新冠疫情背景下的通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探究

摘要：針對(duì)新冠疫情影響下，通信原理硬件實(shí)驗(yàn)不能正常開展，并結(jié)合在通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的缺點(diǎn)和不足，設(shè)計(jì)了虛擬仿真和硬件視頻教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方法。基于通信系統(tǒng)虛擬仿真軟件System View，并以數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)為例，介紹了System View虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)流程，同時(shí)錄制硬件教學(xué)視頻輔助學(xué)生進(jìn)行線上學(xué)習(xí)。一個(gè)學(xué)期的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果表明，System View虛擬仿真和觀看硬件教學(xué)視頻相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，能夠有效地完成通信原理教學(xué)計(jì)劃中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，加深通信理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生自主設(shè)計(jì)研發(fā)綜合性通信系統(tǒng)的能力。

關(guān)鍵詞：通信原理;虛擬仿真;硬件教學(xué)視頻

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

文章編號(hào)：1009-3044（2022）19-0132-02

通信原理是現(xiàn)代信息社會(huì)中的許多領(lǐng)域開展研究必備的理論基礎(chǔ)?！锻ㄐ旁怼芬彩蔷W(wǎng)絡(luò)工程、通信、電子和自動(dòng)化專業(yè)本科教學(xué)計(jì)劃中的一門核心課程。通信原理的實(shí)踐教學(xué)是實(shí)現(xiàn)高等學(xué)校人才培養(yǎng)理念和學(xué)院人才培養(yǎng)定位的重要手段之一[1，2]。

通信原理涉及的相關(guān)概念比較抽象、公式推導(dǎo)復(fù)雜，因此學(xué)生很難理解掌握?，F(xiàn)有的硬件試驗(yàn)箱只能提供系統(tǒng)固有的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生無(wú)法自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新。目前，虛擬仿真和硬件實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法成為實(shí)踐教學(xué)的一種發(fā)展趨勢(shì)，它能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，根據(jù)理論知識(shí)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以鞏固通信理論并提高學(xué)生的創(chuàng)新能力[3-7]。今年更是受到新冠疫情的影響，虛擬仿真平臺(tái)在通信原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中起到了重要作用。本文將介紹基于System View 虛擬仿真平臺(tái)的通信原理實(shí)驗(yàn)和硬件實(shí)驗(yàn)視頻相結(jié)合的教學(xué)方法，并以數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)為例，介紹System View虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)流程。

1 傳統(tǒng)的通信原理實(shí)踐教學(xué)中存在的問題

教學(xué)手段方面，我校傳統(tǒng)的通信原理實(shí)踐教學(xué)采用湖北凌特電子技術(shù)有限公司的通信原理硬件試驗(yàn)箱來(lái)完成。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通常是老師先介紹實(shí)驗(yàn)原理;然后學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書提供的實(shí)驗(yàn)步驟連線，只要連線正確，示波器上就能輸出波形;最后學(xué)生結(jié)合理論知識(shí)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這種盲目機(jī)械的實(shí)驗(yàn)教學(xué)容易挫傷學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面，硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模塊化，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之間往往相互獨(dú)立，不利于學(xué)生對(duì)通信系統(tǒng)的綜合理解;固定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容限制了學(xué)生的自主設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力。

實(shí)驗(yàn)時(shí)間不靈活。由于硬件實(shí)驗(yàn)需要按照教學(xué)計(jì)劃在規(guī)定的時(shí)間和地點(diǎn)使用，實(shí)驗(yàn)不能很好地配合理論知識(shí)學(xué)習(xí)。學(xué)生學(xué)習(xí)了理論知識(shí)后，需要在實(shí)驗(yàn)室之外的環(huán)境隨時(shí)靈活地對(duì)感興趣的內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，鞏固理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。

2 疫情下虛實(shí)結(jié)合的通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法研究

2.1 基于System View 虛擬仿真平臺(tái)的通信原理實(shí)驗(yàn)

基于System View 虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行通信原理實(shí)驗(yàn)，能夠解決傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)不能自由地設(shè)置參數(shù)并進(jìn)行頻譜分析的缺點(diǎn)，并且能夠解決由于設(shè)備損壞導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果有誤的問題，降低了實(shí)驗(yàn)成本。學(xué)生自主設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)，能夠激發(fā)自主學(xué)習(xí)的熱情，提高綜合性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力。下面以數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)為例，對(duì)基于System View 虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行說(shuō)明。

數(shù)字基帶系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1。發(fā)送濾波器將系統(tǒng)輸入的基帶脈沖轉(zhuǎn)換為適合于信道傳輸?shù)臄?shù)字基帶信號(hào);數(shù)字基帶信號(hào)在信道中傳輸，經(jīng)常會(huì)由于信道特性的影響導(dǎo)致傳輸波形失真[8]。另一方面，數(shù)字基帶信號(hào)在信道中不可避免地會(huì)遭受外界噪聲的影響，可以通過(guò)眼圖觀察噪聲對(duì)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)輸出波形的影響;接收濾波器的主要作用就是接收信號(hào)，濾除帶外噪聲并均衡信道特性;抽樣判決器在系統(tǒng)傳輸特性不理想的情況下，根據(jù)約定規(guī)則，對(duì)接收濾波器的輸出波形進(jìn)行抽樣判決，恢復(fù)數(shù)字基帶信號(hào)。

