基于課程與實踐一體化的電子通信虛擬仿真實驗教學

唐振華+常侃+張振榮

【摘要】文章針對電子通信類專業中實驗教學存在的問題，研究和構建基于課程與實踐一體化的電子通信虛擬仿真實驗教學體系，并在此基礎上研究并提出虛擬仿真實驗平臺的框架，以提升通信工程和電子信息工程專業的實驗教學質量。

【關鍵詞】虛擬仿真實驗教學；課程與實踐一體化；電子通信

虛擬仿真實驗是指綜合應用虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫以及網絡通信等技術，通過構建逼真的實驗操作環境和實驗對象，使學生在開放、自主、交互的虛擬環境中開展高效、安全且經濟的實驗。虛擬仿真實驗能達到真實實驗不具備或難以實現的教學效果，尤其對于那些涉及高危或極端環境、不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的大型或綜合性實驗項目，因而虛擬仿真實驗教學對傳統的實驗教學思想、體系、模式、內容、方法以及手段等都產生了意義深遠的顛覆性影響。虛擬仿真實驗教學體現了信息技術與教育教學融合發展和與學科專業深度融合帶來的實驗教學改革與創新。

教育部于2013 年8 月印發了《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》，正式啟動了國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作。為了促進本科實驗教學改革，提高本科教學質量，廣西大學計算機與電子信息學院整合已有的計算機與軟件技術、電子技術、通信技術以及網絡工程等實驗室，于2010年成立了計算機與信息技術虛擬仿真實驗教學中心。該中心于2015年被評獲評為“自治區級虛擬仿真實驗教學中心”。中心主要為全校提供計算機、電子通信類課程的仿真實驗教學服務，面向計算機、電子信息工程、通信工程等信息技術類的本科專業學生。然而，目前中心主要側重于開設本科專業的部分虛擬仿真實驗，而極少涉及課程教學方面的虛擬仿真實驗，尤其是針對電子通信類的課程教學。本文正是針對上述問題而展開研究的，目標是研究構建課程與實踐教學一體化的電子通信虛擬仿真實驗體系與平臺，使其體現電子與通信學科的實踐性與設計性，突出培養學生的綜合能力和創新能力。

一、電子通信虛擬仿真實驗教學體系

在電子通信類的專業課程教學中，不少專業課程的理論性較強，物理概念抽象，學生不容易掌握好。傳統的教學方式主要注重基礎概念、基本定律以及理論和公式的推導和演算，缺乏感性地理解理論的輔助手段。以《電磁場與電磁波》課程為例，在該課程的教學過程中主要進行理論和公式的講解，缺少諸如電磁場的三維特性和電磁波的波動特性等抽象內容的生動展示， 導致學生對晦澀的理論失去學習興趣，從而影響整門課程的學習。

本文研究的基于課程與實踐一體化的電子通信虛擬仿真實驗教學體系包含理論教學、基礎實驗、綜合實驗與科研創新四個層次。這四個層次分別對應四種類型的虛擬仿真實驗：演示型實驗、驗證型實驗、系統型實驗和創新型實驗。不同層次的實驗之間相互補充和融合，形成了多層次虛實結合的電子通信實驗教學體系，如圖1所示。在設計電子通信虛擬仿真實驗教學體系時，本文遵循了虛擬實驗不完全脫離傳統實驗，“能實不虛、虛實結合”的原則。在有條件的情況下，要盡量安排學生接觸實物進行操作，這樣才能讓學生更好地掌握實際操作技能，處理各種實際問題。

不同類型的實驗作用不同。演示型實驗主要是讓學生通過形象的方式了解技術的基本原理。例如在講授《電磁場與電磁波》課程中均勻平面波在媒質中傳播的規律時，可借助Flash技術，以高逼真的三維立體模型，完整、真實地呈現電磁波傳播時的狀態；在講授《現代通信原理》課程時，可借助MATLAB或LabVIEW等軟件動態地顯示發送信號和接收信號的波形變化情況。驗證型實驗則是讓學生對某個理論或技術進行實驗，并根據實驗獲得的結果來驗證理論或技術，傳統實驗教學中主要開設該類實驗。系統型實驗則主要開展根據虛擬仿真實驗設備進行自由搭建和組合實驗項目，例如利用部分硬件和虛擬軟件共同搭建基于MIMO無線通信系統等。創新型實驗則主要面向學科和行業發展前沿，讓部分學有余力的學生參與教師的科研項目和科研工作，并將科研項目研究成果轉化為虛擬仿真實驗教學資源。

