摘要：在現(xiàn)代移動通信技術(shù)專業(yè)課程體系中，實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中存在實驗所需的部分設(shè)備和環(huán)境在校內(nèi)實訓(xùn)室難以完成的問題，為此在實踐環(huán)節(jié)引入虛擬仿真技術(shù)是十分必要的。文章以廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代移動通信技術(shù)專業(yè)的“現(xiàn)代通信技術(shù)”“移動通信技術(shù)”“移動網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化分析”這3門課的實踐教學(xué)為案例，分別介紹了e-Labsim、MATLAB、AYT-5G這3款仿真軟件在實踐教學(xué)中的應(yīng)用模式與教學(xué)效果。結(jié)果表明，采用基于虛擬仿真技術(shù)的實踐課程取得了良好的教學(xué)效果，能夠滿足高職院校通信類專業(yè)的實踐教學(xué)要求。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)；移動通信；課程建設(shè)；教學(xué)改革；理實結(jié)合

中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著5G移動通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，在“新工科”教育理念^［1-3］時代背景下，如何使學(xué)生掌握最前沿的理論和技能，保持與行業(yè)發(fā)展的同步，成為高職院校的現(xiàn)代移動通信技術(shù)專業(yè)學(xué)科建設(shè)和人才培養(yǎng)的重要課題?！艾F(xiàn)代通信技術(shù)”“移動通信技術(shù)”“通信系統(tǒng)仿真”“基站工程與設(shè)備維護(hù)”等課程作為現(xiàn)代移動通信技術(shù)專業(yè)的核心課程，理論性強(qiáng)、系統(tǒng)性強(qiáng)，但部分課程內(nèi)容往往較為抽象且包含較多的數(shù)學(xué)描述，缺乏直觀的可視化呈現(xiàn)，往往讓學(xué)生感到難以掌握，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中易產(chǎn)生畏難情緒，缺乏深入探索的興趣。同時，傳統(tǒng)的實驗課程設(shè)置較為孤立，各課程間關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，難以形成系統(tǒng)的認(rèn)知體系且實驗室建設(shè)成本高、周期長，難以適應(yīng)技術(shù)的快速迭代。

針對這些問題，教育部發(fā)布了《關(guān)于2017—2020 年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》，工業(yè)和信息化部、教育部等5部門聯(lián)合發(fā)布《虛擬現(xiàn)實與行業(yè)應(yīng)用融合發(fā)展行動計劃（2022—2026年）》^［4］，通過虛擬仿真技術(shù)為現(xiàn)代移動通信技術(shù)專業(yè)的教學(xué)改革提供了新的思路。虛擬仿真技術(shù)通過數(shù)據(jù)庫、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)字媒體虛擬現(xiàn)實等技術(shù)手段，實現(xiàn)實驗設(shè)備和實驗項目的虛擬化、數(shù)字化和可視化。相比傳統(tǒng)的實驗教學(xué)，虛擬仿真實驗展現(xiàn)了諸多優(yōu)勢，它不受場地限制、設(shè)備約束以及自然環(huán)境的影響，具備網(wǎng)絡(luò)資源的高度共享性、便捷的交互操作性、過程的透明性、用戶的自主性、系統(tǒng)的可擴(kuò)展性以及高度的安全性。在進(jìn)行實驗操作的過程中，學(xué)生能夠獲得強(qiáng)烈的臨場感和沉浸感^［5-6］，不但極大地提升了學(xué)習(xí)體驗，而且降低了教學(xué)成本，提高了教學(xué)效率。本文以廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代移動通信技術(shù)專業(yè)的教學(xué)實踐為例，探索了虛擬仿真技術(shù)在高職院校通信類專業(yè)課程中的應(yīng)用模式與教學(xué)效果。

