張錦龍

摘 要 針對(duì)現(xiàn)階段通信工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化需求，提出了基于信息技術(shù)的虛擬智慧實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的思考及虛擬智慧實(shí)驗(yàn)室的規(guī)劃與建設(shè)，闡述了智慧虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)價(jià)值，為信息技術(shù)時(shí)代高校通信實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供了一種新的視角及思路。

關(guān)鍵詞 信息技術(shù) 虛擬實(shí)驗(yàn) 通信工程實(shí)驗(yàn)室

中圖分類號(hào)：TP391????????????????????????????????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ???DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.07.086

Thinking?on?the?Construction?of?Intelligent?Virtual?Communication

Laboratory?Based?on?Information?Technology

ZHANG?Jinlong

（National?Experimental?Teaching?Demonstration?Center?of?Physics?and?Electronics，?Henan?University/School?of?Physics?and?Electronics，?Henan?University，?Kaifeng，?Henan?475004）

Abstract Aiming?at?the?informationization?requirement?of?experimental?teaching?of?communication?engineering?specialty?at?present，?this?paper?puts?forward?the?thinking?of?the?construction?of?virtual?intelligence?laboratory?based?on?information?technology?and?the?planning?and?construction?of?virtual?intelligence?laboratory，?expounding?the?construction?value?of?intelligent?virtual?simulation?laboratory，?providing?a?new?perspective?and?thinking?for?the?construction?of?University?communication?laboratory?in?information?technology?era.

Keywords information?technology;?virtual?experiment;?communication?laboratory

0?引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，越來(lái)越多的人通過互聯(lián)網(wǎng)享受網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的便捷服務(wù)，“基于網(wǎng)絡(luò)”，已經(jīng)成為一種生活和工作方式，而學(xué)習(xí)也正因互聯(lián)網(wǎng)而改變，不再受到時(shí)間和地點(diǎn)的限制，學(xué)習(xí)方式實(shí)現(xiàn)多樣化。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為大學(xué)教育中的重要組成部分，是培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新、實(shí)踐能力的重要途徑，[1]但從目前來(lái)看，大部分高校的實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)環(huán)境與理論知識(shí)無(wú)法完全閉環(huán)，難以做到真正的“開放型實(shí)驗(yàn)室”。

智慧虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是以“互聯(lián)網(wǎng)+”為基礎(chǔ)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)構(gòu)建“智慧”的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，[2]通過虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建虛擬的儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)對(duì)象和實(shí)驗(yàn)信息資源，為學(xué)習(xí)者提供一個(gè)生動(dòng)、逼真學(xué)習(xí)環(huán)境的共享型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

電子信息工程是一門以計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代化技術(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行電子信息的控制及處理的學(xué)科，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性及復(fù)雜性。[3]而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室難以滿足現(xiàn)代通信工程專業(yè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。以智慧教室為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供智慧應(yīng)用服務(wù)的教室空間及其軟硬件裝備，在物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新興科技技術(shù)的推動(dòng)下，更加有利于通信工程實(shí)驗(yàn)室信息化建設(shè)的最新形態(tài)，突出應(yīng)用驅(qū)動(dòng)、資源共享，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化作為高等教育系統(tǒng)性變革的內(nèi)生變量，以高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)助推高等教育教學(xué)質(zhì)量變軌超車，培養(yǎng)能夠適應(yīng)和支撐信息社會(huì)發(fā)展的高素質(zhì)的應(yīng)用型通信工程專業(yè)人才，助力高等教育強(qiáng)國(guó)建設(shè)。

1?通信工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化需求

1.1?創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求

開展實(shí)驗(yàn)類課程旨于培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新及實(shí)踐能力，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多偏重于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，一般是由老師先對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行講解及演示，使得學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有一定的了解，之后親自動(dòng)手進(jìn)行驗(yàn)證。該教學(xué)模式的實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練性不高，減少了學(xué)生觀察思考的機(jī)會(huì)，一定程度上禁錮了學(xué)生的思維，試驗(yàn)操作過于流程化，造成學(xué)生缺少探索能力，對(duì)于人才的培養(yǎng)存在阻礙作用。

