通信工程專業開放式虛擬實驗平臺構建

郭曉菲　王雷全

摘要：指出目前高校通信工程專業實驗教學現狀中的問題，闡述將開放式虛擬實驗平臺引入實驗教學的意義，對虛擬實驗平臺的功能特點進行研究與分析，提出基于虛擬實驗室的實驗體系結構，說明結合通信實驗教學的實踐，將虛擬實驗平臺應用于課內實驗教學和課外創新的良好效果。

關鍵詞：開放式；虛擬實驗平臺；實驗體系結構

0、引言

近幾年，隨著高校招生規模的不斷擴大，高校擴招給實驗教學帶來了巨大壓力，導致高校教學資源不足。通信技術的發展和通信系統的復雜性不斷增加，已使傳統實驗教學方法不能滿足新形勢下的教學要求，面臨如下問題。

1）實驗室難以實現真正的開放。

由于通信專業傳統的實驗教學主要依賴費用較高的硬件實驗設備，實驗教學受時間、地點、人力、物力等條件的限制，學校的實驗教學資源難以做到充分有效地利用，使得“開放實驗室”無法實現真正的開放。

2）教學目標難以落實。

在傳統的實驗教學環節中，學生主要根據實驗指導書進行驗證性實驗，學生在實驗課之前無法對理論及實驗設備進行較好地預習，教學目標難以達到，設計性和創新性實驗更是難以開展。

3）常用的仿真軟件缺乏真實性。

雖然Matlab和SystemView是很優秀的仿真建模軟件，多年來在中國石油大學通信專業的實驗教學中，發揮了很大作用，但是由于Matlab和SystemView也有局限性，一般它不能脫離Matlab和SystemView集成環境工作，而且編寫圖形用戶界面的功能比較弱，學生使用這種仿真軟件對通信系統進行模擬時，和實際的系統相比還是有區別的。

針對通信專業實驗教學現狀，學生缺乏學習主動性和創造性等問題，提出將e-Labsim開放式虛擬實驗平臺引入到通信仿真實驗教學中，構建了通信專業的開放虛擬實驗平臺，并嘗試在實驗教學中將Matlab和e-Labsim平臺進行適度的銜接，突破現有的教學模式，探索出一條創新人才培養多元化、多樣化和多變化的實驗教學改革模式。

1、開放式虛擬實驗平臺的特點

實驗教學是培養創新型人才的重要途徑，中國石油大學（華東）“十二五”規劃明確指出：“完善實踐教學體系，統籌校內外實踐教學資源，推動實驗教學資源共享平臺建設和實驗室開放。”為進一步深化實驗教學改革，提升學生的實踐創新能力，根據通信專業人才培養模式的核心，構建了通信專業開放式虛擬實驗教學平臺，其目的是為了在實驗教學中加強對學生創新能力和實踐能力的培養。

e-Labsim虛擬實驗平臺可提供多門課程的實驗仿真，包括通信原理、移動通信、光纖通信等，它主要采用大型仿真軟件所獨有的算法及時序仿真相結合的技術，并應用當今較流行的CSDA網絡架構及軟件框架，通過部署在用戶的服務器上，可以很好地實現實驗資源的開放，給學生搭建起一個隨時隨地學習和創新設計的環境。e-Labsim可模擬真實實驗環境，提供可操作的虛擬實驗儀器，由于e-Labsim獨有的“仿真核”技術，能完整模擬硬件外觀及行為，讓學生從仿真環境到實際的硬件環境能實現“無縫”切換，這應該是e-Labsim完全不同于其它虛擬實驗環境的獨到之處。e-Labsim虛擬實驗平臺的功能布局圖，如圖1所示。

由于通信專業課較多，實驗課時不同，對應實驗內容的深度和難度也不同。所以在構建虛擬實驗室的過程中，要考慮適合于本校通信實驗課程的設置特點，側重通信系統整體實現和局部原理的設計號陛能提高，兼顧不同基礎層次學生的需求，在實驗平臺上提供多樣性、多變性的實驗項目。這就決定了虛擬實驗室應該具備實驗對象多元化，實驗項目可以重組，平臺結構應該開放的特點。

2、基于開放式虛擬實驗平臺的實驗體系結構的構建

經過不斷地實驗教學改革探索與實踐，結合多年實驗教學經驗和虛擬實驗室的功能特點，提出了由基礎型、綜合型、設計型、創新型4個實驗層次構成的實驗體系結構，由淺入深、由易到難，以學生為本、注重創新精神和實踐能力的培養。

（1）基礎型。著重于基礎理論和基本技能的訓練，是創新能力和實踐能力培養的基礎。該類實驗內容是基本的驗證性實驗，學生根據實驗指導書給出的組件連接圖和參數設置，自己動手配置、連接、調試實驗設備，搭建出基本的通信模型，進一步理解基本概念和理論。比如移動通信中的“MSK調制及相干解調”實驗，目的是了解MSK調制解調原理及特性，觀察I、Q兩路基帶信號的特征及與輸入NRZ碼的關系，還有I、Q兩路信號調制解調過程中各信號的變化。該環節重在基礎，面向綜合，在掌握實驗的基本方法、基本知識以及基本操作的基礎上逐步培養學生分析問題、解決問題的能力，為開放性實驗教學打下扎實的基礎。

（2）綜合型。該類實驗內容由若干基礎實驗組合而成，目的是讓學生了解和掌握不同通信系統模型之間的聯系，幫助學生樹立通信系統的概念。比如“GSM通信系統”實驗，就是將正交調制及解調的實驗模塊串起來，讓學生建立起GSM通信系統的概念，了解GSM通信系統的組成及特性，最終完成在虛擬實驗平臺上的系統搭建與仿真，觀察GSM通信系統各部分信號的變化。

