楊會

宿遷學(xué)院信息工程學(xué)院 江蘇宿遷 223800

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)融入社會和生活的各個方面，也為高等教育的發(fā)展帶來了新的挑戰(zhàn)和機遇[1]。教育部提出深入推進信息技術(shù)與高等教育實驗教學(xué)的深度融合，不斷加強高等教育實驗教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)與應(yīng)用，著力提高高等教育實驗教學(xué)質(zhì)量和實踐育人水平[2]。在高校實驗教學(xué)改革和實驗教學(xué)項目信息化建設(shè)的基礎(chǔ)上，開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作，倡導(dǎo)線上+線下混合式教育模式，促進優(yōu)質(zhì)在線課程資源應(yīng)用，提高課堂教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生興趣[3]。

針對新冠疫情對高校教學(xué)造成的不利影響，教育部要求各高校做好“停課不停教、不停學(xué)”組織部署工作，降低疫情對教學(xué)及學(xué)生學(xué)習(xí)的影響[4]。怎樣解決當(dāng)前實驗教學(xué)中存在的實驗?zāi)Ｊ焦潭?、實驗時間受限、實驗設(shè)備與場地利用率不高、學(xué)生不能隨時隨地隨興實驗等問題，各高校都在嘗試探索實驗教學(xué)模式的改革，線上實驗作為實驗教學(xué)改革的重要支撐點，已成為未來高校實驗室建設(shè)和改革的趨勢。

1 通信原理實驗線上+線下混合式教學(xué)模式

通信原理課程作為通信工程、電子信息工程等專業(yè)的核心課程，在課程體系中起著承上啟下的重要作用。該課程理論性、綜合性較強，相關(guān)的理論知識較抽象，因此，作為理論聯(lián)系實踐的實驗課程就顯得尤為重要[5-6]。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生對晦澀難懂的理論知識能夠很好地理解和掌握，采用線上+線下混合式教學(xué)模式對實驗課程教學(xué)進行改革，具體是：首先采用線上仿真平臺對實驗項目進行預(yù)習(xí)，然后線下到實驗室用實驗箱進行實驗操作，最后采用線上仿真平臺對實驗進行補充，流程如圖1所示。

圖1 實驗流程圖

1.1 線上仿真平臺實驗預(yù)習(xí)

當(dāng)前的實驗課大多是學(xué)生直接到實驗室操作實驗箱進行一些驗證性的實驗，有的學(xué)生一無所知就到實驗室進行線下實驗，由于不熟悉相關(guān)的理論知識造成對實驗現(xiàn)象無從解釋的，由于不熟悉儀器操作對儀器誤操作造成損壞的，由于不熟悉實驗步驟導(dǎo)致實驗結(jié)果出不來的比比皆是。因而要求學(xué)生在線下實驗課之前登錄線上仿真平臺完成實驗課的預(yù)習(xí)任務(wù)就很有必要，一方面可以使得學(xué)生在線下課之前了解本次實驗課所涉及的相關(guān)理論知識；另一方面學(xué)生可以提前熟悉實驗箱的各個模塊以及操作方法和操作的注意事項，從而胸有成竹地進行線下實驗箱的操作。

1.2 線下實驗箱實驗操作

線下實驗箱與線上仿真平臺上的實驗項目、實驗?zāi)K、實驗操作、實驗步驟等都是一致的，因此，通過線上仿真平臺的預(yù)習(xí)可以使學(xué)生對所要做的實驗了然于胸，在進行線下實驗箱操作的時候不會慌張錯亂、無從下手，能夠很順利地完成教學(xué)目標(biāo)中要求的驗證性實驗。除此以外，學(xué)生還能夠帶著預(yù)習(xí)中的問題有目的地進行一些實驗探索并自己總結(jié)出一些實驗結(jié)論，從而能有效地反哺理論課中未吃透的概念和定理。

