基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的通信原理教學(xué)改革探索與實(shí)踐

游善紅 曹洪龍 胡劍凌

摘? ?要：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在教育領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，是教育信息化的重要組成部分。本文以模擬信號(hào)數(shù)字化為切入點(diǎn)，闡述了“通信原理”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)，并在此基礎(chǔ)上探索基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的通信原理教學(xué)改革思路與方法。充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，與通信原理在線開放課程結(jié)合開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)，有利于提高課程的信息化水平和教學(xué)質(zhì)量，為創(chuàng)新人才培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)? 通信原理? 在線課程

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）11（a）-0203-04

Abstract： The virtual simulation experiment teaching is an important application of the information technology in higher education， and becomes an important part of educational informatization. This paper starts with analog to digital conversion， describes the construction of virtual simulation experimental teaching project and explores the idea and method of virtual simulation experiment-based teaching reform for the course of “Principle of Communication”. Combining with MOOC， the construction of the virtual simulation experiment teaching will greatly improve the experimental teaching informatization and teaching quality in higher education and lay a foundation for the training of innovative talents.

Key Words： Virtual simulation experiment; Principle of communication; Massive Open Online Course （MOOC）

2012年3月13日，教育部印發(fā)了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020）》[1]。發(fā)展規(guī)劃要求推動(dòng)信息技術(shù)與高等教育深度融合，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。發(fā)展規(guī)劃明確提出了創(chuàng)新優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源共建共享機(jī)制、實(shí)現(xiàn)教育信息化可持續(xù)發(fā)展的新思路。支持網(wǎng)絡(luò)課程互選及資源共建共享;鼓勵(lì)企業(yè)和其他社會(huì)力量投入數(shù)字教育資源建設(shè)、提供個(gè)性化服務(wù)。顯然，高等教育正面臨著一場(chǎng)變革。根據(jù)國(guó)際在線教育的發(fā)展趨勢(shì)及要求，教育部積極組織國(guó)內(nèi)一些高校開展在線開放課程以及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)，我校也組織專家和老師進(jìn)行研討，學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)外在線教育的先進(jìn)理念，積極開展在線開放課程和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)，推動(dòng)在線教學(xué)改革與發(fā)展。

“網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)”（Web-based Virtual Experiment），即虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的概念早在20世紀(jì)末就已經(jīng)提出，但受限于當(dāng)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和技術(shù)條件，直到2010年左右才開始進(jìn)入快速發(fā)展階段。國(guó)外較為著名的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有麻省理工學(xué)院的WebLab[2]、卡耐基梅隆開放學(xué)習(xí)計(jì)劃中的虛擬實(shí)驗(yàn)室[3]等。國(guó)內(nèi)較為成熟的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心有清華大學(xué)的工程力學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、浙江大學(xué)的虛擬電工電子網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科技大學(xué)的大學(xué)物理計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以及蘇州大學(xué)紡織與服裝專業(yè)的虛擬仿真實(shí) 驗(yàn)教學(xué)中心等。到2016年，教育部共成立了300個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。2017年，教育部發(fā)文開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)，根據(jù)本科學(xué)科門類中專業(yè)類的當(dāng)前布局和發(fā)展情況，結(jié)合高校專業(yè)類實(shí)驗(yàn)室建設(shè)情況和專業(yè)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化發(fā)展需求等因素，統(tǒng)籌規(guī)劃到2020年建設(shè)1000項(xiàng)左右示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目[4]。

在這樣的時(shí)代背景下，結(jié)合學(xué)科和專業(yè)特點(diǎn)，充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)，與通信原理在線課程結(jié)合，有利于提高課程的信息化水平和教學(xué)質(zhì)量，為創(chuàng)新人才培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。本文以模擬信號(hào)數(shù)字化作為切入點(diǎn)，介紹“通信原理”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)，并在此基礎(chǔ)上探索基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的通信原理教學(xué)改革思路與方法。

