武 一, 周亞同, 張 雯, 張保敬, 徐曉輝

(河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 天津 300401)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)

通信工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心構(gòu)建及管理

武 一, 周亞同, 張 雯, 張保敬, 徐曉輝

(河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 天津 300401)

針對(duì)當(dāng)前高校通信工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題和改革形勢(shì),首先論述構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的必要性；然后介紹河北工業(yè)大學(xué)通信工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的主體框架與層次,并以高頻電子線路、數(shù)字圖像處理、光纖通信等課程為例,詳細(xì)剖析一些典型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容、功能和效果；最后闡述在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心管理制度建設(shè)方面的一些經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)。通信工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè),豐富了本專業(yè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)體系,提升了學(xué)生的動(dòng)手能力和學(xué)習(xí)興趣。

通信工程； 虛擬仿真； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心； 實(shí)踐教學(xué)

1 通信工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的問(wèn)題

國(guó)內(nèi)很多高校都開(kāi)設(shè)有通信工程本科專業(yè),面對(duì)通信技術(shù)的不斷發(fā)展和通信系統(tǒng)的不斷復(fù)雜化,傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法已經(jīng)不能滿足新形勢(shì)下的學(xué)習(xí)需求[1]。當(dāng)前通信工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨如下問(wèn)題:

(1) 經(jīng)費(fèi)問(wèn)題限制了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選購(gòu)、維修和更新?lián)Q代,從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)內(nèi)容長(zhǎng)期得不到更新,這與通信工程技術(shù)更新快的特點(diǎn)不匹配。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過(guò)于單一的情況下,實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)難以達(dá)到,更不能達(dá)到學(xué)生廣泛參與設(shè)計(jì)型和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的目的。

(2) 通信行業(yè)中的部分傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)需要焊接過(guò)程和強(qiáng)電設(shè)備支持,存在一定的危險(xiǎn)性,學(xué)生在不會(huì)使用的情況下容易發(fā)生危險(xiǎn),造成人身傷害。

(3) 一些通信類實(shí)驗(yàn)過(guò)程相對(duì)復(fù)雜,使得實(shí)驗(yàn)效率降低,實(shí)驗(yàn)效果得不到充分的保證。

(4) 高校擴(kuò)招和學(xué)生人數(shù)增加,導(dǎo)致部分高校通信工程實(shí)驗(yàn)室條件在一定程度上不能滿足學(xué)生的需求。

2 通信工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心構(gòu)建

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)含義

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)不局限于地點(diǎn)和時(shí)間,學(xué)生可以通過(guò)通信工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心(下稱中心)提供的虛擬器材自己動(dòng)手連接和調(diào)試實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?并可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)豐富了實(shí)物實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容,能夠在實(shí)物實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提供相對(duì)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手創(chuàng)新能力、提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性[2]。

2.2 構(gòu)建中心的必要性

針對(duì)當(dāng)前通信工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中面臨的問(wèn)題,我校通信工程專業(yè)引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,使得虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)相互結(jié)合和補(bǔ)充,進(jìn)而構(gòu)建比以往更加完善的通信工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。

(1) 中心不僅豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,而且在很大程度上降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本,為更多學(xué)生提供了自主學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,緩解了實(shí)驗(yàn)設(shè)備后期維護(hù)壓力,實(shí)驗(yàn)效果更佳。

(2) 中心給學(xué)生提供了可靠安全的實(shí)驗(yàn)方法,避免了部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的高消耗[3]。不僅可提供大膽思路給學(xué)生,而且在操作過(guò)程中學(xué)生不必?fù)?dān)心接線錯(cuò)誤和任意改變?cè)骷?lái)的危險(xiǎn)。

(3) 中心使得實(shí)驗(yàn)更加方便和高效,縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間,達(dá)到學(xué)生自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的目的,教學(xué)目標(biāo)更加明確,提高教學(xué)效率,發(fā)散學(xué)生思維,積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),有利于提高實(shí)物實(shí)驗(yàn)的成功率,使理論與實(shí)際更好地相結(jié)合,更加符合高校開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的初衷。