1.3 線上仿真平臺實驗補充

由于實驗學(xué)時的限制，學(xué)生在有限的時間內(nèi)未必能很好地完成相關(guān)的實驗內(nèi)容，而線上仿真平臺具有不受時間、地點、設(shè)備等限制的優(yōu)點，學(xué)生可以隨時隨地地進行實驗，一方面可以補做未完成的實驗內(nèi)容，另一方面可以對已做的實驗數(shù)據(jù)進行再修正和再完善。另外，根據(jù)通信原理課程教學(xué)大綱，實驗學(xué)時一般為12 ～16 學(xué)時，僅僅這些課時對于理解通信原理復(fù)雜而繁冗的理論知識遠遠不夠。例如，在數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)中，筆者僅做了ASK 調(diào)制解調(diào)這個實驗項目，而對于FSK 調(diào)制解調(diào)、PSK 調(diào)制解調(diào)、DPSK 調(diào)制解調(diào)、QPSK 調(diào)制解調(diào)、DQPSK調(diào)制解調(diào)等實驗項目沒有足夠的課時讓學(xué)生逐個完成，但是線上仿真平臺就解決了這一問題，使得對相關(guān)知識感興趣的學(xué)生可以利用線上仿真平臺自己去探索，為學(xué)生的主動學(xué)習(xí)提供了平臺支撐。線上仿真平臺還支持FPGA 以及MATLAB 的二次開發(fā)，內(nèi)置基于FPGA 的二次開發(fā)單元，內(nèi)嵌EP4CE6 處理器、32 MHz 采樣率的8 位AD 和8 位DA 芯片、16個IO，可以通過Verilog HDL、MATLAB 語言編程自主設(shè)計通信系統(tǒng)以及系統(tǒng)中的各個模塊。

2 通信原理實驗線上+線下平臺

2.1 線上實驗平臺的架構(gòu)

線上平臺使用學(xué)校與南京潤眾有限公司共同研發(fā)的“互聯(lián)網(wǎng)+通信技術(shù)在線實驗平臺”，該平臺是基于真實硬件電路的在線實驗平臺，平臺提供的實驗項目都由對應(yīng)的硬件資源實現(xiàn)，而非單純的軟件仿真，實驗系統(tǒng)配置與線下實驗箱相同，用戶的所有操作均映射到可遠程控制的實驗對象和測量儀器上。該在線實驗平臺由硬件平臺和軟件平臺兩部分組成。

2.1.1 硬件平臺架構(gòu)

硬件平臺采用3U 標(biāo)準(zhǔn)機箱式結(jié)構(gòu)，由在線實驗板卡、機箱、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機和機柜等組成，如圖2所示。

圖2 硬件平臺架構(gòu)

在線實驗板卡是整個硬件系統(tǒng)的核心部分，由實驗電路、智能儀表、數(shù)據(jù)采集卡、網(wǎng)絡(luò)傳輸組成。實驗電路與RZ9681 型現(xiàn)代通信技術(shù)實驗箱內(nèi)的實驗?zāi)K是一樣的，所能完成的實驗與線下實驗箱也是一致的；智能儀表是用來實現(xiàn)線下實驗中信號源、穩(wěn)壓源、萬用表、示波器、邏輯分析儀、誤碼儀等儀器儀表的功能；數(shù)據(jù)采集卡是用來采集硬件操作完成后得到的實驗數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸部分上傳至服務(wù)器。

在線實驗板卡裝配于3U 標(biāo)準(zhǔn)機箱中，每個機箱可內(nèi)置20 個在線實驗板卡，機箱安裝于機柜中，機箱之間可以進行級聯(lián)。服務(wù)器承載整個“互聯(lián)網(wǎng)+通信技術(shù)在線平臺”的管理與服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)交換機用于整個“互聯(lián)網(wǎng)+通信技術(shù)在線平臺”的網(wǎng)絡(luò)通信與交換，機柜用于安裝3U 的機箱、服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)交換機等設(shè)備。

2.1.2 軟件平臺架構(gòu)

軟件平臺基于B/S（瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)，由服務(wù)端網(wǎng)管平臺和客戶端實驗平臺兩部分組成，通過校園網(wǎng)或者互聯(lián)網(wǎng)進行互聯(lián)互通，在線實驗平臺的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。該平臺在服務(wù)端網(wǎng)管平臺和客戶端實驗平臺的支持下，能夠?qū)崿F(xiàn)在客戶端瀏覽器上實時搭建和控制硬件電路，配置實驗電路激勵參數(shù)，選擇測試點，實現(xiàn)虛擬儀器實時測量實驗數(shù)據(jù)。