1 現(xiàn)代移動通信技術(shù)專業(yè)教學(xué)的主要問題

1.1 理論與實踐結(jié)合不足

移動通信技術(shù)是一門理論與實踐緊密結(jié)合的學(xué)科。盡管教學(xué)強(qiáng)調(diào)理論與實踐并重，但受限于實驗設(shè)備的單一性，學(xué)生往往只能按照預(yù)設(shè)步驟操作，缺乏解決實際通信問題的能力。這導(dǎo)致學(xué)生在面對實際在網(wǎng)運(yùn)行的移動通信設(shè)備時，往往感到無從下手，缺乏必要的實踐技能。虛擬仿真技術(shù)則能提供一個高度仿真的實驗環(huán)境，讓學(xué)生在其中自由探索、調(diào)試，從而真正將理論知識轉(zhuǎn)化為實踐能力。

1.2 教學(xué)師資實踐經(jīng)驗缺乏

移動通信技術(shù)的快速發(fā)展要求教師具備豐富的實踐經(jīng)驗，但現(xiàn)實中，許多教師缺乏通信企業(yè)的實際工作經(jīng)驗。虛擬仿真技術(shù)通過模擬真實通信場景，不僅為學(xué)生提供了實踐機(jī)會，也為教師提供了一個提升實踐能力的平臺，有助于拉近教學(xué)與行業(yè)需求的距離。

1.3 實驗設(shè)備和場地限制

移動通信技術(shù)實驗，如果采用真實硬件設(shè)備，如核心網(wǎng)、承載網(wǎng)等設(shè)備價格往往過于昂貴且需要特定的場地。然而，許多學(xué)校由于資金或空間限制，無法提供足夠的實驗設(shè)備^［7］。這限制了學(xué)生進(jìn)行實踐操作的機(jī)會，影響了教學(xué)效果。虛擬仿真技術(shù)可以突破這些限制，提供低成本、高效率的實驗環(huán)境。

1.4 教學(xué)內(nèi)容與行業(yè)需求脫節(jié)

隨著5 G移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展，行業(yè)需求不斷變化。然而，教學(xué)內(nèi)容往往滯后于行業(yè)發(fā)展，導(dǎo)致學(xué)生所學(xué)與行業(yè)需求脫節(jié)。虛擬仿真技術(shù)可以根據(jù)行業(yè)需求及時更新教學(xué)內(nèi)容，提供與最新技術(shù)同步的學(xué)習(xí)體驗，幫助學(xué)生更好地適應(yīng)行業(yè)需求。

1.5 學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣和動力

移動通信技術(shù)涉及大量抽象概念和復(fù)雜理論，容易導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和動力不足。虛擬仿真技術(shù)可以將抽象概念形象化、具體化，通過沉浸式學(xué)習(xí)體驗激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力，提高學(xué)習(xí)效果。

2 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于專業(yè)課程實踐教學(xué)的典型案例

2.1 e-Labsim通信仿真系統(tǒng)在“現(xiàn)代通信技術(shù)”中的應(yīng)用

e-Labsim通信仿真系統(tǒng)是武漢凌特電子技術(shù)有限公司開發(fā)的一款通信系統(tǒng)仿真教學(xué)實訓(xùn)平臺，平臺運(yùn)用先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)，將實際的硬件設(shè)備通過虛擬化，在PC機(jī)上實現(xiàn)與硬件相同的功能及操作方式，在此基礎(chǔ)上，利用軟件上的優(yōu)勢，進(jìn)行了靈活的擴(kuò)展與二次開發(fā)，在虛擬實驗平臺上融合了多種實驗儀器，如函數(shù)信號發(fā)生器、示波器（具有頻譜分析功能）等，所有儀器均可多臺調(diào)用，不受實際實驗室儀器設(shè)備數(shù)量及性能的限制。

