虛擬融合的航空通信技術實驗教學改革研究

王蘇衛

（長沙航空職業技術學院，湖南 長沙 410014）

0 引言

航空通信原理與技術是我院航空通信類專業開設的非常重要的專業基礎課程，在整個航空通信專業教學中，必要性和重要性不言而喻。然而，這門課程涉及很多的數學模型，具有理論性很強，概念很抽象，知識體系較多等特點。在理論教學中，高職高專學生基本基礎較差，理論概念很難理解，更無法進行應用到實際場景中。在實驗教學部分，學生通過觀察和實踐航空通信過程中各種信號的產生、多種典型信道的模擬、模數信號轉換的調制和解調過程，加強學生對抽象難以理解的理論知識的掌握，培養學生的工程實踐應用能力，以及分析和解決問題的能力。

但目前我院航空通信原理與技術實驗課程采用傳統實驗教學模式，實驗教學受到實驗場所和實驗設備的限制，學生被動地完成驗證性實驗，實驗教學效果很難達到實驗教學設計所預期的目標。虛擬仿真實驗的出現，給航空通信原理與技術實驗的教學改革帶來新的契機。將先進的虛擬仿真實驗融入到傳統實驗教學中，使實驗教學實中有虛、虛中有實、虛實融合，同時滿足驗證性實驗、綜合性實驗和創新性實驗，從而達到學生動手能力、職業素養和創新能力的培養，真正實現實驗教學的目標[1]。

1 實驗教學現狀

1.1 實驗設備容易損壞且升級難

實驗臺中的單元實驗模塊，很容易被學生的誤操作或者電子元器件自身的老化而發生故障。出現故障時，有時無法及時進行更換而影響到實驗教學進度[2]。另外，實驗模塊發生故障時，學生對各類調試設備本來就不熟練，很難在第一時間發現實驗不成功是因為故障導致，經常需要求助教師進行調試，浪費寶貴的教學時間，同時也導致在有限的實驗時間內，無法正常完成實驗。實驗設備的損壞也同時會加劇學院本身實驗經費不足。通信技術發展迅速，實驗設備的升級和擴展無法及時跟上，同時成本較高。

1.2 實驗過程固化

在實驗臺上進行實驗，單元實驗模塊已經固化，參數已基本設定好,實驗教學內容完全依附于理論教學。實驗指導書上有明確的實驗步驟，學生在不理解實驗原理的情況下，也能按照步驟很簡單地進行硬件接線，通過示波器等各類調試設備觀察有限的實驗結果數據或波形，并不了解該實驗的具體電路組成和原理，導致學生一知半解[3]。在這種教學模式下，學生的學習行為完全由教師主導，實驗過程中學生的學習主動性很容易被忽視。另外，有限的實驗模塊，無法滿足綜合性實驗和創新性實驗的教學需求，不利于學生創新思維的培養。

1.3 實驗結果無法評價

實驗臺實驗的效果評估通常是采用實驗報告的形式，學生在實驗內容一致，實驗流程和步驟基本固定的情況下，導致實驗結果也是千篇一率，甚至大部分的實驗都是以小組為單位完成，無法反映出學生真實的實驗情況，不可能進行準確的實驗評價和考核。由此可見，使用傳統的實驗教學工具和方法，并不能達到預期的教學效果，有必要對通信原理實驗教學模式進行改革。

2 虛擬實驗教學

虛擬實驗是指借助于多媒體技術、計算機仿真、虛擬現實和虛擬增強等技術在計算機上建立的可輔助、部分替代甚至全部替代傳統實驗各操作環節的相關軟硬件操作環境，實驗者在虛擬實驗環境中可以像在真實的實驗環境中一樣完成各種預設的實驗項目或者創新性地完成實驗項目，實驗者所取得的實驗效果等價于甚至優于在真實環境中所取得的效果[4]。

2.1 成本低，使用方便

傳統實驗容易造成實驗硬件模塊損壞，實驗耗材也必不可少，調測的儀器設備成本也不低，整個實驗室維護成本高。虛擬實驗是軟件結構，不存在實驗模塊和材料的損耗，后期基本上無需維護，升級和擴展都非常方便，非常符合通信實驗教學的要求。

