虛擬仿真技術在工科遠程教育中的應用研究
——以“5G通信實訓”課程為例

姜育生 賀國旗 梁妮 陜西開放大學

●引言

實踐教學是遠程教育中一個重要的質量保證環節，特別是工科實踐教學效果直接影響專業培養質量。由于遠程教育工科實踐教學受辦學模式的限制，線下教學非常依賴實驗設備，而遠程教育由于長期缺乏資金的投入，設備老舊、損壞嚴重，甚至有些課程沒有相關實驗室，再加上授課的時間、地點不固定，以至于學生到課率很低；線上教學以教師演示的方式為主，在實踐操作環節，和硬件相關的課程學生基本無法實施。無論是線上還是線下，學生基本沒有進行實際操作，導致學生動手能力差，影響實踐教學質量，嚴重制約遠程教育工科專業的發展。因此，在遠程教育中探索切實有效的工科實踐教學的途徑，成為目前迫切需要解決的問題。

虛擬仿真技術、云計算和大數據技術的融合為遠程教育提供了契機，特別是虛擬仿真技術與網絡的結合，使得遠程教育的學生不受時空的限制，依托遠程仿真平臺，在個人電腦登錄即可完成實驗操作，為工科專業實踐教學提供了一種行之有效的解決方案。

●虛擬仿真技術應用于遠程教育的優勢

虛擬仿真類實踐教學擺脫了傳統教學在時間和空間上的制約，實現了理論學習與實踐運用的緊密結合，解決了遠程教育實踐教學中長期存在的問題。[1]虛擬仿真技術應用于遠程教育具有以下優勢。

1.解決遠程教育的工學矛盾

遠程教育有別于傳統的全日制教育，學生的工學矛盾突出。受工作、家庭的影響，學習時間不固定，部分學生工作地點也經常變化，集中到校實踐教學不現實。依靠虛擬仿真技術打造集教學、實踐等功能于一體的綜合性實踐實訓平臺，讓學生隨時隨地都能進行虛擬仿真實驗，不受時間、地點的限制，具有很強的靈活性和便捷性，滿足了學生的學習需求，緩解了工學矛盾，提高了學生實踐操作的積極性。[2]

2.改善實踐教學實驗條件

由于遠程教育長期的資金投入不足，幾乎所有的遠程工科類專業實驗室都存在設備匱乏、老舊，甚至無相關實驗室、實訓基地等問題。這一點，從生均實驗室面積、生均教學科研儀器設備值、實驗開出率等統計數據來看也得到進一步驗證。[3]而虛擬仿真平臺可以有效改善實驗條件，平臺中所有的硬件設備都是以真實設備為原型，通過虛擬仿真技術構建出來的虛擬設備，包括應用場景、工具線纜等一并呈現出來，在外觀上和真實設備環境幾乎沒有差異，操作配置也和真實設備一致。由于是在純軟件平臺操作，所以沒有實際損耗，沒有操作頻次的限制，不涉及操作者安全問題，只需要伴隨技術的更新進行軟件的升級，再沒有其他額外的開支，大幅減少了實驗設備經費的支出。學生在仿真平臺上完成課程規劃的所有實驗，有效解決場景難復原、錯誤難復現以及部分破壞性實驗問題，大幅改善實踐教學條件。

3.激發學生實踐操作興趣

虛擬仿真技術可以將一些抽象、枯燥的知識，通過虛擬三維場景呈現出來，使學生操作時有身臨其境的感覺，增強學生對所學知識的理解和掌握。虛擬仿真突破了實踐教學對客觀條件的依賴，改變了學生被動聽講的局面，學生在虛擬場景中可進行自主選擇、分組操作，可反復進行試驗。通過虛擬仿真教學，學生可以不斷挑戰自我，激發學習興趣和求知欲，增強學習動機和學習效果，從而提升教學質量。

4.提升實踐教學效率與效果

虛擬仿真技術和大數據、云計算等技術深度融合，對實驗的操作實際上是對后臺服務器數據的操作，所以整個實驗過程并不會增加成本。而且，在虛擬仿真平臺上進行實踐操作，不受硬件條件制約，無需排隊等待，無安全隱患，非常契合遠程教育學生學習時間靈活的特點。學生在課程規定的時間內登錄虛擬仿真平臺進行實驗操作，沒有操作次數的限制，也可以在完成虛擬實驗項目后，重現實驗操作過程，實現對實驗中問題的反向追溯。由教師和學生對實驗過程進行評價，師生共同對實驗結果進行分析與總結，實現對實驗過程和實驗結果的科學評價。教師還可以根據實際需求構建新的實驗項目，不斷完善、更新虛擬仿真實驗項目。因此，虛擬仿真教學平臺能提供更多的優質實驗資源，提升實踐教學質量。

●5G課程虛擬仿真教學實例

立足于遠程教育實踐教學內涵發展要求和無線通信行業特色，以虛擬仿真實訓及故障檢測為抓手，以滿足5G基站建設與維護、5G核心網技術、5G網絡規劃與優化主干課程為主，同時兼顧數據通信、光傳輸技術與應用等支撐專業的5G全網通信綜合實訓，對換機、路由器、傳輸承載網、無線網絡優化、無線接入網和核心網等實踐操作能力有一定的要求，所有實踐操作均需要相關實驗室支撐。然而，受遠程教育經費的限制，對于設備成本高、更新換代快的實驗室，很難獲得批建設，即便建設一兩套，也僅限于教師演示，而無法滿足人數眾多的學生實訓需求。所以，可以在5G通信綜合實訓中采用IUV_5G虛擬仿真平臺，該平臺以通信網絡為應用場景，基于現網部署流程級真實設備，打造融“網絡規劃、網絡配置、網絡調試”于一體的、實現5G課程實訓教學模擬的一站式訓練平臺，學生可以隨時隨地登錄，反復實踐操作，完成全流程學習，從而掌握通信設備的部署、配置、運維，以及站點設備安裝調試、網絡規劃優化等崗位工作技能，真正實現向應用型人才轉變。

