、精密性與品牌效應(yīng)，即使少量購買，這也是一筆難以負(fù)擔(dān)的巨額成本。

引入“虛擬仿真平臺(tái)”以后，除去必要的平臺(tái)運(yùn)行與維護(hù)的開銷，移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中，這樣既可以大大節(jié)省用于采購該課程實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)備的資金，又可以輔助其他相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過程，從而大大減少實(shí)驗(yàn)室建設(shè)周期，為學(xué)校降低實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)

目前，大多數(shù)高校使用的“實(shí)驗(yàn)箱”式教學(xué)仍然是以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，這對學(xué)生的知識(shí)掌握、能力培養(yǎng)均具有一定的局限性。首先，“實(shí)驗(yàn)箱”式教學(xué)僅能滿足對基本原理的驗(yàn)證，如移動(dòng)通信技術(shù)中的調(diào)制和解調(diào)，擴(kuò)頻與解擴(kuò)等，但與實(shí)際生活中由手機(jī)、基站、移動(dòng)交換機(jī)等構(gòu)建的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差距較大[4]。其次，“實(shí)驗(yàn)箱”式教學(xué)往往將多個(gè)系統(tǒng)模塊集成在一起，學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)只需要進(jìn)行簡單的連線操作，就直接進(jìn)入到觀察并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果這一步驟，導(dǎo)致許多信號(hào)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(shí)驗(yàn)箱”式教學(xué)設(shè)計(jì)電路圖固定，連線固定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也基本相差不大，學(xué)生只是按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的操作步驟逐步驗(yàn)證，沒有培養(yǎng)足夠的創(chuàng)新意識(shí)和解決問題的綜合能力。

引入“虛擬仿真平臺(tái)”以后，教師和學(xué)生的實(shí)驗(yàn)自主性均大大增強(qiáng)[6]。教師既可以使用現(xiàn)有的器材模型構(gòu)建課程實(shí)驗(yàn)大綱要求的典型實(shí)驗(yàn)，也可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況靈活設(shè)計(jì)個(gè)性化的典型實(shí)驗(yàn);學(xué)生更可以根據(jù)各自的創(chuàng)意去構(gòu)思、驗(yàn)證各種個(gè)性化的設(shè)計(jì)方案，自主完成實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)

移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的顯著特點(diǎn)之一就是更新速度非?？欤潭?0多年的時(shí)間，移動(dòng)通信系統(tǒng)就已經(jīng)發(fā)展到了第五代。而傳統(tǒng)的“實(shí)驗(yàn)箱”式教學(xué)所采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備只能限定于某型號(hào)、某代移動(dòng)通信產(chǎn)品，學(xué)生利用其培養(yǎng)出來的實(shí)驗(yàn)?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(tái)”以后，創(chuàng)造性實(shí)驗(yàn)的導(dǎo)向性得到了明顯的加強(qiáng)。以移動(dòng)通信課程為例，學(xué)?？梢越柚@個(gè)平臺(tái)，利用產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目與有意向的通信技術(shù)企業(yè)進(jìn)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(shí)驗(yàn)。這樣學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)的過程中既鍛煉了綜合性實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，又進(jìn)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(dòng)通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)在“虛擬仿真平臺(tái)”上的具體建設(shè)內(nèi)容

為了更好地發(fā)揮“虛擬仿真平臺(tái)”在移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用，需要從以下四個(gè)方面進(jìn)行建設(shè)：

3.1 實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)界面

實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)界面共分為六大部分，各部分應(yīng)實(shí)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(tái)進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(gè)器件模型庫中具體包含的模塊如下表3所示：

3.4 典型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(gè)典型實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)施，可圓滿實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱的要求。

教師在進(jìn)行虛擬仿真平臺(tái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)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(tái)”來進(jìn)行移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全過程：

1）教師給出典型實(shí)驗(yàn)題目

教師可結(jié)合線上教學(xué)實(shí)踐，通過網(wǎng)上教學(xué)平臺(tái)、QQ軟件等方式向?qū)W生發(fā)布某個(gè)實(shí)驗(yàn)題目，明確學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

2）實(shí)驗(yàn)實(shí)施階段

實(shí)驗(yàn)實(shí)施階段可分為三個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)：

A.實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段

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

本人今年所帶的移動(dòng)通信課程有28名同學(xué)選修，因而可以將學(xué)生分為7個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過程。

當(dāng)學(xué)生獲悉實(shí)驗(yàn)題目以后，學(xué)生應(yīng)提前查閱相關(guān)文獻(xiàn)，復(fù)習(xí)教材或在課上學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中的相應(yīng)知識(shí)來掌握本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理。

B.實(shí)驗(yàn)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(jì)實(shí)驗(yàn)方案，自主選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)元件/模塊構(gòu)建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也可以直接參考實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶床襟E完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。本人強(qiáng)烈建議每組學(xué)生應(yīng)至少有一次以上自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?jīng)歷。

C.實(shí)驗(yàn)過程評價(jià)階段

在這一階段，教師應(yīng)隨時(shí)關(guān)注每組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，積極解決學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的各種問題，保證每組學(xué)生均順利完成實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，教師應(yīng)盡可能多關(guān)注、多指導(dǎo)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶W(xué)生，確保他們順利實(shí)現(xiàn)自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。

3）教師總結(jié)

教師通過每組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫情況進(jìn)行評分，并從總體上總結(jié)該次實(shí)驗(yàn)的成功經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長，促進(jìn)師生共同發(fā)展，共同進(jìn)步。

4 結(jié)束語

綜上所述，引入“虛擬仿真平臺(tái)”以后，移動(dòng)通信課程的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)可以節(jié)省大量的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，為學(xué)校節(jié)省了資金投入;可以進(jìn)一步實(shí)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(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新能力;另一方面也為相關(guān)企業(yè)提供了一個(gè)良好的切入點(diǎn)，促進(jìn)了企業(yè)與學(xué)校、企業(yè)與學(xué)生之間的相互認(rèn)識(shí)與相互交流，為三方今后的進(jìn)一步互動(dòng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本人希望“虛擬仿真平臺(tái)”不但成功應(yīng)用于移動(dòng)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。

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【通聯(lián)編輯：梁書】