2.3 中心主體框架

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的引入使目前傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系上升到了更高水平和層級(jí)。圖1是中心主體框架。該框架包括通用軟件虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、通信電子線路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、通信信號(hào)處理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、通信傳輸模式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理中心等。

圖1 河北工業(yè)大學(xué)通信工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心主體框架

2.4 中心的層次

如圖2所示,中心主要分為4個(gè)層次,分別為設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)、綜合型實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)和演示型實(shí)驗(yàn)。4種實(shí)驗(yàn)類型相互結(jié)合、相互補(bǔ)充,形成了完整的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,從認(rèn)知能力、動(dòng)手能力、思維能力和創(chuàng)新能力等各方面提升學(xué)生的素質(zhì)。

圖2 河北工業(yè)大學(xué)通信工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)層次圖

3 典型的通信工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)剖析

中心包涵有大量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn),涵蓋了本專業(yè)的大部分相關(guān)課程,本文挑選幾個(gè)典型實(shí)例進(jìn)行剖析。

3.1 高頻電子線路虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

傳統(tǒng)高頻電子線路實(shí)驗(yàn)主要包括場(chǎng)效應(yīng)管諧振放大器、高頻諧振功率放大器等典型實(shí)驗(yàn)。中心可以交叉構(gòu)建相關(guān)的電路原理圖[4],對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真和調(diào)試,并且可在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),還可以結(jié)合一些能夠?qū)崿F(xiàn)的傳統(tǒng)電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,將2種實(shí)驗(yàn)方式的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析[5]。學(xué)生可以在短時(shí)間內(nèi)深刻體會(huì)到電路中信號(hào)的變化情況,教學(xué)效果得到顯著提高,以基極調(diào)幅電路為例闡釋。

3.1.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目:基極調(diào)幅電路

(1) 熟悉高頻電子線路仿真方法,理解基極調(diào)幅電路的實(shí)現(xiàn)原理,了解并熟悉電路工程分析法。

(2) 熟悉調(diào)幅波中的各個(gè)參數(shù)定義以及測(cè)量方法,了解每個(gè)電壓量對(duì)于電路的影響,綜合考慮載波輸入電壓和調(diào)制輸入電壓值。

(3) 了解電路的輸出波形為何失真和一些消除失真的辦法。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)功能和效果

在虛擬仿真中心工作區(qū)中搭建基極調(diào)幅電路,要求晶體管工作處于欠壓狀態(tài),即偏置電壓設(shè)定在一定范圍內(nèi),不能太大,并分析晶體管工作特性曲線。圖3為基極調(diào)幅電路虛擬仿真效果圖。

圖3 高頻電子線路課程的基極調(diào)幅電路仿真效果圖

3.2 數(shù)字圖像處理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

數(shù)字圖像處理虛擬仿真中心可以廣泛應(yīng)用于圖像增強(qiáng)、編碼、分割等相關(guān)實(shí)驗(yàn)中,針對(duì)用戶對(duì)圖像效果提出的不同要求,分別實(shí)現(xiàn)圖像的不同處理操作,以數(shù)字圖像恢復(fù)虛擬仿真為例闡釋。

3.2.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目:數(shù)字圖像恢復(fù)

數(shù)字圖像恢復(fù)是圖像處理的一個(gè)重要分支,對(duì)畸變或退化后的圖像進(jìn)行恢復(fù)處理,包括圖像復(fù)原或修復(fù)等處理手段[6]。主要是為了改善視覺(jué)效果,以最大的保真度恢復(fù)原來(lái)的圖像。圖像恢復(fù)質(zhì)量不僅根據(jù)主觀感受來(lái)判斷,而且也根據(jù)一些客觀的衡量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)功能和效果

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心上對(duì)退化圖像建立退化數(shù)學(xué)模型,最大限度恢復(fù)圖像的本來(lái)面目。在提取的圖像特征上做進(jìn)一步分析和理解,根據(jù)得到的圖像顏色和紋理等特征,進(jìn)行圖像恢復(fù)工作。圖像恢復(fù)虛擬仿真效果如圖4所示。

