通信原理線上+線下混合式實驗教學模式的探索

楊會

宿遷學院信息工程學院 江蘇宿遷 223800

0 引言

隨著互聯網技術的快速發展和普及，互聯網已經融入社會和生活的各個方面，也為高等教育的發展帶來了新的挑戰和機遇[1]。教育部提出深入推進信息技術與高等教育實驗教學的深度融合，不斷加強高等教育實驗教學優質資源建設與應用，著力提高高等教育實驗教學質量和實踐育人水平[2]。在高校實驗教學改革和實驗教學項目信息化建設的基礎上，開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設工作，倡導線上+線下混合式教育模式，促進優質在線課程資源應用，提高課堂教學質量，激發學生興趣[3]。

針對新冠疫情對高校教學造成的不利影響，教育部要求各高校做好“停課不停教、不停學”組織部署工作，降低疫情對教學及學生學習的影響[4]。怎樣解決當前實驗教學中存在的實驗模式固定、實驗時間受限、實驗設備與場地利用率不高、學生不能隨時隨地隨興實驗等問題，各高校都在嘗試探索實驗教學模式的改革，線上實驗作為實驗教學改革的重要支撐點，已成為未來高校實驗室建設和改革的趨勢。

1 通信原理實驗線上+線下混合式教學模式

通信原理課程作為通信工程、電子信息工程等專業的核心課程，在課程體系中起著承上啟下的重要作用。該課程理論性、綜合性較強，相關的理論知識較抽象，因此，作為理論聯系實踐的實驗課程就顯得尤為重要[5-6]。為了提高學生的學習興趣，使學生對晦澀難懂的理論知識能夠很好地理解和掌握，采用線上+線下混合式教學模式對實驗課程教學進行改革，具體是：首先采用線上仿真平臺對實驗項目進行預習，然后線下到實驗室用實驗箱進行實驗操作，最后采用線上仿真平臺對實驗進行補充，流程如圖1所示。

圖1 實驗流程圖

1.1 線上仿真平臺實驗預習

當前的實驗課大多是學生直接到實驗室操作實驗箱進行一些驗證性的實驗，有的學生一無所知就到實驗室進行線下實驗，由于不熟悉相關的理論知識造成對實驗現象無從解釋的，由于不熟悉儀器操作對儀器誤操作造成損壞的，由于不熟悉實驗步驟導致實驗結果出不來的比比皆是。因而要求學生在線下實驗課之前登錄線上仿真平臺完成實驗課的預習任務就很有必要，一方面可以使得學生在線下課之前了解本次實驗課所涉及的相關理論知識；另一方面學生可以提前熟悉實驗箱的各個模塊以及操作方法和操作的注意事項，從而胸有成竹地進行線下實驗箱的操作。

1.2 線下實驗箱實驗操作

線下實驗箱與線上仿真平臺上的實驗項目、實驗模塊、實驗操作、實驗步驟等都是一致的，因此，通過線上仿真平臺的預習可以使學生對所要做的實驗了然于胸，在進行線下實驗箱操作的時候不會慌張錯亂、無從下手，能夠很順利地完成教學目標中要求的驗證性實驗。除此以外，學生還能夠帶著預習中的問題有目的地進行一些實驗探索并自己總結出一些實驗結論，從而能有效地反哺理論課中未吃透的概念和定理。

1.3 線上仿真平臺實驗補充

由于實驗學時的限制，學生在有限的時間內未必能很好地完成相關的實驗內容，而線上仿真平臺具有不受時間、地點、設備等限制的優點，學生可以隨時隨地地進行實驗，一方面可以補做未完成的實驗內容，另一方面可以對已做的實驗數據進行再修正和再完善。另外，根據通信原理課程教學大綱，實驗學時一般為12 ～16 學時，僅僅這些課時對于理解通信原理復雜而繁冗的理論知識遠遠不夠。例如，在數字頻帶傳輸系統中，筆者僅做了ASK 調制解調這個實驗項目，而對于FSK 調制解調、PSK 調制解調、DPSK 調制解調、QPSK 調制解調、DQPSK調制解調等實驗項目沒有足夠的課時讓學生逐個完成，但是線上仿真平臺就解決了這一問題，使得對相關知識感興趣的學生可以利用線上仿真平臺自己去探索，為學生的主動學習提供了平臺支撐。線上仿真平臺還支持FPGA 以及MATLAB 的二次開發，內置基于FPGA 的二次開發單元，內嵌EP4CE6 處理器、32 MHz 采樣率的8 位AD 和8 位DA 芯片、16個IO，可以通過Verilog HDL、MATLAB 語言編程自主設計通信系統以及系統中的各個模塊。