“現(xiàn)代通信技術(shù)”“光纖通信技術(shù)”等課程是通信類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，但是這類課程往往原理較抽象，加上較多的數(shù)學(xué)公式，缺乏直觀感受，無疑增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。為了解決這一難題，教師在教學(xué)過程中大量采用了e-Labsim系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)知識點(diǎn)的虛擬仿真化教學(xué)。如在講授“現(xiàn)代通信技術(shù)”中“眼圖”這個知識點(diǎn)時，首先讓學(xué)生理解所謂眼圖是一系列數(shù)字信號在示波器上累積而顯示的圖形，是估計和調(diào)整系統(tǒng)性能的一種方法。利用眼圖可以觀察到碼間串?dāng)_和噪聲的影響，分析眼圖是衡量數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸特性的簡單且有效的方法。學(xué)生通過e-Labsim系統(tǒng)可以很方便地搭建眼圖仿真模型并可以通過虛擬示波器實時查看眼圖的顯示效果圖，如圖1所示。學(xué)生可以非常方便地調(diào)節(jié)噪聲的強(qiáng)度，觀察不同噪聲強(qiáng)度下眼圖的變化規(guī)律。

通過采用e-Labsim進(jìn)行“眼圖”的仿真，學(xué)生不但從感性上認(rèn)識到眼圖的具體效果，也從理性上把握住了眼圖形狀和噪聲之間的關(guān)系。

2.2 MATLAB 在“移動通信技術(shù)”中的應(yīng)用

“移動通信技術(shù)”為現(xiàn)代移動通信技術(shù)專業(yè)的核心課程，采用教學(xué)做一體化教學(xué)模式，以往在課程中間的實踐過程主要以小型移動通信實驗箱作為實驗平臺，專注于GSM和CDMA通信系統(tǒng)的原理驗證性實驗。然而這些實驗過于集中于系統(tǒng)的驗證和語音通話質(zhì)量的感受，導(dǎo)致學(xué)生們對完整移動通信系統(tǒng)的理解不夠深入，同時也缺乏通信系統(tǒng)的設(shè)計能力。為了改進(jìn)這一狀況，教師采用了基于MATLAB仿真平臺搭建移動通信系統(tǒng)的方式來進(jìn)行實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)。如在講授CDMA系統(tǒng)這個知識點(diǎn)時，教師可以安排學(xué)生利用MATLAB中的Simulink仿真環(huán)境設(shè)計并搭建一個簡易的雙用戶CDMA通信仿真系統(tǒng)。學(xué)生首先對CDMA系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析與設(shè)計，利用Simulink搭建好系統(tǒng)后（見圖2），則可以通過系統(tǒng)中的DSP頻譜儀很方便地觀察擴(kuò)頻前后信號頻譜的變化，如圖3所示。學(xué)生還可以在系統(tǒng)上測試在不同信道傳輸條件下的頻帶利用率，計算相應(yīng)的誤碼率并最終得出BER曲線等。完成系統(tǒng)仿真后，學(xué)生們還要從通信系統(tǒng)的設(shè)計思路、工作原理、參數(shù)選擇、調(diào)試方法、分析問題和解決問題的方法等方面進(jìn)行綜合訓(xùn)練。

Simulink仿真的應(yīng)用不但提高了學(xué)生對完整移動通信系統(tǒng)的理解，同時也加強(qiáng)了學(xué)生的計算機(jī)建模仿真能力和編程能力。此外，在設(shè)計過程中，學(xué)生們須要查閱相關(guān)文獻(xiàn)、比較不同方案、進(jìn)行系統(tǒng)驗證等環(huán)節(jié)，從而進(jìn)一步鞏固所學(xué)的知識，培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的科學(xué)精神。

2.3 AYT-5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化系統(tǒng)在“移動網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化分析”中的應(yīng)用