1? 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在通信原理教學(xué)中的意義

《通信原理》是通信工程、電子信息工程、信息工程等電子與電氣信息類專業(yè)最為重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一。它從理論上建立了完整的通信系統(tǒng)架構(gòu)以及對(duì)通信信號(hào)和系統(tǒng)性能的分析方法和系統(tǒng)模型，從基帶傳輸和帶通傳輸分析通信系統(tǒng)的基本原理、過程以及信號(hào)在時(shí)域和頻域的特性，同時(shí)對(duì)通信系統(tǒng)中的編碼、調(diào)制、信道、接收等功能模塊給出分析和設(shè)計(jì)方案。

《通信原理》課程注重“信息傳輸”的理論與工程應(yīng)用的緊密結(jié)合，使學(xué)生深入理解通信系統(tǒng)的內(nèi)涵和實(shí)質(zhì)，為深入學(xué)習(xí)研究各類現(xiàn)代通信技術(shù)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。然而，在《通信原理》課程教學(xué)中，信號(hào)、信道等概念抽象，既看不到也摸不著，學(xué)生在有限的課時(shí)內(nèi)很難系統(tǒng)地領(lǐng)悟各個(gè)知識(shí)點(diǎn)及其相互聯(lián)系。因此，充分利用信息化時(shí)代在線教學(xué)資源，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到課程教學(xué)中，將抽象的概念具體化、可視化，有助于學(xué)生對(duì)通信系統(tǒng)架構(gòu)和模塊以及通信過程中重要環(huán)節(jié)的理解和分析，為將來進(jìn)行通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)規(guī)劃奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，由于受到資金及實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)時(shí)間的限制，通信實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的升級(jí)和換代明顯滯后于通信技術(shù)的發(fā)展速度。結(jié)合時(shí)代發(fā)展的特征，滿足不同學(xué)生隨時(shí)隨地自主學(xué)習(xí)，自主設(shè)計(jì)的不同需求，有必要將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到通信原理的教學(xué)中，建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以提醒學(xué)生提前進(jìn)行預(yù)習(xí)，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、理解?shí)驗(yàn)原理，在實(shí)驗(yàn)過程中加入一些提示和重復(fù)，加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作步驟的了解，順利完成實(shí)驗(yàn)并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告;另外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以有效避免學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中誤操作而帶來的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室安全問題。還可以將老師的一些科研項(xiàng)目與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)合，讓學(xué)生可以及時(shí)跟蹤現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，了解現(xiàn)代的通信設(shè)備及技術(shù)的基本原理，建立從局部實(shí)驗(yàn)?zāi)K到整體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的直觀感性認(rèn)識(shí);通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)不同層次學(xué)生個(gè)性化和差異化的培養(yǎng)目標(biāo)，有利于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

2? 通信原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)

2.1 模擬信號(hào)數(shù)字化模塊

數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號(hào)來傳遞信息的通信系統(tǒng)，其已成為當(dāng)代通信技術(shù)的主流[5]。與模擬通信相比， 數(shù)字通信具有：抗干擾能力強(qiáng)，噪聲不積累;傳輸差錯(cuò)可控;便于使用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)數(shù)字信息進(jìn)行處理、變換、存儲(chǔ)，可以將來自不同信源的信號(hào)綜合到一起傳輸;易于集成、使通信設(shè)備微型化、重量減輕;易于加密處理，保密性好等優(yōu)點(diǎn)，使得數(shù)字通信的應(yīng)用越來越廣泛。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，如果信源給出的是模擬信號(hào)時(shí)，需要由信源編碼器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸。信源編碼是數(shù)字通信系統(tǒng)（如圖1所示）中的一個(gè)主要組成模塊，其有兩個(gè)基本功能：一是通過壓縮編碼技術(shù)提高信息傳輸?shù)挠行?另一個(gè)就是完成模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換。在接收端的信源譯碼是信源編碼的逆過程。