而通信專業(yè)知識(shí)點(diǎn)涉及面較廣，需要較好的數(shù)學(xué)、物理基礎(chǔ)以及較強(qiáng)的動(dòng)手應(yīng)用能力。一些課程，如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)等屬于計(jì)算機(jī)類;另一些，如信號(hào)處理、高頻電路、電路原理等屬于電子類，還有本專業(yè)核心的通信原理、信號(hào)系統(tǒng)、光纖通信、移動(dòng)通信等課程，這些課程原理抽象復(fù)雜，所學(xué)范圍比較寬，需要學(xué)生有較強(qiáng)的邏輯思維能力和想象力。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備可靠性不足、配套資源單一、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不穩(wěn)定、與實(shí)驗(yàn)設(shè)備配套的測(cè)試設(shè)備不完善等問題，導(dǎo)致觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果手段太過于單一，影響理論的驗(yàn)證和理解，使得學(xué)生現(xiàn)有的專業(yè)水平與國(guó)家的“創(chuàng)新型人才培養(yǎng)戰(zhàn)略”之間還存在著較大的落差，尚未形成成熟的創(chuàng)新人才培養(yǎng)的思維和模式。

1.2?教學(xué)及科研工作的需求

隨著我國(guó)教育事業(yè)的迅速發(fā)展，已然形成了一支規(guī)模較大，思想素質(zhì)及業(yè)務(wù)能力較高的教師隊(duì)伍。然而由于高校招生規(guī)模的逐年擴(kuò)大，高校教師數(shù)量仍普遍處于不足的狀態(tài)，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般采用大班授課的方式，教師很難對(duì)所有學(xué)生進(jìn)行細(xì)致指導(dǎo)，教學(xué)質(zhì)量難以得到保障。

1.3?實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)及維護(hù)需求

隨著社會(huì)的進(jìn)步，教學(xué)內(nèi)容不斷更新，相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備更新?lián)Q代，先進(jìn)設(shè)備層出不窮。然傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)費(fèi)用高昂，且維護(hù)工作繁瑣困難，從人力、財(cái)力、時(shí)間、空間等方面始終制約著實(shí)驗(yàn)室的革新與建設(shè)，存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊落后，教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一成不變，傳授知識(shí)具有滯后性，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣大幅降低，教學(xué)效果大打折扣等問題。

2?智慧虛擬實(shí)驗(yàn)室的規(guī)劃與建設(shè)

2.1?建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等搭建的功能系統(tǒng)，[4]用于完成在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程，是整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)的核心功能組件。“虛”不是簡(jiǎn)單地拿Matlab、LabView作為虛擬仿真教學(xué)的全部，而是真正滿足現(xiàn)代通信實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)實(shí)需求。

（1）通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立構(gòu)建真實(shí)完整實(shí)驗(yàn)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，使得實(shí)驗(yàn)者在虛擬環(huán)境下感受到真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境;（2）將實(shí)驗(yàn)對(duì)象按知識(shí)體系切割為一個(gè)個(gè)獨(dú)立的模塊，可以按照實(shí)驗(yàn)意愿將各模塊以不同的方式進(jìn)行組合以搭建出不同的功能實(shí)體或系統(tǒng)，自由調(diào)節(jié)模塊相關(guān)參數(shù);（3）支持不同課程實(shí)驗(yàn)仿真軟件的接入，實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)的并發(fā)管理，完成多用戶同時(shí)實(shí)驗(yàn)的負(fù)載與資源的調(diào)度處理;（4）通過管理平臺(tái)調(diào)起本地或遠(yuǎn)程的虛擬仿真軟件，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化仿真軟件中的實(shí)驗(yàn)操作數(shù)據(jù)能回傳到平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)分析、實(shí)驗(yàn)報(bào)備的批閱、查看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)任務(wù)執(zhí)行情況并完成動(dòng)作記錄功能;（5）通過仿真實(shí)驗(yàn)的并發(fā)管理完成多用戶同時(shí)實(shí)驗(yàn)的負(fù)載與資源的調(diào)度處理。

