唐振華+常侃+張振榮

【摘要】文章針對電子通信類專業(yè)中實驗教學(xué)存在的問題，研究和構(gòu)建基于課程與實踐一體化的電子通信虛擬仿真實驗教學(xué)體系，并在此基礎(chǔ)上研究并提出虛擬仿真實驗平臺的框架，以提升通信工程和電子信息工程專業(yè)的實驗教學(xué)質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真實驗教學(xué)；課程與實踐一體化；電子通信

虛擬仿真實驗是指綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫以及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，通過構(gòu)建逼真的實驗操作環(huán)境和實驗對象，使學(xué)生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開展高效、安全且經(jīng)濟(jì)的實驗。虛擬仿真實驗?zāi)苓_(dá)到真實實驗不具備或難以實現(xiàn)的教學(xué)效果，尤其對于那些涉及高?；驑O端環(huán)境、不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的大型或綜合性實驗項目，因而虛擬仿真實驗教學(xué)對傳統(tǒng)的實驗教學(xué)思想、體系、模式、內(nèi)容、方法以及手段等都產(chǎn)生了意義深遠(yuǎn)的顛覆性影響。虛擬仿真實驗教學(xué)體現(xiàn)了信息技術(shù)與教育教學(xué)融合發(fā)展和與學(xué)科專業(yè)深度融合帶來的實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新。

教育部于2013 年8 月印發(fā)了《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》，正式啟動了國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作。為了促進(jìn)本科實驗教學(xué)改革，提高本科教學(xué)質(zhì)量，廣西大學(xué)計算機(jī)與電子信息學(xué)院整合已有的計算機(jī)與軟件技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)工程等實驗室，于2010年成立了計算機(jī)與信息技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)中心。該中心于2015年被評獲評為“自治區(qū)級虛擬仿真實驗教學(xué)中心”。中心主要為全校提供計算機(jī)、電子通信類課程的仿真實驗教學(xué)服務(wù)，面向計算機(jī)、電子信息工程、通信工程等信息技術(shù)類的本科專業(yè)學(xué)生。然而，目前中心主要側(cè)重于開設(shè)本科專業(yè)的部分虛擬仿真實驗，而極少涉及課程教學(xué)方面的虛擬仿真實驗，尤其是針對電子通信類的課程教學(xué)。本文正是針對上述問題而展開研究的，目標(biāo)是研究構(gòu)建課程與實踐教學(xué)一體化的電子通信虛擬仿真實驗體系與平臺，使其體現(xiàn)電子與通信學(xué)科的實踐性與設(shè)計性，突出培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新能力。

一、電子通信虛擬仿真實驗教學(xué)體系

在電子通信類的專業(yè)課程教學(xué)中，不少專業(yè)課程的理論性較強(qiáng)，物理概念抽象，學(xué)生不容易掌握好。傳統(tǒng)的教學(xué)方式主要注重基礎(chǔ)概念、基本定律以及理論和公式的推導(dǎo)和演算，缺乏感性地理解理論的輔助手段。以《電磁場與電磁波》課程為例，在該課程的教學(xué)過程中主要進(jìn)行理論和公式的講解，缺少諸如電磁場的三維特性和電磁波的波動特性等抽象內(nèi)容的生動展示， 導(dǎo)致學(xué)生對晦澀的理論失去學(xué)習(xí)興趣，從而影響整門課程的學(xué)習(xí)。

本文研究的基于課程與實踐一體化的電子通信虛擬仿真實驗教學(xué)體系包含理論教學(xué)、基礎(chǔ)實驗、綜合實驗與科研創(chuàng)新四個層次。這四個層次分別對應(yīng)四種類型的虛擬仿真實驗：演示型實驗、驗證型實驗、系統(tǒng)型實驗和創(chuàng)新型實驗。不同層次的實驗之間相互補(bǔ)充和融合，形成了多層次虛實結(jié)合的電子通信實驗教學(xué)體系，如圖1所示。在設(shè)計電子通信虛擬仿真實驗教學(xué)體系時，本文遵循了虛擬實驗不完全脫離傳統(tǒng)實驗，“能實不虛、虛實結(jié)合”的原則。在有條件的情況下，要盡量安排學(xué)生接觸實物進(jìn)行操作，這樣才能讓學(xué)生更好地掌握實際操作技能，處理各種實際問題。