通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換中采樣實(shí)驗(yàn)?zāi)K的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)，學(xué)生可以通過個(gè)人終端遠(yuǎn)程進(jìn)行模擬信號(hào)數(shù)字化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作。實(shí)驗(yàn)前，可以通過預(yù)習(xí)了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮突驹怼?/p>

在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置和實(shí)驗(yàn)操作（如圖2所示），如果參數(shù)設(shè)置不合理或?qū)嶒?yàn)操作不正確，系統(tǒng)將對(duì)學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)的提示和警告，并重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟，幫助學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)，并加深對(duì)模擬信號(hào)數(shù)字化中采 樣定理的理解。完成實(shí)驗(yàn)操作后，學(xué)生在網(wǎng)上填寫和提交電子實(shí)驗(yàn)報(bào)告。由實(shí)驗(yàn)開課教師進(jìn)行電子實(shí)驗(yàn)報(bào)告的批 改和成績(jī)審定。模擬信號(hào)數(shù)字化采樣實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)，探索了線上線下、虛實(shí)結(jié)合的通信原 理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方法，為后續(xù)的通信系統(tǒng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及通信原理在線課程的開展奠定了基礎(chǔ)。

2.2 通信系統(tǒng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

通信系統(tǒng)中有一些模塊及實(shí)驗(yàn)是實(shí)際中難以實(shí)現(xiàn)的，比如高速的數(shù)字信號(hào)處理、不同條件下的真實(shí)信道、高速通信網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)性能監(jiān)測(cè)等。

通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，模擬難以實(shí) 現(xiàn)的高速數(shù)字信號(hào)處理功能模塊、運(yùn)用不同條件下的信道模型和系統(tǒng)架構(gòu)， 結(jié)合真實(shí)的信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn)，融合科研創(chuàng)新的成果，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代通信系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有利于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

（1）基于不同信道模型的可見光通信定位系統(tǒng)。

發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）在用于照明的同時(shí)，還可以用于實(shí)現(xiàn)可見光通信定位，由于它工作在未授權(quán)頻段，具有安全性高和抗電磁干擾強(qiáng)以及定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，在室內(nèi)通信定位應(yīng)用中引起了人們的廣泛關(guān)注。

一個(gè)實(shí)用的室內(nèi)可見光照明系統(tǒng)如圖3所示，其中的信道包括了不同位置的LED的電力線信道和不同LED到接收端的可見光信道。分別采用不同的電力線信道模型和可見光信道模型，結(jié)合高速的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高速且定位精度高的可見光通信

定位系統(tǒng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)[6-7]。在大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目中，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，親身體驗(yàn)了現(xiàn)代電力線通信和可見光通信定位融合技術(shù)在語(yǔ)音通信和定位系統(tǒng)中的應(yīng)用。

（2）基于虛擬仿真光纖通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)光信噪比監(jiān)測(cè)。

光纖通信正朝著高速、智能化和動(dòng)態(tài)服務(wù)的全光網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展。光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)會(huì)遭受到各種損傷， 實(shí)時(shí)的光性能監(jiān)測(cè)對(duì)于光網(wǎng)絡(luò)來說非常重要。光信噪比（Optical Signal-to- Noise Ratio，OSNR）是衡量光路性能的重要指標(biāo)，傳統(tǒng)的帶外光信噪比的監(jiān)測(cè)方式已不能滿足光性能監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展要求。在大學(xué)生莙政基金項(xiàng)目中運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)，基于虛擬仿真光通信系統(tǒng)，進(jìn)行高速光纖通信系統(tǒng)中光信噪比的不同監(jiān)測(cè)方法分析比較，其結(jié)果如圖4所示[8]。

2.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

為了能夠更好地推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的深度融合，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度，延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和水平，蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院與蘇州普源精電科技有限公司合作，基于Visual Studio集成開發(fā)環(huán)境，以C#為核心開發(fā)語(yǔ)言設(shè)計(jì)開發(fā)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái) UltraLab，其實(shí)驗(yàn)課流程如圖5所示。在此平臺(tái)上，老師可以發(fā)布不同的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，合理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)與安排;學(xué) 生可以根據(jù)自己的時(shí)間自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 的預(yù)約、操作和完成實(shí)驗(yàn)，從學(xué)生的需求出發(fā)，有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的積極性和主動(dòng)性。

