基于虛擬仿真實驗提升研究生應用能力培養(yǎng)——以“天線與電波傳播”課程為例

張寧超 鐘顯江 陳 蕾 楊永俠

（西安工業(yè)大學電子信息工程學院 陜西·西安 710021）

0 引言

電子信息類學科的研究生課程中，培養(yǎng)計劃設置的課程中大部分原理性內(nèi)容多，加之以本科教學為主的地方普通院校經(jīng)費不足，研究生專業(yè)實驗室建設很多無法開設相關(guān)實驗或?qū)嵱柦虒W內(nèi)容，教學模式大多采用以課堂講授為主要手段的傳統(tǒng)教學模式，即使在上課過程中采用了多媒體教學，依然存在教學過程相對枯燥、學習過程難度較大、學生學以致用能力普遍欠缺的問題，這與應用型專業(yè)碩士與研究型學術(shù)碩士的人才培養(yǎng)目標是不相適應的[1]。《天線與電波傳播》課程是通信與信息系統(tǒng)、信號與信息處理學科的專業(yè)基礎課程，但該課程的教學基本以老師為主體，過于強調(diào)教學內(nèi)容編排的邏輯性和完整性，在講解一些重要知識點缺少學生的積極參與而效果不佳。“場波類”課程相關(guān)的實驗儀器成本高，能夠為研究生教學開設相關(guān)具備測試研究的實驗課程的高校比較少。加之實驗需求比較苛刻，一般本科院校沒有相關(guān)的專業(yè)實驗室，根本無法實現(xiàn)對學生解決工程問題能力的培養(yǎng)。因此，只有考慮通過電磁軟件仿真來開展相關(guān)實驗，才能滿足該類院校對學生工程能力的培養(yǎng)。

1 虛擬仿真實驗平臺的構(gòu)建

基于西安工業(yè)大學“電子信息與控制虛擬仿真實驗教學中心”，本文集成了“天線與電波傳播”課程相關(guān)虛擬仿真軟件，包括HFSS、ADS、TFDTD等，學生可通過網(wǎng)絡直接進入虛擬仿真中心，在線進行學習和實踐。根據(jù)課堂的理論教學內(nèi)容，要求學生在課后對相關(guān)的內(nèi)容在虛擬仿真中心完成仿真實踐，利用平臺實踐教學體系的管理模式，學生與老師在平臺可以實現(xiàn)互動，老師也可以對學生完成情況進行考核。目前通過平臺可以完成課堂教學中比較抽象的典型實驗包括波導的傳輸仿真、天線的仿真、電磁兼容的仿真等。本校的虛擬仿真實驗中心，具備對學生自主進行實驗操作并進行評判的功能。學生可以在宿舍或者機房從任意PC端登陸，實驗的設計對每個步驟可以合理的選擇、編輯、排序的刪除。

實驗項目設計要以復雜工程項目為背景，提升學生解決工程問題的能力。分解細化工程模塊，選取與教學內(nèi)容密切相關(guān)的模塊作為實踐教學內(nèi)容，讓學生體會“天線與電波傳播”課程抽象的概念和煩瑣的公式所體現(xiàn)出的工程應用價值。在設計實踐教學計劃時，根據(jù)實例范圍的大小和復雜度，從宏觀到微觀、從高層到底層建立起一系列的從設計到實現(xiàn)的教學理念。針對這樣的綜合性實踐，學生將所涉及的課程知識點交叉融合并綜合運用，避免了傳統(tǒng)教學方式下知識點孤立存在的問題。同時構(gòu)建了實時在線的評價模式，提高實驗教學的質(zhì)量和效果。實驗過程中，實現(xiàn)虛擬仿真實驗的網(wǎng)上實時智能指導，根據(jù)實驗過程中的問題，階段性地對學生進行個性化的有效指導與評價。

2 基于虛擬仿真平臺的教學模式改革

（1）整體教學與個性化培養(yǎng)相結(jié)合的教學探索。

本科教學注重學生中心和整體目標達成培養(yǎng)，而研究生培養(yǎng)需要根據(jù)學生個人進行能力和擅長領(lǐng)域進行整體與個性化結(jié)合培養(yǎng)。依托虛擬仿真實驗平臺，不設置具體課題要求，學生根據(jù)個人能力選擇不同領(lǐng)域、不同難度的實驗項目進行實驗，充分調(diào)動學生的積極性和興趣愛好。同時，把部分學生參與的第二課堂、學科競賽等課外實踐活動和人才培養(yǎng)有機地結(jié)合起，充分調(diào)動學生學習積極性。

（2）實現(xiàn)現(xiàn)代實驗教學技術(shù)的開放式教學。

引入現(xiàn)代實驗教學技術(shù)和手段，加強網(wǎng)絡平臺建設，構(gòu)建信息平臺和實踐教學信息管理平臺，融合虛擬仿真實驗多種方式輔助實踐教學。學生可以不受地域與環(huán)境的限制，隨時接受專業(yè)老師理論知識、實驗技能和創(chuàng)新想法的指導。充分發(fā)揮學生、老師、實驗室管理人員在開放式的虛擬仿真實驗教學中的角色[2]。平臺建設依托校園局域網(wǎng)和中心的服務器，可以將平臺地址映射到互聯(lián)網(wǎng)，不斷增強虛擬仿真實驗的實踐教學能力。開放式虛擬仿真實驗教學的管理和共享平臺一般以虛擬實驗中心門戶網(wǎng)站為基礎，平臺模塊中分別設置課前基礎理論模塊、實驗課的管理模塊、實驗項目庫的維護模塊、教學指導模塊、對實驗結(jié)果的驗收評價模塊。充分發(fā)揮網(wǎng)絡化優(yōu)勢，實現(xiàn)了平臺的數(shù)字化管理。

