基于Web的通信工程專業開源交互式可視化教學實驗平臺研究

[摘 要] 研究通信工程專業基于web的開源交互式可視化教學實驗平臺，可為后期將此單一研究成果擴展為模板化、標準化的用戶接口提供技術支撐。此平臺廣泛適用于高等學校理工類專業學生的交互式、可視化教學實驗及案例分析。通過研究分析，教學實驗平臺可靈活提供大量仿真參數改變操作以及對應結果變化的可視化演示。此研究成果為開源平臺，web前端不需要其他軟件的支撐和用戶注冊，任何支持web瀏覽的設備都可進入教學實驗平臺并進行感興趣的操作和結果演示。此成果將有助于提高學生學習的主觀能動性，不再是“填鴨式”、記憶式的教學，注重理論與實踐相結合。

[關鍵詞] 通信工程;Web;開源;可視化

[基金項目] 2019年度宜春學院“六卓越一拔尖2.0”人才培養計劃項目“面向‘OBE的通信工程課程體系構建與持續改進機制”;2019年度宜春學院一流課程（“金課”）項目“通信原理”;2019年度宜春學院教學改革研究課題“基于Web新工科的通信電子專業開源交互式可視化教學研究”（YCUJG-2019-15）;2020年度江西省教育廳科技重點項目“面向5G+車聯網陣列天線自適應波束成形定位技術研究”（GJJ201601）;2020年度教育部產學合作協同育人項目“賦能新工科，校企融合共建現代通信工程課程體系”（202002118054）

[作者簡介] 虞貴財（1977—），男，江西撫州人，博士，宜春學院物理科學與工程技術學院副教授，主要從事車輛通信、MIMO通信技術、無線傳感器網絡。

[中圖分類號] G642.4;TN91-4? [文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）44-0154-04? ?[收稿日期] 2020-03-13

一、引言

工程、數學、科技類專業中的很多概念通過單一的課堂講授方式晦澀難懂，如電子通信類，無線電是看不見、摸不著但現實又存在的，信號是如何傳輸接收的，等等。如果通過圖形和圖像可視化的方式進行講授，有些概念將更容易理解。可視化使得難以準確掌握和傳達的信息能夠采用啟發式的方式進行傳授，這些在高等教育中顯得非常重要，特別是理工科技類專業。這些課程的內容如果采用交互式的方法展現將顯得非常有啟發性。學生學習理論知識的同時，可通過改變仿真參數而得到相應的仿真結果變化，明確某些參數的實際物理意義[1]。

結合Web技術的仿真可視化教學平臺組成的架構和仿真程序可成為開源可接入界面。前期Masson等專門針對電子工程專業設計建設了相關的Web仿真平臺[2]，雖然此成果的有些技術仍然可用，但是隨著科學技術和教學發展，一些技術已經過時，應該從用戶體驗、界面友好性和操作靈活性方面進行更新、提高。文獻[3]給出了一種單一功能的Web仿真平臺，文獻[4]介紹了電子仿真設備的Web前端設計。后期也有電子設備和電路特性仿真的研究，雖然可以對任意模型進行仿真，但屬性比較單一，而且用戶操作界面依賴上傳的文本文件，在學生掌握仿真核心技術層面的普適性和通用性上受到質疑。文獻[5]給出了一種高通用性的基于Web nanoHUB的平臺，此平臺支持不同程序語言和仿真工具，但是需要在客戶端安裝Java和用戶注冊，因此平臺并非完全開源。本課題介紹了一種交互式、基于Web的可視化仿真教學演示平臺框架。此平臺計劃用于電子工程類通信專業本科生和研究生的教學科研演示平臺。任何學生和個人不需要注冊就可以訪問。平臺采用開源軟件設計并完成，用戶只需具備JavaScript就可以瀏覽，不需要安裝額外的插件。同時，在此平臺上創建新的Webdemo很簡單，不需要掌握Web編程知識。因此，教師和學生很容易使用并掌握此教學演示平臺。

二、Webdemo教學演示平臺框架

Web教學演示平臺允許訪問用戶通過Web瀏覽器創建交互式可視化的仿真工具，Web演示平臺包括許多交互式和可描述頁面，頁面間雖然按一定順序互相關聯，但它們仍然可以通過自動形成的內容列表被隨機地訪問、接入。平臺框架可用于不同訪問接入人員，包括教職工、學生和其他機構的第三人。訪問不需要Web編程技術，然而Webdemo操作者需要掌握基本的科學程序語言知識，如Matlab、GNU Octave、Pythons Scipy等軟件的數據庫編程，這些軟件可用于數值仿真。Webdemo框架可以分為四個組成部分，如圖1所示。