3? 基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的通信原理教學(xué)改革

3.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的比較

傳統(tǒng)的通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，由于 受到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)時(shí)間以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，僅開設(shè)了一些驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，不能完全模擬實(shí)際的通信系統(tǒng)且學(xué)生必須根據(jù)教學(xué)安排到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行硬件 實(shí)驗(yàn)，無法滿足現(xiàn)代信息時(shí)代學(xué)生隨 時(shí)隨地自主學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)的需求。另外，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核主要依賴學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，由于受到實(shí)際教學(xué)資源和條件的限制，對(duì)于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作過 程無法進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估和個(gè)性化指導(dǎo)，難以激發(fā)學(xué)生的興趣和自主創(chuàng)新意識(shí)。

通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，可以方便教師和學(xué)生之間的溝通。老師可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)， 并在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上定期發(fā)布;學(xué)生可以根據(jù)自己的時(shí)間預(yù)約，并在預(yù)約時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，從學(xué)生的需求出發(fā)，注重對(duì)學(xué)生社會(huì)責(zé)任感的培養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。而且，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以根據(jù)學(xué)生的操作步驟和過程進(jìn)行實(shí)時(shí)的評(píng)分和針對(duì)性指導(dǎo)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行信息統(tǒng)計(jì)分析，從而優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和考核機(jī)制，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)從原來的驗(yàn)證型向設(shè)計(jì)型、綜合型、研究創(chuàng)新型方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同層次、不同學(xué)生的個(gè)性化和差異化指導(dǎo)和培養(yǎng)。

3.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與在線開放課程相結(jié)合

大規(guī)模在線開放課程，即慕課（Massive Open Online Course， MOOC）是“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的產(chǎn)物。大力推動(dòng)在線開放課程，是實(shí)現(xiàn)中國(guó)高等教育質(zhì)量特別是人才培養(yǎng)質(zhì)量“變軌超車”的關(guān)鍵一招。作為一種新型教學(xué)模式，它一方面打破了傳統(tǒng)教育的時(shí)空界限，推倒學(xué)校的“圍墻”，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)教育資源的開放共享;另一方面，推動(dòng)了信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，有效推進(jìn)了高等教育在教學(xué)理念、教學(xué)方 法、教學(xué)模式等方面的變革，促進(jìn)了教與學(xué)的創(chuàng)新。

《通信原理》課程是理論性和工程性都很強(qiáng)的學(xué)科，將在線開放課程和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用到《通信原理》課程的教學(xué)中，進(jìn)一步推動(dòng)信息化環(huán)境下教學(xué)方法和教學(xué)手段的改革與創(chuàng)新，促進(jìn)優(yōu)質(zhì)教育資源的應(yīng)用與共享，有助于知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)、素質(zhì)提高的協(xié)同實(shí)施。

4? 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)《通信原理》課程的特點(diǎn)，以模擬信號(hào)數(shù)字化為切入點(diǎn)，本文闡述了“通信原理”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)，將通信原理課程中抽象的概念具體化和可視化，改善教學(xué)效果，并在此基礎(chǔ)上探索基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的通信原理教學(xué)改革思路與方法。充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)，與通信原理在線開放課程結(jié)合，適應(yīng)現(xiàn)代大學(xué)生成長(zhǎng)的新特點(diǎn)、信息化時(shí)代教育教學(xué)的新規(guī)律，以提高學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神為核心，以電子信息專業(yè)類急需的實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化內(nèi)容為指向，積極探索線上線下教學(xué)相結(jié)合的個(gè)性化、智能化、泛在化實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，有利于提高課程的信息化水平和教學(xué)質(zhì)量，為創(chuàng)新人才培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

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