（3）設計型。前兩類實驗在實驗指導書中都給出組件連接圖和參數設置，而設計型實驗只給出原理框圖，學生需要運用已學專業基礎理論知識，自己設計組件連接圖，這部分實驗主要用于對學生獨立思考、分析問題、解決問題能力的進一步訓練。該類實驗模式是給學生提出一個問題，不限定解決問題的方法，由學生通過運用所學專業基本概念和基本理論進行思考、分析，提出設計方案并加以實現，進一步熟悉e-Labsim虛擬實驗環境下的復雜系統設計。比如“PSK信號載波恢復”實驗，學生首先要自己查資料了解一下載波提取的方法有哪些，然后自己選擇設計方案，設計組件連接圖，并設計一個相關解調系統作為測試用例，來驗證所設計的載波提取方法的可用性和正確性。endprint

（4）創新型。由于e-Labsim虛擬實驗平臺內置完整的二次開發及創新設計模塊，學生可以方便地進行創新設計，學生設計的功能完全可以替代系統原有的模塊，為提高學生創新實踐的興趣，還可將學生設計的功能模塊融入到e-Labsim平臺的系統實驗中進行驗證。由于該類實驗項目是針對學有余力的優秀學生，幫助其提高創新能力的進一步的訓練，所以應鼓勵他們自主創新，提出若干具有挑戰性的問題，參加一些國內外創新競賽，申請并完成創新基金項目等，比如大學生創新創業訓練計劃和國家大學生創新性實驗計劃項目。

3、開放式虛擬實驗平臺的組織與實施

針對將e-Labsim虛擬實驗平臺引入到通信實驗教學中可能遇到的問題，以及在實驗教學中，如何將課內實驗和課外創新活動結合，以達到最佳效果，根據多年的實驗教學經驗，結合虛擬仿真實驗平臺的特點，給出了以下一套實驗教學改革和創新的具體實施方案。

1）改革實驗內容和方式，提高學生興趣。

通過改革實驗內容和方式，在實驗教學中加強學生創新能力和實踐能力的培養。在現有通信硬件實驗的基礎上，輔以虛擬仿真實驗平臺。其主旨在于指導學生做硬件實驗之前，通過虛擬實驗平臺，采用組件完成實驗系統的建模和仿真，驗證實驗結果，對下一步的硬件實驗起到理論指導作用，避免實驗的盲目性。鼓勵學生參與虛擬實驗室的開發研究工作，在教師的帶領下開展自主學習活動，深入分析通信系統，不斷開發所需新組件，設計相應實驗項目，豐富實驗配套教材，鼓勵學生在通信領域進行研究探索，并以此為契機，組織學生參加大學生創新基金項目和各種競賽等活動，為培養出一批有研究精神，創新能力和視野開闊的通信人才提供平臺。

2）采用多樣化的教學手段，進行輔助教學。

通過多媒體配合虛擬仿真平臺，借助生動的圖像、形象的動畫進行直觀生動地講解，在課堂及時演示課程中的實驗，能真正做到理論和實踐有效結合，讓學生及時明確地了解課程中的底層原理，做到理論實踐一體化教學。借助網絡資源，通過虛擬實驗平臺開展“網上實驗演示”，將傳統的實驗教學模式與基于網絡的開放式實驗教學模式相結合，提高學生的學習自主性，使“學生主動學”成為實驗教學過程中的主要特征。

3）采取開放式互動式教學，提高學生實踐能力。

通過虛擬實驗仿真平臺，學生隨時隨地可登錄網絡實驗課堂，搭建自己的實驗，讓每個學生都擁有自己獨立的實驗室，從而達到實驗室開放的目的。這樣學生做實驗將不再受時間、地點等條件的制約，可根據自身的實際情況，選擇進入虛擬實驗場景或者觀看實驗演示。遇到疑難問題可參考虛擬平臺的提示功能，解決不了的問題可通過通訊模塊求助于教師或同學，教師的主要工作就是對學生進行管理和引導。實驗課后，學生可通過個人電腦自由進入虛擬實驗平臺論壇區交流實驗心得體會。教師對難點進行解答，同時鼓勵學生自行設計綜合型的實驗項目到仿真平臺上驗證并及時給予必要的指導。學生利用虛擬實驗仿真平臺進行學習，可及時預習和鞏固知識，提升實驗的效率，通過創新實驗模塊的開發功能，激發學生自主學習和做實驗的興趣，并能規避硬件實驗中的低級錯誤，從而降低硬件損耗。

4）完善實驗考核方式，客觀評價實驗效果

實驗平臺配備了完整的教學管理系統，通過仿真系統的教師管理端，可以實時掌握學生實驗的結果和學科實驗的進度。實驗前，學生通過仿真平臺對實驗進行預習，并提交預習報告；實驗結束后，學生通過平臺提交實驗數據和實驗報告。教師對學生提交的實驗數據進行分析并對實驗報告進行總結、批閱并評分，客觀評價實驗效果。

4、結語

結合通信工程專業實驗教學現狀，將虛擬實驗平臺引入實驗教學中，不僅激發了學生學習專業課程的興趣，還提高了實驗教學質量，使實驗的安排更加靈活方便且不受時間和空間限制，改革了傳統的實驗教學單一模式，通過實驗教學將創新能力和實踐能力培養貫穿于人才培養的全過程。通過多層次、全方位的實驗室開放的改革與實踐，不斷改進實驗教學在培養學生實踐創新能力方面的缺陷和不足，完善了現有實驗教學體系，使學生積極參與科技創新活動，達到了提高、增強學生科研能力和創新意識的目的，在培養學生的實踐能力和創新能力方面取得了初步成效。endprint