1.實踐教學實施平臺

IUV_5G虛擬仿真平臺依托華為云、阿里云等公有云設計，在真實還原5G網絡中各設備類型與參數類型的基礎上，全方位模擬端到端網絡建設過程。以城市級網絡建設案例高精度還原5G NSA/SA網絡建設與優化流程。三個城市差異化場景布局，全方位呈現了5G網絡端到建設與切片流程。點線面的5G實訓技能點設計涵蓋網絡規劃、網絡配置、業務調試、網絡優化等全崗位專業技能需求。數據、語音、視頻優化分級，基礎、進階、專項優化逐級遞進，全面適配不同技能層級。[4]

2.實踐教學實施方法

采用“集中授課+分時練習+遠程操作+在線調試”模式，以實際問題為中心、工程案例為載體，結合相應理論知識，采取參與式、案例式、情境式、探究式等多種方法，組織開展問題討論、互動交流、過程體驗和實踐模擬等培訓活動。以5G公共網絡與專用網絡為基礎，構建涵蓋5G網絡系統架構、場景化部署方案、無線核心基礎原理、關鍵技術與產業數字化應用等公專一體的課程體系，并通過5G虛擬仿真軟件對六大模塊與切片應用等內容進行講解，以理論為驅動，以實訓為引擎，理實一體，全面突破5G通信網絡的重點和難點。

3.實踐教學實施過程

5G虛擬仿真平臺以輕量化與趣味化為目標，提供了拖放、輸入、下拉、連線、點選等操作方式。操作過程可對網絡設備、站點類型、終端進行拖放，可以對數據參數、計算結果進行輸入或者下拉，可對設備對接、參數配置等進行連線或者點選。依次完成“無線網、核心網、承載網”的設備安裝、數據配置，然后根據告警信息查找錯誤并修改，直至業務開通。[5]具體的學習場景如下。

課前：學生登錄IUV-5G仿真平臺進行仿真實驗操作與預習，了解Optiion3x、Option2、Option4a三種網絡架以及對應的網元、接口等基本知識點，針對每個知識點，平臺均配有相應PPT、微課與教學視頻，可以提前閱讀思考，如有不明白的地方，可在論壇上討論或將疑問帶入課堂。

課中：教師通過IUV二級管理平臺將課堂理論關聯的實訓數據推送給學生，并分模塊進行操作演示；學生在教師的指導下完成對無線網、核心網、IP+光承載網的設備安裝、接線、數據配置、結果驗證。

課后：教師在系統上設置項目，學生登錄平臺后讀取“實訓項目”并逐一完成，整個實訓過程不受時空限制，可記錄，可監測，教師隨時可以了解學生學習掌握程度，使用關聯賬號和學生同步操作，解決問題。

4.實踐教學實施效果

5G通信實訓是通信專業的核心課程，其實訓教學中涉及的知識點多，內容抽象，尤其是無線通信過程的信令和數據無法通過直接觀測，必須通過實驗儀器呈現出來，由于缺乏必要的實驗設備，實訓環節一直流于形式。IUV_5G虛擬仿真實訓平臺的使用，極大地提升了學生的熱情和參與度，統計數據顯示，學生的實踐時長、任務完成率、測試通過率等均大幅度提高，從教師和學生對實訓的綜合評價來看，在實踐中引入虛擬仿真技術有效培養了學生分析問題、解決問題的能力，進一步強化了學生的動手操作能力，提升了實踐教學的效果與質量。

5.實踐教學評價體系

實踐教學成果的評價是檢驗學生實踐成果的重要手段，是評價實踐教學目標實現與否的主要依據。根據OBE教育理念（學生中心、成果導向、持續改進），應在實踐教學過程中采用“重實踐過程、重目標達成度、重創新能力”的多元化評價體系，對實踐效果進行全方位跟蹤評價。利用虛擬仿真實踐平臺的信息化、網絡化功能，對學生實踐教學環節的學習過程進行把控、評價和記錄，實現對實踐教學環節的學生學習過程的記錄、跟蹤和監督。[6]要想保證實踐教學能夠達到預期的目標，既要對學生的實踐成果進行評價，還要對實踐教學實施的具體效果進行評價，并及時進行反饋，以便及時修正實踐教學內容和評價體系，進而更好地檢驗教學內容的設計是否符合培養目標的需要。[7]在教學效果評價上，要關注學生在知識和能力等方面的變化，應采用持續評價、及時反饋的方法和策略來激勵學生不斷進步。[8]

●結束語

在遠程教育中引入虛擬仿真技術，有效地解決了因硬件設備問題而導致的部分實踐教學無法開展、達不到預期等問題，極大地緩解了工學矛盾，提升了實踐教學的安全性，培養了學生的動手實踐能力和應用創新能力，增強了學生的就業競爭力。[9]

然而，相較于復雜的工程網絡環境，虛擬仿真平臺無法做到和實際應用環境完全一致，筆者在部分環節還是做了一些簡化，所以，在虛擬平臺上的調試經驗并不能完全應用在真實網絡設備中。另外，在針對現網設備的操作中，不能反復操作，需要考慮時間和成本，安全意識也必須加強，這些也決定了虛擬仿真實驗不能夠完全代替傳統實驗，只能作為傳統實驗條件不足情況下的補充。[10]