（3）實施自主性實驗教學。

依托“電子信息與控制虛擬仿真實驗教學中心”，構(gòu)建基于網(wǎng)絡的虛擬仿真實驗平臺，通過“中心服務器—校園網(wǎng)—互聯(lián)網(wǎng)”三個維度的網(wǎng)絡支持，對學生完成方正的時間、地點和內(nèi)容上實現(xiàn)開放，充分發(fā)揮學生的自主性學習與創(chuàng)新。不同需求的學生可以合理安排自己進行實驗的時間、地點以及實驗進度，為學生自主學習提供寬松的學習實驗環(huán)境。學生可以根據(jù)自己實際情況確定實驗時間、內(nèi)容和進度，可以隨時在網(wǎng)上進行自己感興趣的實驗。這種實驗教學模式不受實體實驗室關(guān)閉和開放時間的限制，也能培養(yǎng)學生的自主能力[7,8]。

（4）實驗過程智能指導。

虛擬仿真實驗不光實現(xiàn)學生的自主性，同時平臺要充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)采集與處理，通過數(shù)據(jù)分析能夠及時的對學生的實驗進行智能化的監(jiān)控和指導，實現(xiàn)“在線教師”的功能[9]。而且實現(xiàn)了對不同實驗、不同學生、不同問題的分類監(jiān)控與指導，充分發(fā)揮虛擬仿真實驗教學過程的高度智能化。實驗指導系統(tǒng)可以實時在線監(jiān)控學生完成整個實驗項目的過程，并間斷性對實驗步驟進行智能化提醒與評估。學生在完成仿真項目的過程中也可以主動尋求系統(tǒng)的提示與幫助。當學生提交了仿真項目后，平臺通過對數(shù)據(jù)處理功能，提取出實驗過程的關(guān)鍵評價信息和數(shù)據(jù)庫的標準樣本進行比對，最后得出結(jié)論。

（5）與學生互動交流。

提供用戶互動交流模塊，包括在線實時答疑室和在線留言功能，在線實時答疑室支持多人語音、文字交流，可共享白板，保存聊天記錄，問題庫搜索、發(fā)送離線消息到郵箱。設置了答疑室的交流界面窗口，同時可提供手機在線客戶端通知功能，當教學安排實驗后，可以通過微信或手機端平臺實時通知學生，并且可以隨時督促未完成實驗的學生。實驗教學將以培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力為主旨，引導學生進行自主式、合作式、研究式為特點的個性化學習方法。

3 研究特色與成果推廣

天線與電波傳播測試實驗需要嚴格的測試環(huán)境（微波暗室）和昂貴的測試設備，虛擬仿真實驗實現(xiàn)“虛”指導“實”并達到“虛實結(jié)合”，從而指導工業(yè)設計及生產(chǎn)。通過虛擬仿真實驗項目的開設，將解決實際測試實驗對人產(chǎn)生的潛在輻射傷害，提供了一種可靠、安全和經(jīng)濟的實驗方法。同時借助網(wǎng)絡技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)形成虛擬實驗交互環(huán)境，學生能在互聯(lián)網(wǎng)完成虛擬仿真學習，教師可以以更加開放的方式進行教學活動。高校實踐教學資源及水平存在明顯差異，部分高校在校學生、企事業(yè)工程技術(shù)人員無法得到應有的學習與實踐機會。

在實驗教學過程中，不斷完善優(yōu)化實驗教學體系，更新實驗教學內(nèi)容，提高實驗教學層次和教學水平，優(yōu)化虛擬仿真實驗教學環(huán)境，逐步面向高校和社會提供教學服務。依托國家級、省級實踐教學中心建設，加強校內(nèi)、校際以及與相關(guān)企業(yè)的合作，實現(xiàn)虛擬資源共用共享，在研究生培養(yǎng)上充分發(fā)揮企業(yè)優(yōu)勢，為培養(yǎng)具備工程實踐能力且有高水平學術(shù)素養(yǎng)的人才做出貢獻。加強地方高校間的合作共享，發(fā)揮了虛擬仿真實驗教學建設的示范作用。同時虛擬仿真實驗平臺吸引了不同研究方向的優(yōu)秀老師，教學團隊不間斷的將自己的科研成果融入到虛擬仿真實驗項目中，多學科的交叉融合，前沿化的成果交流，培養(yǎng)出具有多學科交叉且有國際視野的優(yōu)秀人才。

4 結(jié)論

虛擬仿真實驗可解決“場波類”課程實踐教學中實驗儀器和設備短缺的不足。同時仿真平臺的靈活設計，也注重培養(yǎng)了優(yōu)秀學生發(fā)揮能力的空間。同時鼓勵學生將參與的第二課堂、學科競賽等實踐活動與課程教學有機地結(jié)合起，教師把科學研究與學生的課程教學結(jié)合起來。以虛擬仿真實驗項目為支撐，構(gòu)建課程相關(guān)工程實踐平臺，建立“理論—實踐—應用”的實踐模式，不斷提高學生的工程應用能力。