虛擬仿真技術及其在《光纖通信》課程實驗教學中應用的探索與實踐

成建平 李飛 沈建華

【摘要】虛擬仿真技術是實踐教學改革的重要發展方向之一。針對電子信息類專業人才培養需求，結合南京郵電大學《光纖通信》課程教學實踐，討論了基于虛擬仿真技術的實驗教學及其實踐。

【關鍵詞】虛擬仿真 實驗教學 電子信息 光纖通信

【Abstract】Virtual simulation technology is one of the most important development directions for experimental teaching mode. Focusing on Electronic Information Engineering Personnel Cultivation， this paper proposes the exploration and practice of virtual simulation experimental teaching for Optical Fiber Communication course in NJUPT.

【Keywords】Virtual Simulation； Experimental Teaching； Electronic and Information Specific； Optical Fiber Communication

【基金項目】江蘇高校品牌專業建設工程資助項目（TAPP：PZ00215001），“十二五”國家級虛擬仿真實驗中心建設項目，南京郵電大學教學改革重點課題（JG00215JX01，JG00215JX54）。

【中圖分類號】G482 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）09-0254-02

1.引言

電子信息產業已經是我國國民經濟第一大產業，同時也是當前國際間新一輪產業競爭和搶占經濟科技制高點的戰略先導領域[1][2]。電子信息技術的不斷進步和突破，對高校電子信息類專業人才培養提出了新的需求：必須進一步加大力度培養全面掌握電子信息技術和經過充分訓練的創新型人才，以適應行業發展和區域經濟發展的迫切需要。

《光纖通信》是通信工程、電子信息工程、光電科學與技術等多個電子信息類專業的核心專業課之一。隨著技術的進步和教學內容的更新，傳統的以實驗箱為主的實驗實踐教學模式已經無法滿足需要，而依托真實系統設備建設實驗室也面臨著投入巨大和更新頻繁等挑戰。因此，引入虛擬仿真實驗技術并依托包括虛擬現實、多媒體和通信網絡等手段，構建虛擬實驗環境和實驗對象，不僅可以以較低的成本開展實驗，達到教學大綱所要求的教學效果。同時，也為實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能，特別是在一些不可及或不可逆的實驗環節提供了可靠、安全和經濟的實驗手段[3]。

2.虛擬仿真實驗教學特點

隨著技術的不斷發展和教學內容的深化，采用傳統實驗實踐教學模式日益受到局限，引入虛擬仿真技術手段可以更好地推動信息化條件下學生的自主學習、探究學習、協作學習等實驗教學方法的改革，也為教師提高教學能力、豐富教學內容、拓展實驗內容提供了良好的手段。另一方面，現代電子信息系統多為大型復雜系統，成本高且難以進行二次開發，虛擬仿真實驗教學具有諸多優點：

（1）實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能。以《光纖通信》課程為例，光纖傳輸參數中損耗系數的基準測量方法為剪斷法，測試中需要對光纖進行多次剪斷，在大規模實驗中受到許多條件的制約。而虛擬仿真技術可以模擬近似真實的光纖線路，構造虛擬剪斷測試點，這樣不僅可以不受有限的硬件資源限制，同時也可以獲得近似真實環境下的實驗結果和數據。

（2）有效解決傳統實驗教學模式中存在的高成本和高消耗等缺點。傳統的光纖通信系統性能實驗教學環節中，需要有完整的多個節點組成的真實系統，同時還要配置包括傳輸分析儀、信號發生器、光譜分析儀及網絡分析儀等貴重測試儀器，成本極高且對操作者的要求也很高。引入虛擬仿真技術開展實驗，有效地解決了制約實驗教學的初次投入問題。

（3）開發現階段技術條件不具備或無法實現的實驗教學功能。當前光纖通信已經進入100Gbit/s時代，而400Gbit/s乃至更高傳輸速率的系統也已在開發中，如此高的傳輸速率使得現階段開發包括調制、編碼、解調、接收等實驗裝置都非常困難，這也催生了只有依靠虛擬仿真技術才能開展相關的教學活動。

（4）拓展實踐教學開展模式和促進終身學習。以大規模在線開放課程（MOOC）為代表的在線教學已經成為當前高等教育界普遍關注的熱點話題。傳統的實踐教學要求學生必須到實驗室現場完成教學活動，而虛擬仿真技術的引入可以在很大程度上改變這一格局。隨著包括智能手機和平板電腦等終端的普及，未來將會有更多的實踐教學環節可以通過網絡遠程實現，這也為繼續教育和終身學習提供了有益的渠道。