不同類型的實驗作用不同。演示型實驗主要是讓學(xué)生通過形象的方式了解技術(shù)的基本原理。例如在講授《電磁場與電磁波》課程中均勻平面波在媒質(zhì)中傳播的規(guī)律時，可借助Flash技術(shù)，以高逼真的三維立體模型，完整、真實地呈現(xiàn)電磁波傳播時的狀態(tài)；在講授《現(xiàn)代通信原理》課程時，可借助MATLAB或LabVIEW等軟件動態(tài)地顯示發(fā)送信號和接收信號的波形變化情況。驗證型實驗則是讓學(xué)生對某個理論或技術(shù)進(jìn)行實驗，并根據(jù)實驗獲得的結(jié)果來驗證理論或技術(shù)，傳統(tǒng)實驗教學(xué)中主要開設(shè)該類實驗。系統(tǒng)型實驗則主要開展根據(jù)虛擬仿真實驗設(shè)備進(jìn)行自由搭建和組合實驗項目，例如利用部分硬件和虛擬軟件共同搭建基于MIMO無線通信系統(tǒng)等。創(chuàng)新型實驗則主要面向?qū)W科和行業(yè)發(fā)展前沿，讓部分學(xué)有余力的學(xué)生參與教師的科研項目和科研工作，并將科研項目研究成果轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實驗教學(xué)資源。

二、電子通信虛擬仿真實驗平臺

電子通信技術(shù)具有技術(shù)高度密集、對實踐性要求高和更新?lián)Q代快等特點。隨著包括新一代移動通信、三網(wǎng)融合、超高速光纖寬帶、虛擬現(xiàn)實、物聯(lián)網(wǎng)、量子信息處理、大數(shù)據(jù)以及云計算等通信與信息技術(shù)的不斷發(fā)展，采用傳統(tǒng)實驗實踐教學(xué)模式開展教學(xué)日益受到局限。此外，由于通信行業(yè)的保障性要求和信息安全要求高，設(shè)備貴，學(xué)生到企業(yè)真實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中參加實踐教學(xué)和工程訓(xùn)練困難。

以通信專業(yè)中移動通信網(wǎng)絡(luò)的實驗為例，如果學(xué)校自己搭建小型的移動通信網(wǎng)絡(luò)需要的成本極高，在經(jīng)費不充裕的情況下，很難開展此類實驗教學(xué)，嚴(yán)重影響學(xué)生專業(yè)實踐能力和實用技能的培養(yǎng)。然而，在虛擬實驗環(huán)境下，上述問題就能迎刃而解。作為新型的實驗教學(xué)手段，虛擬仿真實驗教學(xué)使學(xué)生不受地域和時間的限制，不受設(shè)備和平臺的限制，理解和掌握所學(xué)知識，并通過實踐進(jìn)行印證、應(yīng)用、設(shè)計和創(chuàng)新。因而，構(gòu)建課程與實踐教學(xué)一體化的電子通信虛擬仿真實驗平臺，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實驗，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果，能夠有效解決傳統(tǒng)基于實際通信信息網(wǎng)絡(luò)開展實驗教學(xué)的不足，同時也是解決電子通信類專業(yè)學(xué)生開展工程訓(xùn)練的重要途徑。

本文在研究廣西大學(xué)電子通信類專業(yè)在目前的教學(xué)與科研體系的基礎(chǔ)上，提出了基于課程與實踐一體化的虛擬仿真教學(xué)平臺的架構(gòu)，如圖2所示。該平臺包含電信基礎(chǔ)、信息處理和信息傳輸三大模塊，而各個模塊又包含具體的虛擬仿真實驗平臺。電信基礎(chǔ)模塊包括通信與系統(tǒng)及微波與天線兩個虛擬仿真實驗平臺，主要涉及有線和無線通信系統(tǒng)及微波傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵實驗。信息處理模塊包含生物醫(yī)學(xué)信息處理和多媒體信息處理兩個平臺，將專業(yè)基礎(chǔ)和老師們研究方向的特色有機(jī)結(jié)合起來。信息傳輸包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動通信、光通信網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信四個平臺，主要體現(xiàn)專業(yè)知識與當(dāng)前主流通信應(yīng)用的融合。這些平臺的構(gòu)建同時體現(xiàn)了實驗資源與信息技術(shù)深度融合、真實設(shè)備與虛擬環(huán)境有機(jī)結(jié)合。

三、結(jié)語

依托廣西大學(xué)電子信息工程和通信工程專業(yè)的特色優(yōu)勢，本文研究并構(gòu)建了涉及理論教學(xué)、基礎(chǔ)實驗、綜合實驗與科研創(chuàng)新的課程與實踐教學(xué)一體化的虛擬仿真實驗教學(xué)體系。該體系能夠較好地體現(xiàn)電子與通信學(xué)科的實踐性與設(shè)計性，突出培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新能力。此外，在多層次的虛擬仿真實驗教學(xué)體系中，圍繞具體的電子與通信相關(guān)的知識體系，研究并提出了課程與實踐教學(xué)一體化的電子通信虛擬仿真實驗平臺框架，該平臺能夠體現(xiàn)廣西大學(xué)電子通信學(xué)科在信息技術(shù)方面的優(yōu)勢，能體現(xiàn)真實實驗設(shè)備與虛擬實驗環(huán)境有機(jī)結(jié)合。

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