虛擬融合的航空通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究

王蘇衛(wèi)

（長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410014）

0 引言

航空通信原理與技術(shù)是我院航空通信類專業(yè)開設(shè)的非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在整個(gè)航空通信專業(yè)教學(xué)中，必要性和重要性不言而喻。然而，這門課程涉及很多的數(shù)學(xué)模型，具有理論性很強(qiáng)，概念很抽象，知識體系較多等特點(diǎn)。在理論教學(xué)中，高職高專學(xué)生基本基礎(chǔ)較差，理論概念很難理解，更無法進(jìn)行應(yīng)用到實(shí)際場景中。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分，學(xué)生通過觀察和實(shí)踐航空通信過程中各種信號的產(chǎn)生、多種典型信道的模擬、模數(shù)信號轉(zhuǎn)換的調(diào)制和解調(diào)過程，加強(qiáng)學(xué)生對抽象難以理解的理論知識的掌握，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐應(yīng)用能力，以及分析和解決問題的能力。

但目前我院航空通信原理與技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，實(shí)驗(yàn)教學(xué)受到實(shí)驗(yàn)場所和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，學(xué)生被動(dòng)地完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果很難達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)所預(yù)期的目標(biāo)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)，給航空通信原理與技術(shù)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革帶來新的契機(jī)。將先進(jìn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)融入到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)中有虛、虛中有實(shí)、虛實(shí)融合，同時(shí)滿足驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，從而達(dá)到學(xué)生動(dòng)手能力、職業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，真正實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)[1]。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備容易損壞且升級難

實(shí)驗(yàn)臺中的單元實(shí)驗(yàn)?zāi)K，很容易被學(xué)生的誤操作或者電子元器件自身的老化而發(fā)生故障。出現(xiàn)故障時(shí)，有時(shí)無法及時(shí)進(jìn)行更換而影響到實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)度[2]。另外，實(shí)驗(yàn)?zāi)K發(fā)生故障時(shí)，學(xué)生對各類調(diào)試設(shè)備本來就不熟練，很難在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)不成功是因?yàn)楣收蠈?dǎo)致，經(jīng)常需要求助教師進(jìn)行調(diào)試，浪費(fèi)寶貴的教學(xué)時(shí)間，同時(shí)也導(dǎo)致在有限的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，無法正常完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損壞也同時(shí)會(huì)加劇學(xué)院本身實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)不足。通信技術(shù)發(fā)展迅速，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的升級和擴(kuò)展無法及時(shí)跟上，同時(shí)成本較高。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程固化

在實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，單元實(shí)驗(yàn)?zāi)K已經(jīng)固化，參數(shù)已基本設(shè)定好,實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容完全依附于理論教學(xué)。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上有明確的實(shí)驗(yàn)步驟，學(xué)生在不理解實(shí)驗(yàn)原理的情況下，也能按照步驟很簡單地進(jìn)行硬件接線，通過示波器等各類調(diào)試設(shè)備觀察有限的實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)或波形，并不了解該實(shí)驗(yàn)的具體電路組成和原理，導(dǎo)致學(xué)生一知半解[3]。在這種教學(xué)模式下，學(xué)生的學(xué)習(xí)行為完全由教師主導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性很容易被忽視。另外，有限的實(shí)驗(yàn)?zāi)K，無法滿足綜合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)需求，不利于學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果無法評價(jià)

實(shí)驗(yàn)臺實(shí)驗(yàn)的效果評估通常是采用實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一致，實(shí)驗(yàn)流程和步驟基本固定的情況下，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果也是千篇一率，甚至大部分的實(shí)驗(yàn)都是以小組為單位完成，無法反映出學(xué)生真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情況，不可能進(jìn)行準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)評價(jià)和考核。由此可見，使用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工具和方法，并不能達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果，有必要對通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行改革。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)

虛擬實(shí)驗(yàn)是指借助于多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)和虛擬增強(qiáng)等技術(shù)在計(jì)算機(jī)上建立的可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中可以像在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中一樣完成各種預(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目或者創(chuàng)新性地完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)者所取得的實(shí)驗(yàn)效果等價(jià)于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果[4]。

2.1 成本低，使用方便

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)容易造成實(shí)驗(yàn)硬件模塊損壞，實(shí)驗(yàn)耗材也必不可少，調(diào)測的儀器設(shè)備成本也不低，整個(gè)實(shí)驗(yàn)室維護(hù)成本高。虛擬實(shí)驗(yàn)是軟件結(jié)構(gòu)，不存在實(shí)驗(yàn)?zāi)K和材料的損耗，后期基本上無需維護(hù)，升級和擴(kuò)展都非常方便，非常符合通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。