圖3 在線實驗平臺網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

網(wǎng)管平臺是互聯(lián)網(wǎng)+實體實驗的保證，用戶類型分為教師用戶和學(xué)生用戶。教師用戶分為管理教師與普通教師；管理教師可以管理遠程虛實一體實驗室的一切日常事務(wù)，包括用戶管理、課程管理、實驗室配置、實驗內(nèi)容編輯、實驗時間安排、公告管理等功能；普通教師可以發(fā)布管理公告（APP）、設(shè)置學(xué)生實驗權(quán)限（APP）、輔導(dǎo)學(xué)生實驗（APP）、批改實驗報告；學(xué)生用戶能夠預(yù)約實驗時間、調(diào)閱實驗課件、進行實驗操作、實驗結(jié)果測試、上傳實驗報告和查看成績。

實驗平臺是基于瀏覽器設(shè)計的，當(dāng)用戶點擊進入實體操作實驗時，系統(tǒng)會自動分配給用戶硬件資源，當(dāng)用戶通過瀏覽器運行提供的實驗軟件時，軟件會連接服務(wù)器，服務(wù)器通過記錄的IP 地址判斷連接用戶身份，用戶在客戶端的操作會直接發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器判斷用戶身份后轉(zhuǎn)發(fā)給對應(yīng)的實驗平臺，實驗平臺將測量數(shù)據(jù)實時發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器會根據(jù)保存的設(shè)備使用記錄將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給對應(yīng)的客戶端。

2.2 線下實驗平臺

線下平臺使用南京潤眾有限公司研發(fā)的RZ9681型現(xiàn)代通信技術(shù)實驗平臺，如圖4所示。該平臺是為適應(yīng)當(dāng)前通信理論教學(xué)及實驗教學(xué)的發(fā)展趨勢，精心研發(fā)的新一代現(xiàn)代通信技術(shù)實驗平臺。該平臺不僅具備完成常規(guī)實驗的功能，還結(jié)合了當(dāng)前教學(xué)技術(shù)發(fā)展的幾大趨勢，即：實驗教學(xué)的工程化、實驗設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化、課堂教學(xué)的智能化。系統(tǒng)具備方便的軟硬件升級功能及二次開發(fā)功能，可以方便地解決高校在購買實驗設(shè)備后進行實驗內(nèi)容的擴展及升級的問題。

圖4 RZ9681 型現(xiàn)代通信技術(shù)實驗平臺

在使用該平臺進行實驗課程開展時，擺脫了早期實驗內(nèi)容設(shè)置單調(diào)，僅僅是完成實驗連線，然后測量波形的這種模式。在RZ9681 型實驗平臺上完成實驗時，按照理論預(yù)習(xí)、實驗交互、課堂測評、二次開發(fā)的流程進行實驗。

1）理論預(yù)習(xí)。實驗箱系統(tǒng)自帶交互式預(yù)習(xí)系統(tǒng)，通過實驗框圖、文字說明、理論波形等內(nèi)容，結(jié)合配套的實驗教材，完成對當(dāng)前課時實驗理論的預(yù)習(xí)。

2）實驗交互。在進行實驗時，結(jié)合形象化的實驗框圖，可以選擇性地控制各個模塊的時鐘，測量點輸出的數(shù)據(jù)等內(nèi)容，將實驗過程的中間測量點展現(xiàn)出來，方便學(xué)生對實驗理論的理解。

3）課堂測評。通過配套的手機APP 軟件，教師可以在學(xué)生進行實驗時，對實驗系統(tǒng)進行一定的加錯設(shè)置，學(xué)生根據(jù)自己的理解，判斷錯誤并糾正錯誤。

4）二次開發(fā)。實驗?zāi)K具備網(wǎng)絡(luò)加載的功能，可以方便地完成二次開發(fā)，擺脫了早期二次開發(fā)連接下載器的模式，并且系統(tǒng)具備斷電恢復(fù)功能，二次開發(fā)不會對系統(tǒng)造成影響。

