移動(dòng)通信虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建研究

孫豪 馬民 梁瑞

摘要：“移動(dòng)通信”是電子信息類專業(yè)的一門重要的專業(yè)課。針對(duì)該門課程傳統(tǒng)“實(shí)驗(yàn)箱”式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新速度較慢、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容仍以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的挑戰(zhàn)是目前該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)遇到的主要問題。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)在許多高校得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)于移動(dòng)通信這門理論性、實(shí)踐性、技術(shù)性均很強(qiáng)，發(fā)展又很迅猛的課程而言，構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系已成為提高該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的必然選擇。本校的移動(dòng)通信虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建可通過系統(tǒng)整體界面與運(yùn)行環(huán)境建設(shè)、移動(dòng)通信器件模型建設(shè)和典型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)這三個(gè)環(huán)節(jié)的建設(shè)來實(shí)現(xiàn)，從而為本?！靶鹿た啤睂I(yè)的建設(shè)和“應(yīng)用型”人才的培養(yǎng)添磚加瓦。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)通信;虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué);構(gòu)建

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）30-0019-02

1概述

“移動(dòng)通信”課程是本校大學(xué)本科電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門重要的專業(yè)限選課。從教學(xué)角度上看，該課程是一門理論性、實(shí)踐性、技術(shù)性均很強(qiáng)，又具有多門學(xué)科交叉性質(zhì)的綜合性學(xué)科;從學(xué)科發(fā)展角度上看，移動(dòng)通信領(lǐng)域是當(dāng)今信息產(chǎn)業(yè)中的建設(shè)重點(diǎn)及研究熱點(diǎn)，通信技術(shù)的發(fā)展日新月異，僅20多年時(shí)間，移動(dòng)通信系統(tǒng)就從第1代發(fā)展到第5代，目前5C-系統(tǒng)已經(jīng)在華為公司的大力推廣與中國(guó)政府的大力支持下開始了全球化商用布局。而實(shí)驗(yàn)教學(xué)是移動(dòng)通信課程教學(xué)環(huán)節(jié)中的一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，因而，如何讓本校培養(yǎng)的學(xué)生能夠緊跟通信技術(shù)的前沿，迅速掌握通信技術(shù)的要點(diǎn)，畢業(yè)后盡快達(dá)到工作崗位的要求，是本校培養(yǎng)“應(yīng)用型”人才亟須解決的問題。

2“移動(dòng)通信”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中遇到的問題分析

本校移動(dòng)通信課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍然是以傳統(tǒng)的“實(shí)驗(yàn)箱”實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，因而已逐漸不能適應(yīng)建設(shè)“新工科”專業(yè)和培養(yǎng)“應(yīng)用型”人才的要求，主要體現(xiàn)在下面三個(gè)方面。

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新速度較慢，已逐漸跟不上移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展

眾所周知，移動(dòng)通信技術(shù)的日新月異是有目共睹的。而傳統(tǒng)的“實(shí)驗(yàn)箱”式教學(xué)由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)固定，涵蓋的技術(shù)又具有一定的局限性，因而在實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩到三年以后，即可感覺到其內(nèi)容已明顯“落后”于最新的應(yīng)用，無法做到“與時(shí)俱進(jìn)”。而且，當(dāng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，設(shè)備的老化現(xiàn)象會(huì)越來越明顯，這樣對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果會(huì)造成明顯的不利影響，如果更新設(shè)備則會(huì)帶來很大的資金壓力，對(duì)于本校來講頻繁更新實(shí)驗(yàn)設(shè)備很不現(xiàn)實(shí)。

2.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容仍以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，缺乏透明性和創(chuàng)造性

“實(shí)驗(yàn)箱”式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，一般都配備與實(shí)驗(yàn)箱相配套的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，學(xué)生只需按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的配圖進(jìn)行線路連接，根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作，利用相應(yīng)儀器觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果并依此撰寫并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容仍以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，很少出現(xiàn)由學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、實(shí)驗(yàn)步驟并親自驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的創(chuàng)造性實(shí)驗(yàn)。這樣雖然能保證實(shí)驗(yàn)過程的質(zhì)量，避免學(xué)生犯一些不必要的錯(cuò)誤，但是也忽視了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。而且，由于實(shí)驗(yàn)箱基本都是全封閉式的，學(xué)生也根本無法對(duì)其內(nèi)部工作機(jī)理有感性的認(rèn)識(shí)和理解，因而無法滿足培養(yǎng)“應(yīng)用型”人才的要求。

2.3虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的挑戰(zhàn)

隨著虛擬仿真技術(shù)的不斷成熟和進(jìn)步，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)在許多高校得到了廣泛的應(yīng)用，它相比于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)有著許多明顯的優(yōu)勢(shì)，就移動(dòng)通信這門課程來說，優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在下面幾個(gè)方面：

（1）使移動(dòng)通信系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過程透明化，可控化。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方式可以安全的、直觀的展示一些復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)過程，尤其可使系統(tǒng)內(nèi)部的信號(hào)傳送過程變得可及和可控，這對(duì)于學(xué)生深刻理解移動(dòng)通信系統(tǒng)的基本理論是非常有效的。