3.《光纖通信》課程虛擬仿真實驗教學探索與實踐

南京郵電大學是一所以信息通信為主要特色的工科高校，《光纖通信》是我校多個電子信息類專業的核心專業課，具有較長時間的教學積累，也建設了包括SDH傳輸系統和PON接入網在內的硬件實驗環境。依托國家級虛擬仿真實驗中心和優勢學科等專項支持，我們設計了多層次的光纖通信虛擬仿真實驗平臺，針對實驗教學需要提供了三個層次的虛擬仿真實驗內容：

（1）光纖基礎仿真實驗環境：主要包含了對光纖物理、光學、傳輸等多個參數約30000個不同配置實例的測試環境，可以實現對光纖模場直徑、損耗系數、色散系數、偏振模色散等諸多參數的模擬測試。

（2）光纖通信系統和網絡測試仿真實驗環境：主要包含了光纖通信系統和網絡的誤碼、抖動、光接口、漂移等系統級參數約2000個測試配置實例，可以實現對于完整的光通信網絡的系統級模擬測試。

（3）光纖通信系統底層及協議仿真實驗環境：具有完善的從元器件、系統到網絡協議全方位的仿真能力，可以實現自主定義的光器件模塊、子系統和系統級的仿真。

針對光纖通信系統中最基本的光纖鏈路和系統的性能測試分析需求，引入了EXFO公司的Fast Reporter光纖鏈路仿真軟件和Optical Report Viewer光網絡測試仿真軟件。Fast Reporter主要用于光纖及鏈路的傳輸性能參數測試，其內置了包括目前最先進的涵蓋了EXFO全系列5500/5500E/5800/5900/5230/5240/5250/7400/7400E等各種測試儀器的數據分析模塊，同時還包含了30000余個不同的測試配置，其數據均來自真實的光纖鏈路。學生在PC終端上使用的操作界面與真實測試儀器完全一致，通過選擇不同的參數配置可以得到相應的測試結果并進行分析。Optical Report Viewer則是與系統和網絡級測試對應的高級仿真測試工具軟件，其內置了主要的誤碼分析、抖動分析、時鐘分析、漂移分析、光譜分析、光功率測試等系統級的測試功能，使用界面與業界主流的測試儀器等完全一致，同時內置了2000多組不同的測試方案和數據，學生通過配置參數可以獲得系統性能的直觀結果，如果發生配置錯誤也可以得到相應的提示。

VPI transmission maker高級仿真工具是目前國際上公認技術最先進、最完善的光通信高級仿真工具，其不僅提供了許多功能強大的仿真模塊，可以支持從物理層到鏈路層乃至網絡層的仿真實驗，系統采用圖形化設計并支持各種復雜模塊化器件結構及用戶自定義，為用戶提供了完善的專業仿真實驗分析環境。經過必要的學習后，學生可以在教師指導下對VPI中的模塊進行參數調整乃至重新設計，從而實現差異化和定制化的虛擬仿真實驗。

4.結束語

依托虛擬仿真技術改革傳統的實踐教學體系是當前高等教育改革的主要發展方向之一。將虛擬仿真技術引入電子信息類專業實驗教學環節，突出虛擬網絡與實體網絡相結合、虛擬對象與實體對象相結合、虛擬手段與實際手段相結合等特點，是現階段人才培養改革的重要發展趨勢。論文介紹的南京郵電大學開展《光纖通信》課程虛擬仿真實驗教學的探索實踐，也為電子信息類其他課程實驗教學改革提供了有益的參考。未來我們將繼續堅持以學生為中心，推行網絡化條件下自主學習、探究學習、協作學習的實驗教學模式，探索和實踐人才培養目標與社會需求有機結合的新模式。

參考文獻：

[1]劉延東.推進科技創新 培育和發展戰略性新興產業.[EB/OL].http：//www.miit.gov.cn/n11293472/n11293877/n13702866/n13702883/13873502.html

[2]張德江.大力推動新一代信息技術產業加快發展.[EB/OL].http：//www.miit.gov.cn/n11293472/n11293877/n13702866/n13702883/14206919.html

[3]沈建華等.通信與信息網絡國家級虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐[J].實驗室研究與探索，2015（34）1：161-164

作者簡介：

成建平（1967-），女，江蘇南京人，大學，實驗師。主要從事通信與信息網絡實驗室建設與實驗教學工作。

沈建華（1972-），男，江蘇江陰人，博士，教授。南京郵電大學通信與信息工程學院副院長，通信與信息網絡國家級虛擬仿真實驗中心副主任。主要從事通信與信息網絡實驗室建設與實驗教學工作。