（一）動態模板系統

Webdemo框架的重要組成部分是用PHP編寫的模板系統。此系統創建web頁面，傳遞客戶端（Webdemo用戶）信息。系統對所有Webdemo用戶來說都具有相同的體驗。如圖1所示，動態模板系統包括三部分，即模型（model： M）、查看（view： V）和控制器（Controller）。

（二）仿真核心組件

在客戶端上執行計算，允許用戶輸入提示響應，一旦Web界面的模擬仿真已加載，不需要與服務器進行進一步通信溝通，因此沒有發生傳輸時間的延遲。然而，用于執行所需計算的軟件是由用戶計算機配置決定的，大多數互聯網用戶的瀏覽器支持JS使用特殊程序庫繪制數據圖。然而，這些程序庫并不提供科學軟件所具備的數學運算和圖形輸出專用功能特性。此外，現有的仿真模型重復使用局限于JS，用戶不會面臨需要安裝其他軟件的煩瑣工作。用戶可能由于軟件的許可證限制、用戶硬件或操作系統的不兼容而無法使用該軟件。

Webdemo框架的主要目的是，通過提供實際案例，讓學生熟悉使用科學軟件和仿真模型，他們可以即時學習Webdemo，也可以通過檢查底層的仿真腳本源代碼有更詳細的理解。為了使每個人都能使用源代碼，應提供免費的編碼器或解碼器。此外，它應該有大量的計算機平臺和操作系統。因此，GNU Octave因為開源和強大的內置可視化程序以及向量代數運算、濾波器、變換功能被選定作為仿真軟件。使用Octave編寫的仿真腳本與外部程序庫獨立，程序源碼長度方面應保持緊湊特點，方便用戶編輯部署和易于理解。每一個Webdemo具備各自的Octave功能，可供下載和運行。此外，Octave很大程度上與商業軟件Matlab兼容。因此，使用Octave開發的Webdemo仿真腳本基本上可以在Matlab操作運行。

（三）文件配置

Webdemo內容是使用可擴展標記語言（XML）定義的配置文件。它包含Webdemo的基元數據，如作者、標題、創建日期和相關的講座或課件。清單列表1中給出了一個配置文件的摘錄，用于說明該文件的自我注釋體系。

清單列表1：XML定義的Webdemo基元數據配置文件

Guicai YU

guicai.yu@gmail.com

¨NCU_Internet_Lecture

4QAM

1.1

此外，可以定義任意數量的幻燈片，每個幻燈片可以是一個描述性或演示性的。描述性幻燈片可以包含文本、圖像和數學公式，其中可以用Latex編輯公式，使用MathJax撰寫。一個演示幻燈片包含各種輸入字段（控制操作命令）、觸發服務器端的仿真模擬按鈕、仿真模擬結果的圖像區域。

每個幻燈片必須包括一個腳本接口定義，實現仿真模擬和函數參數列表的Octave函數方程。滑動按鈕控件的值通過標識確定。為防止多用戶會話之間的沖突，通過模板系統隨機選擇的文件名會被傳遞給函數方程。

三、Webdemo用戶操作界面及案例分析

圖2給出了一個Webdemo描述頁面截圖，展示了QAM調制理論的數學基礎。屏幕采用分辨率1024像素×768像素進行優化。此分辨率兼容大多數投影儀，因此可以在課件和講座中使用。Webdemo用戶界面幻燈片包括導航頁腳和內容區域，導航頁尾包含上一頁和下一頁的鏈接，以及當前頁即內容頁的鏈接。在導航頁腳下面，可以添加關于Webdemo元信息和鏈接版權與隱私信息。同時，Webdemo用戶界面的一個特殊功能是可以通過腳注訪問使用的統計數據。

圖3中的屏幕截圖顯示了QAM調制解調前端可視化操作界面，可以通過界面右邊輸入并調整參數，如信噪比（SNR）、調制類型（QAM）及顯示的圖形類型，得到相應的星座圖。星座圖的橫坐標為實部，縱坐標為虛部。圖3中的頁腳和頁眉功能與圖2類似，這里不做介紹。右下角的Source code可以下載仿真程序的源代碼（本文涉及的源代碼都為Matlab編寫），方便學生學習、編輯使用。鑒于文章篇幅限制，本文不附上Matlab的源代碼（WEBDEMO constellation_from_snr.m-file），仿真程序源代碼通過界面的Source code查看和下載。

