虛擬實驗室在電子信息類課程教學中的應用

摘 要：文章以通信原理課程為例，從虛擬實驗室的內涵與應用現狀出發，系統地闡述了通信原理課程虛擬實驗平臺的創建路徑。

關鍵詞：虛擬實驗室；通信原理；電子信息

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2014）10-0027-02

在眾多理工科高等院校中，電子信息類學科專業人才培養要求學生具有電子信息領域較寬的專業基礎理論知識，并具有較強的實踐技能和一定的工程意識及創新意識，具備分析問題、解決問題的能力以及計算機應用能力。在課程設置方面，除了必修的專業基礎課程之外，還有高頻電子線路、通信原理、數字信號處理、電磁場與電磁波、信息理論與編碼等專業課程，相應的課程內容比較抽象，學生難以理解和掌握。

以通信原理課程為例，該門課程是高校電子信息類學科專業的必修主干課程。理論教學著眼于通信系統基本概念的講解，其教材內容理論分析嚴謹，涉及概率統計和信號變換的相關知識，邏輯性較強，學生比較難以理解[1-2]，因此，必須輔之以實踐環節來加深對通信理論的理解。傳統的做法是借助于實驗箱、示波器、信號測試儀等硬件實驗設備來完成，實驗項目大多是由固化在實驗箱里的程序來完成的，而且項目有限，若要增加新的實驗內容，則需重新購買實驗模塊。學生在做實驗的過程中，按部就班地按實驗步驟操作，觀察固定的實驗結果。這樣一成不變的實驗模式，忽略了對學生創造力的培養。針對上述教學過程存在的問題，提出了建立“虛擬通信實驗室”的構想，既可以讓學生自己設計通信系統來仿真，也可將系統仿真模型應用到課堂教學中，直觀地在課堂上演示仿真的過程，提高教學效果。

一、虛擬實驗室的內涵與應用現狀

虛擬實驗室是指由計算機網絡技術、計算機仿真技術和虛擬儀器技術等綜合生成的實驗系統，可通過軟件編程來模擬實際儀器，在計算機上虛擬出各種功能的實驗儀器（例如：函數發生器、示波器、萬用表等），用戶也可以根據需要自己設計和定義各種儀器[3]。實驗人員可以像在實際環境中一樣完成各個實驗項目，所獲得實驗效果甚至比在真實環境中所取得的還要好。

在國外，虛擬實驗室的應用已十分普及。作為最早提出虛擬實驗室概念的美國，從一開始就十分重視虛擬實驗室的研究與開發，在很多大學里的普及應用也非常廣泛。其中，麻省理工學院于1998年開發了網絡遠程實驗室并投入使用，它提供了微電子學、電路設計兩門課程的實驗教學，學生可以在個人電腦上設計各種電路模型，然后通過測試設備來獲取測試數據，驗證自己的設計。美國的另一所大學俄勒岡大學物理系開發了物理實驗網站，在網站上創建了力學、熱學、天體物理及能量與環境等幾十種虛擬實驗。

近年來，國內有很多高校都根據各自的科研和教學現狀創建了一些虛擬實驗室。中國科技大學研究并開發了幾何光學設計實驗平臺、物理仿真實驗軟件及大學物理虛擬實驗教學系統；浙江大學以VRML為基礎開發虛擬實驗環境，創建了基于Web的虛擬化學實驗系統，并實現了虛擬實驗環境中的人機交互；同濟大學則建成了虛擬現實實驗室，可對建筑景觀和結構來實現虛擬仿真。

二、通信原理課程虛擬實驗平臺的創建

LabVIEW是一種圖形化的虛擬儀器開發環境，使用圖形化編輯語言G編寫程序，產生的程序是框圖的形式。它將軟件和各種不同的測量儀器硬件和計算機集成在一起，建立虛擬儀器系統[4]。在通信原理虛擬實驗平臺的創建過程中，需要利用高效靈活的虛擬儀器仿真軟件LabVIEW來完成各種測試。

（一）優化教學內容，為理論教學創建輔助平臺

在教學輔助系統使用的過程中，以學生為主體，教師起指導作用。教師負責創設學習的資源和協作學習的環境。課題組選取合適的教學演示模塊是教學成功的關鍵，必須是學生感興趣的且能夠讓學生直觀、易懂的。教學演示模塊既要和教學內容緊密結合，又要能夠調動學生學習的積極性，且由易到難地逐步漸進，同時又要有一定的設計空間，讓學生能運用學過的虛擬儀器知識在已有教學演示模塊的基礎上創造發揮，擴展其功能。

（二）改革教學方法，分階段實施輔助平臺教學

將虛擬平臺輔助教學法融入通信原理課程的教學過程，具體實施步驟如下。

第一階段，系統建模。結合通信原理的基礎理論知識，對課堂講授的內容進行總體規劃，在虛擬儀器工作平臺上緊密聯系教學內容，并采用層次化的設計方法進行總體架構的建模。通信原理的課程教學主要圍繞模擬通信系統和數字通信系統兩大類展開討論，而兩類系統中各自也涉及了多個章節的理論內容。以數字通信系統為例，總體上包括了信源的模數轉換、數字調制與解調、同步技術、糾錯編碼及信道噪聲等多個模塊，而每個模塊又涉及不同的理論章節，可進一步細化為不同形式的子模塊。例如：數字調制模塊可以分為振幅鍵控（ASK）、頻率鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）等調制方式，每種調制方式分別對應一個子模塊。