（2）緩解移動(dòng)通信大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備的更新壓力。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方式在更新和擴(kuò)展升級(jí)方面的成本、難度和周期上相較于傳統(tǒng)“實(shí)驗(yàn)箱”式教學(xué)都具備無可比擬的優(yōu)勢(shì)，可以為學(xué)校節(jié)省大量資金。

（3）可以滿足遠(yuǎn)程教育的需要。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方式可以借助網(wǎng)絡(luò)為學(xué)生提供一個(gè)開放的，可視化的操作平臺(tái)，學(xué)生可以不必集中到專門的實(shí)驗(yàn)教室，“自主”上網(wǎng)開始實(shí)驗(yàn)。這樣學(xué)生既可以通過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)操作鍛煉實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，也可以為學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供必要的資源和良好的環(huán)境。

3移動(dòng)通信虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的具體構(gòu)建過程

本校的移動(dòng)通信虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建可通過以下三個(gè)環(huán)節(jié)的建設(shè)來實(shí)現(xiàn)。

3.1系統(tǒng)整體界面與運(yùn)行環(huán)境建設(shè)

1）本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)界面包括實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、器材管理器、用戶管理器、實(shí)驗(yàn)庫(kù)、菜單欄和工具條六部分。

2）為了方便進(jìn)行管理，系統(tǒng)服務(wù)器端用戶分為學(xué)生、教師、教務(wù)管理員和系統(tǒng)管理員四種角色，不同角色擁有不同權(quán)限。

3）服務(wù)器運(yùn)行環(huán)境建設(shè)

操作系統(tǒng)：Windows Server，Linux/Unix Server

Web服務(wù)器：Tomcat6.0，JDK6.0

數(shù)據(jù)庫(kù)：MySQL

4）客戶端運(yùn)行環(huán)境建設(shè)

操作系統(tǒng)：All Windows系列

通過本系統(tǒng)提供的實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)界面，可以讓注冊(cè)過的四種角色（學(xué)生、教師、教務(wù)管理員和系統(tǒng)管理員）合理登錄并使用系統(tǒng)內(nèi)部資源，為其進(jìn)行后續(xù)的實(shí)驗(yàn)操作提供良好的仿真環(huán)境。

3.2移動(dòng)通信器件模型建設(shè)

本系統(tǒng)需要建設(shè)的移動(dòng)通信器件模型分為六大類：

1）序列模塊庫(kù);

2）序列操作模塊庫(kù);

3）編碼，解碼模塊庫(kù);

41調(diào)制/解調(diào)模塊庫(kù);

5）實(shí)驗(yàn)專用模塊庫(kù);

6）分析與繪圖模塊庫(kù)。

通過本系統(tǒng)提供的這六大類器件模型，既可以讓教師順利完成“應(yīng)用型”本科人才培養(yǎng)要求的移動(dòng)通信課程8個(gè)典型實(shí)驗(yàn)的授課過程，也允許教師自主設(shè)計(jì)特色化的典型實(shí)驗(yàn)，更可以讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)、驗(yàn)證并完成個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)過程，為提高實(shí)驗(yàn)授課效果、鍛煉學(xué)生實(shí)踐能力奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.3典型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)8個(gè)典型實(shí)驗(yàn)，以滿足該課程實(shí)踐教學(xué)的需求。具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可設(shè)計(jì)為：

1）隨機(jī)序列發(fā)生器設(shè)計(jì);

2）FSK調(diào)制和解調(diào)過程;

3）FSK信號(hào)的擴(kuò)頻解擴(kuò)過程;

4）卷積碼的編碼及譯碼過程;

5）接收機(jī)同向支路的功能;

6）接收機(jī)超前和滯后支路的功能;

7）GSM通信系統(tǒng)仿真;

8）CDMA通信系統(tǒng)仿真。

由于本系統(tǒng)建設(shè)的初衷是增強(qiáng)移動(dòng)通信課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的透明性和創(chuàng)造性，因而上述的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容僅僅作為授課教師和選課學(xué)生的參考。本系統(tǒng)更傾向于鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)自己的創(chuàng)意去構(gòu)思、驗(yàn)證各種個(gè)性化的設(shè)計(jì)方案，自主完成實(shí)驗(yàn)的全過程，從而充分展示學(xué)生的創(chuàng)造性思維，使學(xué)生盡情感受學(xué)習(xí)的樂趣。

4總結(jié)

移動(dòng)通信虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建可以為本校搭建一個(gè)全新的實(shí)驗(yàn)環(huán)境、豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式、方便實(shí)驗(yàn)的管理;可以為教師和學(xué)生提供豐富的器件模型和典型實(shí)驗(yàn)，支持個(gè)性化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與創(chuàng)造能力;可以降低實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)成本，減少實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)周期，從而為本校“新工科”專業(yè)的建設(shè)和“應(yīng)用型”人才的培養(yǎng)添磚加瓦。