虛擬實驗的仿真軟件使用方便，只需要在電腦上安裝實驗需要的仿真軟件，學生即可在電腦上開展虛擬實驗。操作相當簡單，通過操作鼠標就可以完成實物實驗中的元器件的選取更換，元器件之間的連接，以及實驗的運行，節省了學生大量時間，也不會帶來安全陷患。在虛擬實驗電路運行的過程中，可以設置各種斷點，或者部署各種調測儀器，隨時進行暫停實驗，觀察瞬態的實驗現象和記錄瞬時多變的數據，這些都是實物實驗無法比擬的[5]。另外，虛擬元器件庫可以說是無限種類，滿足日常實驗和創新性實驗的要求，而且也不會產生任何損壞和消耗，利用率高。

2.2 開放式管理，滿足學生創新性要求

虛擬實驗中，學生完全可以根據自己的學習情況、能力和興趣進行實驗選擇，并且可以反復多次地進行實驗，不再受到元器件種類和數量不足，實驗儀器設備性能較差的影響和限制，可以按照自己的想法或創意隨心所欲地進行實驗，甚至可以自由組隊展開合作實驗，極大地滿足了學生進行創新性實驗的要求[6]。

3 虛實融合的通信實驗改革

虛擬實驗確實有很多的優勢，但實物實驗也必不可少。實物實驗的優勢在于學生能直接獲得實驗操作的真實體感，比如實驗故障排除、測量實驗數據中的隨機性和不完美性，體會真實實驗某些無法規避的客觀因素，這是虛擬實驗無法比擬的優勢。有些學校對虛擬實驗和實物實驗的態度，往往“顧此失彼”，要么夸大虛擬實驗的作用，而忽視實物實驗在實訓教學中不可替代的地位；要么就是并沒有將虛擬實驗引入到實驗教學過程中，使其“名存實亡”，并沒有發揮出虛擬實驗的優勢。虛擬實驗和實物實驗各有其利弊，我們采取優勢互補的方式，從虛擬實驗和實物實驗有機結合的角度去思考和進行改革。

圖1 虛實融合的通信實驗教學設計

虛實融合的通信實驗教學設計，分為三個階段，具體包括驗證性實驗階段、綜合性實驗階段和創新性實驗階段。驗證性實驗階段以實物實驗為主導，虛擬實驗為輔助，實驗內容大多為較獨立的教學點，實驗目標為加深并鞏固理論知識。該部分實驗需要在實驗課堂完成，在實驗教師的指導下，以小組為單位進行，并提交對應的實驗報告。綜合性實驗階段以虛實融合實驗的方式進行，實驗教師課堂上講授各綜合性實驗的要點和目標，學生可選擇一個或多個綜合實驗題目，課后自主完成，學生需要在實驗過程中，邊實驗邊記錄各種實驗調測過程數據和結果數據，最終學生需要提交一份較全面的實驗報告，綜合實驗階段可以充分調動學生課后的自主學習能力，對所學知識有較全面的認識提升。創新性實驗是一個選修實驗，學生選修后，在課后利用虛擬仿真軟件，根據教師提供的實驗要求和實驗目標，按照實驗指導，自行選擇實驗方式，完成實驗項目，需要學生對通信系統比較全面的掌握和理解[7]。

實驗考核分為實驗課堂實時打分和課后作業評分。課堂實時評分主要依據小組實驗實時完成情況，排障處理時長，以及實驗過程中的團隊協作和職業素養；課后虛擬實驗作業，主要通過學生提供的虛擬實驗項目原文件、實驗報告和在線視頻答辯，進行綜合評定。

4 結語

經過三個學期的“虛實融合”的通信實驗教學實踐，通過抽樣檢查實驗教學效果，可以明顯感受到學生對通信原理知識的掌握有較大提升。多樣化的實驗，也滿足不同學生對實驗學習的要求，不僅提高了實驗教學的效率，也同時培養了學生的動手能力、綜合實踐能力和創新能力，為學生走向社會，從事通信相關的工作打下較好的基礎。