建設(shè)智慧虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)，構(gòu)建虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境、儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)對(duì)象和實(shí)驗(yàn)信息資源，真正的為學(xué)習(xí)者提供一個(gè)生動(dòng)、逼真學(xué)習(xí)環(huán)境的共享型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

2.2?建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心信息門戶

建立以實(shí)驗(yàn)室為中心的虛擬實(shí)訓(xùn)信息門戶，將虛擬實(shí)訓(xùn)中心信息門戶作為實(shí)訓(xùn)中心各學(xué)科在線及實(shí)體實(shí)驗(yàn)室的信息入口，將最關(guān)鍵、最重要以及學(xué)生最關(guān)心的信息內(nèi)容呈現(xiàn)在門戶網(wǎng)站上，方便指導(dǎo)學(xué)生的日常虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。提供整體全景漫游，全景漫游時(shí)能夠到達(dá)具體實(shí)訓(xùn)設(shè)備，展示當(dāng)前實(shí)驗(yàn)設(shè)備的介紹說(shuō)明，實(shí)現(xiàn)在漫游設(shè)備上直接發(fā)起的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)，滿足學(xué)生對(duì)于設(shè)備的直觀認(rèn)識(shí)，方便學(xué)生進(jìn)行參觀及設(shè)備操作的學(xué)習(xí)，同時(shí)能夠進(jìn)行原理及技能方面的實(shí)訓(xùn)。

2.3?建立實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)

通過實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)的建立實(shí)現(xiàn)對(duì)教室內(nèi)設(shè)備的統(tǒng)一控制與管理，包括投影幕升降、設(shè)備開關(guān)機(jī)、音響調(diào)整、空調(diào)控制、燈光控制、窗簾開合等智能控制。同時(shí)建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)預(yù)約系統(tǒng)，以滿足自主開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系模式，經(jīng)老師確定開放實(shí)驗(yàn)資源及教務(wù)部門的教學(xué)資源情況審核，實(shí)現(xiàn)學(xué)生獲得自主開放實(shí)驗(yàn)練習(xí)訓(xùn)練的機(jī)會(huì)。系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)有限的仿真實(shí)驗(yàn)資源進(jìn)行開放共享管理，可有效解決資源使用沖突的問題，最優(yōu)化的提高資源利用率。

2.4?建立教學(xué)任務(wù)管理系統(tǒng)

建立教學(xué)任務(wù)管理平臺(tái)，將支持教師實(shí)驗(yàn)課程的各類基礎(chǔ)資源如視頻、指導(dǎo)手冊(cè)、教案、學(xué)習(xí)參考資料、實(shí)驗(yàn)仿真軟件進(jìn)行統(tǒng)一的存儲(chǔ)管理，提供資源分享功能，并可按內(nèi)容類型進(jìn)行分類管理，支持在線云盤管理、開發(fā)共享等參數(shù)特性。同時(shí)開發(fā)任務(wù)布置功能，指定執(zhí)行任務(wù)的對(duì)象，時(shí)時(shí)查看每個(gè)學(xué)生的任務(wù)完成情況及實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)，在線批閱學(xué)生上傳提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

2.5?建立教學(xué)資源管理系統(tǒng)

建立教學(xué)資源管理系統(tǒng)，并將其作為統(tǒng)一的系統(tǒng)訪問入口，接入各個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，為師生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程提供全程的“預(yù)約——實(shí)驗(yàn)——監(jiān)控——評(píng)估”閉環(huán)管理，構(gòu)建先進(jìn)的科研環(huán)境、全程的教學(xué)管理和動(dòng)態(tài)的評(píng)價(jià)模式，到滿足師生教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需要。同時(shí)創(chuàng)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)考核系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)組卷，自動(dòng)批卷，試卷分析統(tǒng)計(jì)自動(dòng)化等功能，提高閱卷效率，避免人工閱卷誤差。