2 通信原理實驗線上+線下平臺

2.1 線上實驗平臺的架構

線上平臺使用學校與南京潤眾有限公司共同研發的“互聯網+通信技術在線實驗平臺”，該平臺是基于真實硬件電路的在線實驗平臺，平臺提供的實驗項目都由對應的硬件資源實現，而非單純的軟件仿真，實驗系統配置與線下實驗箱相同，用戶的所有操作均映射到可遠程控制的實驗對象和測量儀器上。該在線實驗平臺由硬件平臺和軟件平臺兩部分組成。

2.1.1 硬件平臺架構

硬件平臺采用3U 標準機箱式結構，由在線實驗板卡、機箱、服務器、網絡交換機和機柜等組成，如圖2所示。

圖2 硬件平臺架構

在線實驗板卡是整個硬件系統的核心部分，由實驗電路、智能儀表、數據采集卡、網絡傳輸組成。實驗電路與RZ9681 型現代通信技術實驗箱內的實驗模塊是一樣的，所能完成的實驗與線下實驗箱也是一致的；智能儀表是用來實現線下實驗中信號源、穩壓源、萬用表、示波器、邏輯分析儀、誤碼儀等儀器儀表的功能；數據采集卡是用來采集硬件操作完成后得到的實驗數據，并通過網絡傳輸部分上傳至服務器。

在線實驗板卡裝配于3U 標準機箱中，每個機箱可內置20 個在線實驗板卡，機箱安裝于機柜中，機箱之間可以進行級聯。服務器承載整個“互聯網+通信技術在線平臺”的管理與服務，網絡交換機用于整個“互聯網+通信技術在線平臺”的網絡通信與交換，機柜用于安裝3U 的機箱、服務器和網絡交換機等設備。

2.1.2 軟件平臺架構

軟件平臺基于B/S（瀏覽器/服務器）架構，由服務端網管平臺和客戶端實驗平臺兩部分組成，通過校園網或者互聯網進行互聯互通，在線實驗平臺的網絡拓撲結構如圖3所示。該平臺在服務端網管平臺和客戶端實驗平臺的支持下，能夠實現在客戶端瀏覽器上實時搭建和控制硬件電路，配置實驗電路激勵參數，選擇測試點，實現虛擬儀器實時測量實驗數據。

圖3 在線實驗平臺網絡拓撲圖

網管平臺是互聯網+實體實驗的保證，用戶類型分為教師用戶和學生用戶。教師用戶分為管理教師與普通教師；管理教師可以管理遠程虛實一體實驗室的一切日常事務，包括用戶管理、課程管理、實驗室配置、實驗內容編輯、實驗時間安排、公告管理等功能；普通教師可以發布管理公告（APP）、設置學生實驗權限（APP）、輔導學生實驗（APP）、批改實驗報告；學生用戶能夠預約實驗時間、調閱實驗課件、進行實驗操作、實驗結果測試、上傳實驗報告和查看成績。

實驗平臺是基于瀏覽器設計的，當用戶點擊進入實體操作實驗時，系統會自動分配給用戶硬件資源，當用戶通過瀏覽器運行提供的實驗軟件時，軟件會連接服務器，服務器通過記錄的IP 地址判斷連接用戶身份，用戶在客戶端的操作會直接發送給服務器，服務器判斷用戶身份后轉發給對應的實驗平臺，實驗平臺將測量數據實時發送給服務器，服務器會根據保存的設備使用記錄將數據轉發給對應的客戶端。

2.2 線下實驗平臺

線下平臺使用南京潤眾有限公司研發的RZ9681型現代通信技術實驗平臺，如圖4所示。該平臺是為適應當前通信理論教學及實驗教學的發展趨勢，精心研發的新一代現代通信技術實驗平臺。該平臺不僅具備完成常規實驗的功能，還結合了當前教學技術發展的幾大趨勢，即：實驗教學的工程化、實驗設備的網絡化、課堂教學的智能化。系統具備方便的軟硬件升級功能及二次開發功能，可以方便地解決高校在購買實驗設備后進行實驗內容的擴展及升級的問題。

圖4 RZ9681 型現代通信技術實驗平臺

在使用該平臺進行實驗課程開展時，擺脫了早期實驗內容設置單調，僅僅是完成實驗連線，然后測量波形的這種模式。在RZ9681 型實驗平臺上完成實驗時，按照理論預習、實驗交互、課堂測評、二次開發的流程進行實驗。