第二階段，系統設計。根據系統的功能要求，利用虛擬儀器技術，采用模塊化的設計方法，按層次設計系統的模型和用戶界面。在設計過程中，將信號源控件、信號處理控件和信號顯示控件等與用戶交互的空間嵌入到系統的總體框圖中，緊密聯系課程教學內容，編寫程序框圖，完成相應前面板界面的設計，使得類似的信號波形可以在同一個顯示控件中顯示[5]。

例如：在數字通信系統中，采用QDPSK的方式對信道編碼產生的數字信號進行載波調制，在設計相應的調制模塊的過程中，采用虛擬儀器平臺軟件Labview來構建QDPSK調制軟件包。針對QDPSK調制過程中的各個模塊建立了有四進制基帶信號生成子模塊、抽樣判決子模塊、門電路子模塊、信道子模塊、2PSK調制子模塊、2DPSK調制子模塊等相應的子VI，最后進行QDPSK調制系統的頂層設計，通過仿真結果來驗證系統的合理性及功能[6]。

第三階段，系統應用。在虛擬儀器的工作平臺上，通過前面板的設計和程序框圖的編寫，建立通信原理教學輔助系統，將其應用于課堂教學，使學生能夠了解各類通信系統的工作過程，直觀地看到通信信號的時域波形和頻域功率譜等，從而加深了學生的感性認識和興趣。教師在教學過程中引導學生自主學習和操作，讓學生通過自己動手操作的過程體會到一個通信系統模型的建立從開始設計到最后實現過程中所遇到的各種問題，加深學生對書本理論知識的認知并提高學生處理問題的能力，激發學生的學習主動性，促使學生按計劃完成學習任務，從而達到既定的教學目標。endprint

（三）加強實踐教學環節，增加實驗教學的靈活性

通信原理課程的教材內容理論性偏強，學生比較難于理解，通過更新完善實踐教學環節，增加實驗教學的靈活性，讓學生帶著問題學，加深學生對書本知識的理解。

該門課程的實驗主要包括基礎驗證性、設計性和綜合性實驗等。基礎驗證性實驗部分包括模擬和數字調制兩大類。其中，模擬調制部分主要有幅度調制（AM調幅調制與解調、DSB調制與解調、SSB調制與解調）和頻率調制（FM調制與解調）兩種方式；數字調制部分主要有振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）三種方式。

在不改變課程實驗學時的基礎上，課程組教師對通信原理課程的實驗大綱進行了調整，減少了驗證性實驗的學時，增加了相應的綜合性實驗的學時。對修訂后的實驗大綱的實施具體方案有如下幾點。

第一，對于基礎驗證性實驗，可安排在相應的理論課教學結束后進行，讓學生“趁熱打鐵”，加深對理論知識的印象。鼓勵學生利用課余時間對實驗內容進行預習，設計前面板、編寫程序框圖并進行仿真，而在實驗課上進行相關的硬件實驗和軟件仿真調試。

第二，將部分基礎驗證性實驗和綜合性實驗相結合，通過綜合性實驗的開展來鞏固加深對基礎驗證性實驗內容的理解，這樣不僅可減少基礎驗證性實驗單獨開設的學時，還可以讓學生將多個基礎驗證性實驗綜合應用，從而提高學生從總體上把握通信系統實驗操作的能力。

第三，增加實驗教學的靈活性。除了用實驗箱做硬件實驗、用LabVIEW等軟件平臺做虛擬實驗之外，還可以安排學生到電子設計自動化（EDA）實驗室做設計性實驗。通過融合實驗箱硬件平臺、EDA軟件設計平臺和計算機仿真平臺，充分發揮各類實驗平臺的優點，提高實驗效果[7]。

以通信原理課程為例，在電子信息類專業課程的教學過程中引入“虛擬實驗室”作為輔助手段，是在新形勢下對該門課程的教學改革實踐的嘗試，既可以將設計好的系統仿真模型應用到課堂教學中，直觀地在課堂上演示仿真過程，也可以讓學生自己設計通信系統來進行仿真實驗，增加實驗教學的靈活性，提高學生學習的自覺性和主動性，收到較好的教學效果。

參考文獻：

[1]樊昌信.通信原理：第6版[M].北京：國防工業出版社，

2011：221-225.

[2]朱向慶，曾輝，陳志雄.通信原理課程教學改革的探索與

實踐[J].黑龍江教育：高教研究與評估，2011，（1）.

[3]張重雄.虛擬儀器技術分析與設計[M].北京：電子工業

出版社，2007：214-218.

[4]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW8.20程序設計[M].北京：清華

大學出版社，2007：102-123.

[5]劉保慶，張志平.基于虛擬儀器的通信原理實驗系統

[J].價值工程，2011，（4）.

[6]尹曉琦.基于虛擬儀器的QDPSK調制系統的模塊化設計

[J].電測與儀表，2010，（12）.

[7]車仁信，冀勇鋼.基于FPGA的數字相位調制系統的設計

與實現[J].大連交通大學學報，2009，（2）.endprint