二、電子通信虛擬仿真實驗平臺

電子通信技術具有技術高度密集、對實踐性要求高和更新換代快等特點。隨著包括新一代移動通信、三網融合、超高速光纖寬帶、虛擬現實、物聯網、量子信息處理、大數據以及云計算等通信與信息技術的不斷發展，采用傳統實驗實踐教學模式開展教學日益受到局限。此外，由于通信行業的保障性要求和信息安全要求高，設備貴，學生到企業真實網絡環境中參加實踐教學和工程訓練困難。

以通信專業中移動通信網絡的實驗為例，如果學校自己搭建小型的移動通信網絡需要的成本極高，在經費不充裕的情況下，很難開展此類實驗教學，嚴重影響學生專業實踐能力和實用技能的培養。然而，在虛擬實驗環境下，上述問題就能迎刃而解。作為新型的實驗教學手段，虛擬仿真實驗教學使學生不受地域和時間的限制，不受設備和平臺的限制，理解和掌握所學知識，并通過實踐進行印證、應用、設計和創新。因而，構建課程與實踐教學一體化的電子通信虛擬仿真實驗平臺，讓學生在虛擬環境中開展實驗，達到教學大綱所要求的教學效果，能夠有效解決傳統基于實際通信信息網絡開展實驗教學的不足，同時也是解決電子通信類專業學生開展工程訓練的重要途徑。

本文在研究廣西大學電子通信類專業在目前的教學與科研體系的基礎上，提出了基于課程與實踐一體化的虛擬仿真教學平臺的架構，如圖2所示。該平臺包含電信基礎、信息處理和信息傳輸三大模塊，而各個模塊又包含具體的虛擬仿真實驗平臺。電信基礎模塊包括通信與系統及微波與天線兩個虛擬仿真實驗平臺，主要涉及有線和無線通信系統及微波傳輸系統的關鍵實驗。信息處理模塊包含生物醫學信息處理和多媒體信息處理兩個平臺，將專業基礎和老師們研究方向的特色有機結合起來。信息傳輸包括無線傳感器網絡、移動通信、光通信網絡和衛星通信四個平臺，主要體現專業知識與當前主流通信應用的融合。這些平臺的構建同時體現了實驗資源與信息技術深度融合、真實設備與虛擬環境有機結合。

三、結語

依托廣西大學電子信息工程和通信工程專業的特色優勢，本文研究并構建了涉及理論教學、基礎實驗、綜合實驗與科研創新的課程與實踐教學一體化的虛擬仿真實驗教學體系。該體系能夠較好地體現電子與通信學科的實踐性與設計性，突出培養學生的綜合能力和創新能力。此外，在多層次的虛擬仿真實驗教學體系中，圍繞具體的電子與通信相關的知識體系，研究并提出了課程與實踐教學一體化的電子通信虛擬仿真實驗平臺框架，該平臺能夠體現廣西大學電子通信學科在信息技術方面的優勢，能體現真實實驗設備與虛擬實驗環境有機結合。

【參考文獻】

[1]趙沁平.虛擬現實綜述[J].中國科學（信息科學） ，2009，39（01）：2-46.

[2]許秀云，張玉梁.依托現代信息技術提高實驗教學質量[J].實驗室研究與探索，2011，30（05）：130-132.

[3]李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013，32（11）：5-8.

[4]王衛國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J].實驗室研究與探索，2013，32（12）：5-8.

[5]中華人民共和國教育部高等教育司.關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知[Z].2013.

[6]沈建華，李飛，程崇虎，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（01）：161-164.

[7]李安，周南潤，王玉皞.通信工程國家級特色專業虛擬實驗室建設與實踐[J].實驗室研究與探索，2013，32（01）：150-154.