1）理論預習。實驗箱系統自帶交互式預習系統，通過實驗框圖、文字說明、理論波形等內容，結合配套的實驗教材，完成對當前課時實驗理論的預習。

2）實驗交互。在進行實驗時，結合形象化的實驗框圖，可以選擇性地控制各個模塊的時鐘，測量點輸出的數據等內容，將實驗過程的中間測量點展現出來，方便學生對實驗理論的理解。

3）課堂測評。通過配套的手機APP 軟件，教師可以在學生進行實驗時，對實驗系統進行一定的加錯設置，學生根據自己的理解，判斷錯誤并糾正錯誤。

4）二次開發。實驗模塊具備網絡加載的功能，可以方便地完成二次開發，擺脫了早期二次開發連接下載器的模式，并且系統具備斷電恢復功能，二次開發不會對系統造成影響。

3 通信原理實驗線上+線下混合式教學案例

3.1 線上平臺抽樣定理實驗

抽樣定理是通信原理中最基礎的理論知識，學生在學習這部分內容時，大多數只記住了抽樣信號的頻率是原始信號頻率的2 倍，但是為什么就不甚了解了，因此，教師有必要通過更形象的手段從時域、頻域來對這一定理進行更深入的分析和講解。我們就以抽樣定理這一實驗項目為例，對線上線下相結合的教學模式進行詳細的講述。

抽樣定理線上仿真平臺的實驗框圖如圖5所示，A2 單元完成信號抽樣，A7 單元完成信號恢復，模擬信號和抽樣脈沖由信號源產生，信號波形、頻率、幅度均可調節，抽樣脈沖頻率和占空比可調節，恢復濾波器帶寬可設置。

圖5 抽樣定理實驗框圖

我們選擇不會發生頻譜混疊的抽樣過程，設置模擬信號為正弦波信號、頻率為2 kHz、幅值為30，抽樣信號的頻率是8 kHz，占空比是1/2，恢復濾波器的截至頻率是3 kHz，經過線上仿真實驗可以通過示波器觀測得到時域的波形，如圖6所示，以及頻域的波形如圖7所示。

圖6 抽樣定理時域波形圖

圖7 抽樣定理頻域波形圖

圖6 中，1 通道是原始模擬信號，2 通道是抽樣脈沖信號，3 通道是抽樣后信號，4 通道是抽樣恢復信號，波形結果表明滿足抽樣定理，故可以無失真的恢復原模擬信號。圖7 中左上圖是模擬信號的頻譜，右上是抽樣信號的頻譜，左下是抽樣后信號的頻譜，右下是抽樣恢復信號的頻譜，從波形結果可以看出，抽樣的過程就是對原模擬信號頻譜搬移至抽樣信號頻譜兩側的過程。

通過抽樣定理實驗，學生能夠分別從時域和頻域分析和理解奈奎斯特抽樣定理的內容，另外通過線上仿真平臺還可以幫助學生理解理想抽樣定理和實際抽樣的差別，理解抽樣信號頻率，脈寬（占空比）對恢復信號的影響，掌握自然抽樣、平頂抽樣特性，理解低通濾波器幅頻特性對恢復信號的影響，了解混疊效應產生的原理等。

3.2 線下平臺抽樣定理實驗

經過線上仿真平臺預習以后，學生帶著問題到實驗室采用線下實驗箱完成抽樣定理實驗，實驗過程如圖8所示。打開實驗箱和示波器，找到抽樣定理實驗項目，連接導線和探頭，設置相應的參數，調節示波器顯示界面，得到的波形結果如圖9所示。

圖8 線下平臺實驗過程

圖9 波形結果

圖9 中，1 通道是原始模擬信號，2 通道是抽樣脈沖信號，3 通道是抽樣后信號，4 通道是抽樣恢復信號，從波形結果可以看出與線上仿真平臺的波形結果是一致的，因此，線上平臺作為線下平臺的預習和補充是可行的。另外，由于線下平臺中示波器對于頻域觀測結果不是特別理想，而線上平臺正好對線下平臺的這一缺憾作了補充，可以從頻域上對抽樣定理的概念進行分析，又加深了學生對這一抽象概念的理解。

4 結束語

通信原理實驗采用線上虛擬仿真與線下實驗箱相結合的教學形式，采用線上仿真平臺預習—線下實驗箱操作—線上仿真平臺補充的教學模式，解決了單純實驗箱教學的單一性和不完善性問題，使枯燥無味的實驗課變得更加生動有趣，大大提高了學生的學習興趣，豐富了實驗課的教學資源，拓展了實驗課教師的教學手段。經過幾輪通信原理實驗課程教學，學生反響不錯，使得在疫情防控期間非但沒有影響實驗課的教學，還取得了明顯的效果。