操作界面中心為展示仿真圖像保留區域，在圖像區域的下方，是一個允許用戶輸入信息的控制面板。當一個演示幻燈片界面被加載時，系統將使用默認的參數值進行仿真模擬。JS腳本顯示一個進度條，提供關于已用和剩余的計算時間反饋信息。為了估計仿真計算的時間，模板系統計算每次執行Octave函數所花時間和計算所有測量結果的平均值，然而實際仿真模擬時間通常與計算的平均值不同。現有的Webdemos仿真時間從2秒到20秒不等，通常大于互聯網頁面響應時間。動畫的進度條指示用戶正在進行的計算過程，當仿真結果圖像完成時，JS腳本從服務器請求圖像并在進度條空間顯示，然后用戶可以通過“更新（Update）”按鈕控制改變仿真參數并重新仿真計算，“更新（Update）”按鈕提供載鏈接訪問底層Octave源代碼。圖4為將調制類型調整為16QAM而其他參數保持不變的仿真星座圖操作界面。圖5為將調制類型調整為64QAM而其他參數保持不變的仿真星座圖操作界面。

通過WEBDEMO用戶操作界面及案例分析發現，只要改變對應的參數，就可以得出不同的結果。任何支持web瀏覽的設備都可進入教學平臺并進行感興趣的操作和結果演示。此平臺將提高學生學習的主觀能動性，不再是“填鴨式”、記憶式的教學，而是理論與實踐相結合。

四、結論及意義

本文研究了基于Web的通信工程專業開源交互式可視化教學演示平臺，主要通過圖形和圖像可視化結合理論基礎的方式講授，采用啟發式的方法使得學生準確掌握所學課程的知識點以及基礎理論知識在實際案例中的應用。這在高等教育中顯得非常重要，特別是理工科技類專業。尤其是通信電子類專業本科生和研究生，需要具備扎實的數學和物理基礎知識，通過平臺與理論結合，解決學習基礎理論知識枯燥乏味、晦澀難懂的窘境。學生學習理論知識的同時，通過改變交互式、可視化教學演示平臺中的仿真參數而得到相應的仿真結果變化，明確某些參數在工程實踐案例中的實際物理意義。這些結果不需要冗長復雜的數學公式推導計算，學生通過交互式仿真結果就可以得到答案。

參考文獻

[1]Lu Hsin-Ke， Lin Peng-chun. Effects of Interactivity on Students Intention to Use Simulation-based Learning Tool in Computer Networking Education， 14th International Conference on Advanced Communication Technology， 2012， pp.573-576.

[2]A. M. Masson， Web-based Simulations for Computer-assisted Learning in the Higher Education Sector， Engineering Science and Education Journal， 1999， vol.8， no.3， pp.107-114.

[3]I. Belski， Acquiring a Holistic Picture： The 4 Screens Web-based Simulator Helping Students to Unify Behaviors of Electronic Systems， ICALT08， 8th IEEE International Conference on Advanced Learning Technologies， 2008， pp.154-158.

[4]Zhuang Hao， He Jin， Deng Wan-ling， et al. A Web-based Education Platform for Nanoscale Device Modeling and Circuit Simulation， 4th Interdisciplinary Engineering Design Education Conference， 2014， pp.84-87.

[5]G. Klimeck， M. McLennan， M. S. Lundstrom， and G. B. Adams III， “nanoHUB.org-online simulation and more materials for semiconductors and nanoelectronics in education and research，” in 8th IEEE Conference on Nanotechnology， Aug. 2008， pp. 401-404.

Research on Web-based Open-source Interactive and Visual Teaching Experiment Platform in Communication Engineering

YU Gui-cai

（Physical Science and Technology College， Yichun University， Yichun， Jiangxi 336000， China）

Abstract： The research on web-based open-source interactive and visual teaching experiment platform in communication engineering can provide technical support for expanding this single research result into the template and standardized user interfaces in the future. This platform is widely used in interactive and visual teaching experiment and case analysis for science and engineering students in colleges and universities. Through research and analysis， the teaching experiment platform can flexibly provide a large number of simulation parameter change operations and visual demonstration of corresponding result changes. This research result is an open-source platform， and the web front-end does not require the support of other software and user registration. Besides， any equipment that supports web browsing can enter the teaching experiment platform and perform operation and result demonstration of interest. The result can help to improve students subjective initiative in learning， which focuses on the combination of theory and practice.

Key words： communication engineering; Web; open source; visualization