圖4 圖像復(fù)原和修復(fù)虛擬仿真效果圖

3.3 光纖通信虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

光纖通信實(shí)驗(yàn)本身成本比較高,而且發(fā)展速度快,很適合用于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作[7],以光波分復(fù)用及光時(shí)分復(fù)用為例進(jìn)行闡釋。

3.3.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目:光波分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用

(1) 在光復(fù)用器與解復(fù)用器搭建多個(gè)信道的光波分復(fù)用系統(tǒng)基礎(chǔ)上,研究基于直接調(diào)制與間接調(diào)制方法傳輸多路高速率信號(hào)的光波分復(fù)用系統(tǒng)[8]。

(2) 根據(jù)間接調(diào)制原理,采用光復(fù)用器、解復(fù)用器及光時(shí)延器搭建多個(gè)信道的光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)。

(3) 研究光復(fù)用器間隔及光纖參數(shù)系統(tǒng)的影響對(duì)通信容量和信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的意義。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)功能和效果

在光直接調(diào)制以及間接調(diào)制原理的基礎(chǔ)上,理解搭建的光波分復(fù)用及光時(shí)分復(fù)用光纖通信系統(tǒng),并比較2種復(fù)用方式的區(qū)別和特點(diǎn)。通過(guò)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)、模型搭建、仿真結(jié)果的對(duì)比,得到最優(yōu)的光波分復(fù)用及時(shí)分復(fù)用通信系統(tǒng)。圖5和圖6分別為光波分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)虛擬仿真框圖。

圖5 光波分復(fù)用系統(tǒng)虛擬仿真框圖

圖6 光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)虛擬仿真框圖

4 通信工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的管理

4.1 實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍建設(shè)

與實(shí)物實(shí)驗(yàn)不同,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)于實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍的教學(xué)能力要求更高。增強(qiáng)教師隊(duì)伍在虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)操作方面的水平,是優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍建設(shè)的核心。具體可采取如下措施:

(1) 集中校內(nèi)外豐富的教育資源,優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)教師隊(duì)伍,積極探索實(shí)驗(yàn)教師培訓(xùn)機(jī)制和管理新體制[9]。

(2) 充分發(fā)揮優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)教師的帶頭作用,在所涉及的教學(xué)內(nèi)容和課程體系基礎(chǔ)上,進(jìn)行學(xué)術(shù)討論和經(jīng)驗(yàn)交流,以此帶動(dòng)整個(gè)教師隊(duì)伍水平[10]。

(3) 建立和完善獎(jiǎng)勵(lì)和鼓勵(lì)辦法,進(jìn)一步探索專職實(shí)驗(yàn)室教師聘用新方式,進(jìn)一步健全實(shí)驗(yàn)室學(xué)生助管制度。

(4) 促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)研究結(jié)合,激勵(lì)更多的研究型教師參與到實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作中來(lái)。

4.2 通信工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)研發(fā)能力培養(yǎng)建設(shè)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)研發(fā)能力的培養(yǎng)建設(shè)還需要進(jìn)一步提升。建設(shè)方向主要涵蓋以下幾個(gè)方面:

(1) 研究型教師將有代表性的科研成果引入到仿真中心,給實(shí)驗(yàn)內(nèi)容注入創(chuàng)新思維[11]。

(2) 學(xué)生在電子設(shè)計(jì)大賽中獲獎(jiǎng)的作品,以及平時(shí)在電子科協(xié)完成的實(shí)驗(yàn)成果引入到虛擬實(shí)驗(yàn)中心中,作為實(shí)驗(yàn)資源提供給學(xué)生作為學(xué)習(xí)教材,從而激發(fā)更多學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。

(3) 通過(guò)和通信行業(yè)的不同科技公司合作,共同研究和探索通信工程相關(guān)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,將聯(lián)合研發(fā)的部分內(nèi)容引入到實(shí)驗(yàn)中心,豐富相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,使學(xué)生能夠了解到目前最新的最具代表性的應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[12],更好地做到理論知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合。

4.3 通信工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室制度建設(shè)