3?智慧虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)價(jià)值

3.1?構(gòu)建高效的學(xué)習(xí)環(huán)境

創(chuàng)造“智慧”的教學(xué)環(huán)境，建設(shè)通信技術(shù)智慧虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，開發(fā)具備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)功能的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，形成虛實(shí)結(jié)合的通信網(wǎng)絡(luò)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，能夠很方便地讓師生與設(shè)備網(wǎng)絡(luò)交互，直觀地呈現(xiàn)和動(dòng)態(tài)評(píng)估實(shí)驗(yàn)操作的過程及結(jié)果，有效解決新實(shí)體設(shè)備更新壓力、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地小與學(xué)員數(shù)量多的矛盾、實(shí)驗(yàn)條件重復(fù)建設(shè)但利用率不高等問題。此外，借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)學(xué)員全天候?qū)W習(xí)模式，讓學(xué)員自主選擇學(xué)習(xí)進(jìn)度、學(xué)習(xí)時(shí)間和學(xué)習(xí)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)高效率學(xué)習(xí)。

3.2?實(shí)現(xiàn)教師的高效教學(xué)管理

智慧虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室綜合采用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通信等現(xiàn)代技術(shù)，聚焦通信工程專業(yè)的核心課程：通信原理、信號(hào)系統(tǒng)、光纖通信網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的、高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，支撐“通信工程”等專業(yè)學(xué)生通過線上與線下相結(jié)合的相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)。同時(shí)能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程控制、虛擬化技術(shù)等把實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)帶到理論課堂，把實(shí)驗(yàn)的課前預(yù)習(xí)、課中指導(dǎo)和課后復(fù)習(xí)放到線上，減少教師教學(xué)中的重復(fù)工作，高效管理實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，讓教師專注于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的建設(shè)。

3.3?豐富教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果最大化

實(shí)驗(yàn)室的線上線下統(tǒng)一管理能夠?qū)?shí)體實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源、虛擬仿真軟件進(jìn)行管理，并通過統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)導(dǎo)入，將線上、線下資源納入實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程，提供一致的使用體驗(yàn)。

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)基于底層通信虛擬仿真引擎，融合虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果，達(dá)到虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充的目的，并兼具擴(kuò)展性、兼容性和前瞻性。

3.4?實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室開放自由

減輕了實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中對(duì)于實(shí)驗(yàn)室及實(shí)驗(yàn)儀器的依賴，解決了高校實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)儀器不足的問題，為創(chuàng)新性科研及實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽提供物質(zhì)保障，減小了實(shí)驗(yàn)室管理難度，一定程度上實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)自由及人員管理自由。

3.5?降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，綠色環(huán)保安全

開展智慧虛擬實(shí)驗(yàn)的過程中，相關(guān)耗材及實(shí)驗(yàn)儀器損耗基本為零，且隨著實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的更新，只需更換相應(yīng)程序軟件，不必更換相關(guān)硬件實(shí)驗(yàn)器材，在保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的先進(jìn)性的同時(shí)大大降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)費(fèi)，減少了實(shí)驗(yàn)儀器的更換造成的廢物廢料。

4?結(jié)語(yǔ)

在互聯(lián)網(wǎng)不斷地在改變?nèi)藗兊纳詈凸ぷ鞣绞降男蝿?shì)下，學(xué)習(xí)也因互聯(lián)網(wǎng)而改變，通信工程專業(yè)課程教育建設(shè)應(yīng)把握住時(shí)代的機(jī)遇，將專業(yè)課程內(nèi)容和教學(xué)方式與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，改變教師的教學(xué)模式、學(xué)生的學(xué)習(xí)方式。利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與信息化課程相融合的形式建設(shè)智慧虛擬實(shí)驗(yàn)室將形成一種新型的溝通機(jī)制，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遇到的問題得到及時(shí)解決，使學(xué)習(xí)不再是單向輸出形式，而是雙向互動(dòng)形式，解決傳統(tǒng)“灌輸式”教學(xué)中學(xué)習(xí)者被動(dòng)學(xué)習(xí)、缺乏創(chuàng)新等問題，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化主動(dòng)教學(xué)，真正發(fā)揮“互聯(lián)網(wǎng)+”的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的共享，提高專業(yè)教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，創(chuàng)新性地發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+”職業(yè)教育模式，建設(shè)“智慧校園”、“智慧課堂”。

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