學(xué)校在開設(shè)“移動網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化分析”課程時遇到了網(wǎng)優(yōu)場景案例教學(xué)資源少、使用真實路測軟件和終端設(shè)備成本高、教學(xué)資源協(xié)調(diào)管控難、實驗場地局限性和安全性等問題。AYT-5G是一款優(yōu)秀的5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化虛擬仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過仿真基站模型、4/5G基站工參引入、后臺命令管理仿真、豐富的案例場景和基于地圖的便捷操作等，實現(xiàn)了路測手機(jī)的數(shù)據(jù)生成、數(shù)據(jù)測試采集、路測數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化調(diào)整、復(fù)測驗證和工程報告模板導(dǎo)出、書寫與工程報告管理、路測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等多項功能?！耙苿泳W(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化分析”課程的整體設(shè)計思路采用“制造問題”—“發(fā)現(xiàn)問題、分析問題”—“解決問題、驗證問題”的流程，每一步都充分融入AYT-5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化仿真系統(tǒng)，如圖4—5所示。

這種教學(xué)方式基于真實路測軟件，結(jié)合移動通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化項目實際工程案例，緊貼網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化教學(xué)中的重點(diǎn)難點(diǎn)，輕松破解了本專業(yè)在開展“移動網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化分析”實踐課程中遇到的教學(xué)難題，提供了良好的教學(xué)輔助作用。學(xué)生通過登錄AYT-5G系統(tǒng)，不但可進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化仿真路測相關(guān)操作、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)整與驗證，還可以進(jìn)行工程報告的書寫以及網(wǎng)優(yōu)認(rèn)證題庫練習(xí)與考試等。這種“真操實練”的教學(xué)模式讓理論和實操相結(jié)合，避免了理論的枯燥，又能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性。AYT-5G系統(tǒng)中生動的仿真案例則培養(yǎng)了學(xué)生進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題分析的解決能力以及團(tuán)隊合作、與人溝通等關(guān)鍵的職業(yè)技能。通過AYT-5G仿真系統(tǒng)的融入，本課程取得了很好的教學(xué)效果。

3 結(jié)語

在通信類專業(yè)的教學(xué)實踐環(huán)節(jié)中，教師根據(jù)課程內(nèi)容及教學(xué)目標(biāo)，充分利用e-Labsim、MATLAB、AYT-5G等仿真軟件，使實驗內(nèi)容更貼近實際應(yīng)用場景，實驗成果更加直觀化、可視化。教學(xué)實踐的最終成效表明，虛擬仿真技術(shù)之所以能在教育領(lǐng)域展現(xiàn)強(qiáng)大生命力，關(guān)鍵在于其顯著提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量，有效應(yīng)對了課程難度大、課堂教學(xué)缺乏趣味、學(xué)生實踐能力不足等現(xiàn)實難題，減輕了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的負(fù)擔(dān)，節(jié)約了時間、空間及硬件成本，實現(xiàn)了對傳統(tǒng)教學(xué)模式的拓展與深化。當(dāng)然，虛擬仿真技術(shù)相較于真實實驗，也存在一定的局限性，因此，在實際應(yīng)用中應(yīng)妥善處理虛擬仿真與實際實驗的關(guān)系，實現(xiàn)虛實融合，以彌補(bǔ)各自的不足，最終達(dá)到更好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

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（編輯 王雪芬）

Practice of virtual simulation technology in the curriculum system of modern mobile communication technology

CUI Chunlei， LIN Min

（Guangdong Communication Polytechnic， Guangzhou 510302， China）

Abstract：In the course system of modern mobile communication technology， some equipment and environment required for the experiment are difficult to complete in the on-campus training room. Therefore， it is necessary to introduce virtual simulation technology in the practical link. This paper takes the practical teaching of the three courses “Modern Communication Technology” “Mobile Communication Technology” and “Mobile Network Planning and Optimization Analysis” of the modern mobile communication technology major of Guangdong Communication Polytechnic as cases， and introduces the application modes and teaching effects of the three simulation software e-Labsim， MATLAB and AYT-5G in practical teaching. The practical results show that the practical courses based on virtual simulation technology have achieved good teaching effects and can meet the requirements of practical teaching of communication majors in higher vocational colleges.

Key words：virtual simulation technology; mobile communication; curriculum construction; teaching reform; combination of theory and practice