實(shí)驗(yàn)室制度建設(shè)是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心管理過(guò)程中相當(dāng)重要的一部分。考慮到通信工程實(shí)物實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是互為補(bǔ)充的,因此制度建設(shè)需要從各方面進(jìn)行綜合規(guī)劃。具體制度建設(shè)包括:

(1) 保證實(shí)物實(shí)驗(yàn)室的安全和實(shí)驗(yàn)室定期開(kāi)放,實(shí)驗(yàn)教師做到定期檢查[13]。

(2) 實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備需要定期檢驗(yàn)和維護(hù),對(duì)出現(xiàn)問(wèn)題的設(shè)備和儀器定期維修和更新,貴重實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備要重點(diǎn)維護(hù)。

(3) 教師和學(xué)生科研活動(dòng)要尊重實(shí)驗(yàn)室以科研和學(xué)習(xí)為目的和前提,鼓勵(lì)實(shí)驗(yàn)探討和演示操作。

(4) 虛擬和實(shí)物實(shí)驗(yàn)儀器經(jīng)費(fèi)預(yù)算比例需要符合學(xué)校的政策規(guī)定。

(5) 實(shí)驗(yàn)教師定期更新虛擬仿真中心中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,定期討論實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,實(shí)驗(yàn)教學(xué)做到全面開(kāi)放。

(6) 學(xué)生可以通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)中心交流心得體會(huì),教師通過(guò)中心進(jìn)行難點(diǎn)答疑和實(shí)驗(yàn)結(jié)果批閱,并且答疑和批閱要制度化。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合我校通信工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀,構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心并進(jìn)行有效管理是一種全新的改革和創(chuàng)新,在很大程度上激發(fā)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣,從而提高了整體教學(xué)質(zhì)量。本文介紹了我校通信工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的主體框架與層次,并以高頻電子線路、數(shù)字圖像處理、光纖通信等課程為例,詳細(xì)剖析了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容、功能和效果。最后闡述在中心管理制度建設(shè)方面的一些經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)。當(dāng)前中心的一個(gè)不足是部分研制開(kāi)發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K水平高低不一、少數(shù)引進(jìn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K所涉知識(shí)范圍和我校理論教學(xué)內(nèi)容不匹配等。未來(lái)會(huì)根據(jù)學(xué)校的實(shí)際情況不斷改進(jìn),在實(shí)踐中不斷摸索進(jìn)步。

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Construction and management of virtual simulation experimental teaching center in communication engineering

Wu Yi, Zhou Yatong, Zhang Wen, Zhang Baojing, Xu Xiaohui

(School of Electronic and Information Engineering,Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China)

Aiming at the problem about the teaching present situation and the reform situation about experiment of communication engineering, this paper discusses the necessity of building virtual simulation experimental teaching center, and introduces the framework and hierarchy of virtual simulation experimental teaching center. Illustrated by the example of high frequency electronic circuit, digital image processing, optical fiber communication, some typical virtual simulation experimental functions and effects are analyzed in detail. The communication engineering virtual simulation experiment teaching center enriches the construction of the structural system and improves the students’ practical ability and learning interest, which has provided the references on the construction and management for the virtual simulation experimental teaching center about related majors.

communication engineering; virtual simulation; experimental teaching center; practical teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.05.055

2016-11-23 修改日期：2017-01-04

河北省教學(xué)改革項(xiàng)目(2015GJJG019)；教育部人文社會(huì)科學(xué)研究規(guī)劃基金項(xiàng)目(15YJA630108)資助

武一(1964—),女,天津,博士,教授,河北工業(yè)大學(xué)電信學(xué)院副院長(zhǎng),主管教學(xué)工作,長(zhǎng)期從事電信學(xué)院本科生教學(xué)管理和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等

周亞同(1973—),男,湖北松滋,博士,教授,河北工業(yè)大學(xué)通信工程系系主任,長(zhǎng)期從事通信工程專業(yè)的教學(xué)管理、科學(xué)研究及實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等.

E-mail：zyt@hebut.edu.cn

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1002-4956(2017)5-0218-05