虛擬實(shí)驗(yàn)的仿真軟件使用方便，只需要在電腦上安裝實(shí)驗(yàn)需要的仿真軟件，學(xué)生即可在電腦上開展虛擬實(shí)驗(yàn)。操作相當(dāng)簡單，通過操作鼠標(biāo)就可以完成實(shí)物實(shí)驗(yàn)中的元器件的選取更換，元器件之間的連接，以及實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行，節(jié)省了學(xué)生大量時(shí)間，也不會(huì)帶來安全陷患。在虛擬實(shí)驗(yàn)電路運(yùn)行的過程中，可以設(shè)置各種斷點(diǎn)，或者部署各種調(diào)測儀器，隨時(shí)進(jìn)行暫停實(shí)驗(yàn)，觀察瞬態(tài)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和記錄瞬時(shí)多變的數(shù)據(jù)，這些都是實(shí)物實(shí)驗(yàn)無法比擬的[5]。另外，虛擬元器件庫可以說是無限種類，滿足日常實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的要求，而且也不會(huì)產(chǎn)生任何損壞和消耗，利用率高。

2.2 開放式管理，滿足學(xué)生創(chuàng)新性要求

虛擬實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生完全可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況、能力和興趣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)選擇，并且可以反復(fù)多次地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不再受到元器件種類和數(shù)量不足，實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備性能較差的影響和限制，可以按照自己的想法或創(chuàng)意隨心所欲地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，甚至可以自由組隊(duì)展開合作實(shí)驗(yàn)，極大地滿足了學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的要求[6]。

3 虛實(shí)融合的通信實(shí)驗(yàn)改革

虛擬實(shí)驗(yàn)確實(shí)有很多的優(yōu)勢，但實(shí)物實(shí)驗(yàn)也必不可少。實(shí)物實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢在于學(xué)生能直接獲得實(shí)驗(yàn)操作的真實(shí)體感，比如實(shí)驗(yàn)故障排除、測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的隨機(jī)性和不完美性，體會(huì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)承o法規(guī)避的客觀因素，這是虛擬實(shí)驗(yàn)無法比擬的優(yōu)勢。有些學(xué)校對虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)的態(tài)度，往往“顧此失彼”，要么夸大虛擬實(shí)驗(yàn)的作用，而忽視實(shí)物實(shí)驗(yàn)在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中不可替代的地位；要么就是并沒有將虛擬實(shí)驗(yàn)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，使其“名存實(shí)亡”，并沒有發(fā)揮出虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢。虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)各有其利弊，我們采取優(yōu)勢互補(bǔ)的方式，從虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合的角度去思考和進(jìn)行改革。

圖1 虛實(shí)融合的通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

虛實(shí)融合的通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，分為三個(gè)階段，具體包括驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)階段、綜合性實(shí)驗(yàn)階段和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)階段。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)階段以實(shí)物實(shí)驗(yàn)為主導(dǎo)，虛擬實(shí)驗(yàn)為輔助，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大多為較獨(dú)立的教學(xué)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為加深并鞏固理論知識。該部分實(shí)驗(yàn)需要在實(shí)驗(yàn)課堂完成，在實(shí)驗(yàn)教師的指導(dǎo)下，以小組為單位進(jìn)行，并提交對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。綜合性實(shí)驗(yàn)階段以虛實(shí)融合實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)教師課堂上講授各綜合性實(shí)驗(yàn)的要點(diǎn)和目標(biāo)，學(xué)生可選擇一個(gè)或多個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)題目，課后自主完成，學(xué)生需要在實(shí)驗(yàn)過程中，邊實(shí)驗(yàn)邊記錄各種實(shí)驗(yàn)調(diào)測過程數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)，最終學(xué)生需要提交一份較全面的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，綜合實(shí)驗(yàn)階段可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生課后的自主學(xué)習(xí)能力，對所學(xué)知識有較全面的認(rèn)識提升。創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)是一個(gè)選修實(shí)驗(yàn)，學(xué)生選修后，在課后利用虛擬仿真軟件，根據(jù)教師提供的實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，自行選擇實(shí)驗(yàn)方式，完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，需要學(xué)生對通信系統(tǒng)比較全面的掌握和理解[7]。

實(shí)驗(yàn)考核分為實(shí)驗(yàn)課堂實(shí)時(shí)打分和課后作業(yè)評分。課堂實(shí)時(shí)評分主要依據(jù)小組實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)完成情況，排障處理時(shí)長，以及實(shí)驗(yàn)過程中的團(tuán)隊(duì)協(xié)作和職業(yè)素養(yǎng)；課后虛擬實(shí)驗(yàn)作業(yè)，主要通過學(xué)生提供的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目原文件、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和在線視頻答辯，進(jìn)行綜合評定。

4 結(jié)語

經(jīng)過三個(gè)學(xué)期的“虛實(shí)融合”的通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，通過抽樣檢查實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，可以明顯感受到學(xué)生對通信原理知識的掌握有較大提升。多樣化的實(shí)驗(yàn)，也滿足不同學(xué)生對實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的要求，不僅提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率，也同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力、綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，為學(xué)生走向社會(huì)，從事通信相關(guān)的工作打下較好的基礎(chǔ)。