3 通信原理實驗線上+線下混合式教學(xué)案例

3.1 線上平臺抽樣定理實驗

抽樣定理是通信原理中最基礎(chǔ)的理論知識，學(xué)生在學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容時，大多數(shù)只記住了抽樣信號的頻率是原始信號頻率的2 倍，但是為什么就不甚了解了，因此，教師有必要通過更形象的手段從時域、頻域來對這一定理進行更深入的分析和講解。我們就以抽樣定理這一實驗項目為例，對線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式進行詳細的講述。

抽樣定理線上仿真平臺的實驗框圖如圖5所示，A2 單元完成信號抽樣，A7 單元完成信號恢復(fù)，模擬信號和抽樣脈沖由信號源產(chǎn)生，信號波形、頻率、幅度均可調(diào)節(jié)，抽樣脈沖頻率和占空比可調(diào)節(jié)，恢復(fù)濾波器帶寬可設(shè)置。

圖5 抽樣定理實驗框圖

我們選擇不會發(fā)生頻譜混疊的抽樣過程，設(shè)置模擬信號為正弦波信號、頻率為2 kHz、幅值為30，抽樣信號的頻率是8 kHz，占空比是1/2，恢復(fù)濾波器的截至頻率是3 kHz，經(jīng)過線上仿真實驗可以通過示波器觀測得到時域的波形，如圖6所示，以及頻域的波形如圖7所示。

圖6 抽樣定理時域波形圖

圖7 抽樣定理頻域波形圖

圖6 中，1 通道是原始模擬信號，2 通道是抽樣脈沖信號，3 通道是抽樣后信號，4 通道是抽樣恢復(fù)信號，波形結(jié)果表明滿足抽樣定理，故可以無失真的恢復(fù)原模擬信號。圖7 中左上圖是模擬信號的頻譜，右上是抽樣信號的頻譜，左下是抽樣后信號的頻譜，右下是抽樣恢復(fù)信號的頻譜，從波形結(jié)果可以看出，抽樣的過程就是對原模擬信號頻譜搬移至抽樣信號頻譜兩側(cè)的過程。

通過抽樣定理實驗，學(xué)生能夠分別從時域和頻域分析和理解奈奎斯特抽樣定理的內(nèi)容，另外通過線上仿真平臺還可以幫助學(xué)生理解理想抽樣定理和實際抽樣的差別，理解抽樣信號頻率，脈寬（占空比）對恢復(fù)信號的影響，掌握自然抽樣、平頂抽樣特性，理解低通濾波器幅頻特性對恢復(fù)信號的影響，了解混疊效應(yīng)產(chǎn)生的原理等。

3.2 線下平臺抽樣定理實驗

經(jīng)過線上仿真平臺預(yù)習(xí)以后，學(xué)生帶著問題到實驗室采用線下實驗箱完成抽樣定理實驗，實驗過程如圖8所示。打開實驗箱和示波器，找到抽樣定理實驗項目，連接導(dǎo)線和探頭，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，調(diào)節(jié)示波器顯示界面，得到的波形結(jié)果如圖9所示。

圖8 線下平臺實驗過程

圖9 波形結(jié)果

圖9 中，1 通道是原始模擬信號，2 通道是抽樣脈沖信號，3 通道是抽樣后信號，4 通道是抽樣恢復(fù)信號，從波形結(jié)果可以看出與線上仿真平臺的波形結(jié)果是一致的，因此，線上平臺作為線下平臺的預(yù)習(xí)和補充是可行的。另外，由于線下平臺中示波器對于頻域觀測結(jié)果不是特別理想，而線上平臺正好對線下平臺的這一缺憾作了補充，可以從頻域上對抽樣定理的概念進行分析，又加深了學(xué)生對這一抽象概念的理解。

4 結(jié)束語

通信原理實驗采用線上虛擬仿真與線下實驗箱相結(jié)合的教學(xué)形式，采用線上仿真平臺預(yù)習(xí)—線下實驗箱操作—線上仿真平臺補充的教學(xué)模式，解決了單純實驗箱教學(xué)的單一性和不完善性問題，使枯燥無味的實驗課變得更加生動有趣，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，豐富了實驗課的教學(xué)資源，拓展了實驗課教師的教學(xué)手段。經(jīng)過幾輪通信原理實驗課程教學(xué)，學(xué)生反響不錯，使得在疫情防控期間非但沒有影響實驗課的教學(xué)，還取得了明顯的效果。