首先，利用System view 平臺(tái)建立數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)仿真電路，如圖2。

其次，設(shè)置電路中各模塊的參數(shù)。系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間設(shè)為19999S，采樣頻率為1HZ。0號(hào)模塊為加法器，1號(hào)模塊為外界輸入的加性高斯噪聲，2號(hào)，5號(hào)，8號(hào)，13號(hào)，14號(hào)和16號(hào)模塊為信號(hào)觀察窗，3號(hào)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯異或功能，4號(hào)模塊計(jì)算算術(shù)均值，6號(hào)模塊實(shí)現(xiàn)增益為1的積分運(yùn)算，9號(hào)模塊輸出為1HZ的2電平隨機(jī)序列，11號(hào)和15號(hào)模塊輸出頻率1HZ的采樣信號(hào)，當(dāng)7號(hào)模塊接收數(shù)據(jù)大于100 時(shí)，停止系統(tǒng)仿真。在System view系統(tǒng)窗內(nèi)運(yùn)行該系統(tǒng)，然后轉(zhuǎn)到分析窗觀察各點(diǎn)的波形，分析窗各點(diǎn)輸出波形如圖3。在分析窗可以觀察到接收濾波器輸出波形的眼圖，無(wú)噪聲存在時(shí)輸出波形的眼圖和有噪聲存在時(shí)輸出波形的眼圖分別見圖4和圖5，學(xué)生還可以隨意設(shè)置噪聲功率觀察眼圖的變化。在仿真過(guò)程中，學(xué)生可以靈活地改動(dòng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，觀察數(shù)字基帶系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的波形變化，分析其原因，進(jìn)一步理解該系統(tǒng)的工作特性。

觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，討論輸出結(jié)果與數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)工作原理是否吻合，利用眼圖進(jìn)一步研究不同功率譜密度的噪聲對(duì)該系統(tǒng)失真程度的影響。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以很好地理解數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成和信號(hào)傳輸?shù)奈锢磉^(guò)程，通過(guò)每個(gè)功能模塊的輸出波形理解相關(guān)模塊的作用，理解噪聲通信系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的影響。

2.2 提前錄制相關(guān)硬件實(shí)驗(yàn)的視頻資料

由于疫情期間，學(xué)生無(wú)法進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)的操作。在上實(shí)驗(yàn)課之前，教師提前進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，錄制相關(guān)硬件實(shí)驗(yàn)的視頻資料，分享到學(xué)習(xí)群。學(xué)生可以提前觀看視頻資料進(jìn)行預(yù)習(xí)，形成相關(guān)實(shí)驗(yàn)的感性認(rèn)識(shí)，有助于增強(qiáng)學(xué)生對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的理解。教師可以在實(shí)驗(yàn)視頻教學(xué)中融入通信相關(guān)的前沿知識(shí)和科研成果，提高學(xué)生的學(xué)業(yè)水平。另外，學(xué)生還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交流工具直接與教師溝通實(shí)驗(yàn)的原理、步驟以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問題，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)知識(shí)相結(jié)合，真正提高學(xué)生應(yīng)對(duì)問題的能力。

3 虛實(shí)結(jié)合的通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的優(yōu)勢(shì)

基于System View 虛擬仿真平臺(tái)的通信原理實(shí)驗(yàn)可以完成教學(xué)大綱要求的所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并且能夠完成系統(tǒng)級(jí)的綜合性實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可以構(gòu)建從信源到信宿的完整的模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)，了解各模塊的工作原理、功能以及各模塊之間的關(guān)系，使課堂所學(xué)理論知識(shí)得以實(shí)際應(yīng)用。學(xué)生可以根據(jù)自己的理解進(jìn)行系統(tǒng)搭建和模塊的設(shè)置，可以在調(diào)試系統(tǒng)過(guò)程中不斷試錯(cuò)而不用擔(dān)心損壞實(shí)驗(yàn)設(shè)備。實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單直觀，可以更大程度地調(diào)動(dòng)學(xué)生自主思考的積極性，提高自主設(shè)計(jì)的熱情。

另一方面，學(xué)生課前觀看硬件實(shí)驗(yàn)的教學(xué)視頻作為線上實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充。即使無(wú)法進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生也可以實(shí)現(xiàn)軟硬件相結(jié)合，使兩種實(shí)驗(yàn)方式相互補(bǔ)充，相輔相成，使學(xué)生能夠深入理解通信系統(tǒng)中的基本原理，提高綜合設(shè)計(jì)和自主創(chuàng)新的能力。

4 結(jié)論

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是國(guó)家教育發(fā)展的大趨勢(shì)，本文針對(duì)疫情期間線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，引入了基于System View 的虛擬仿真平臺(tái)，學(xué)生可以自主設(shè)計(jì)分析通信系統(tǒng)，顯著提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力和對(duì)綜合性系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)的興趣。錄制硬件實(shí)驗(yàn)的教學(xué)視頻作為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)補(bǔ)充，增加學(xué)習(xí)方法的多樣性。實(shí)踐表明，虛擬仿真平臺(tái)和硬件教學(xué)視頻結(jié)合的教學(xué)方案能夠提升傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和興趣，提高學(xué)生對(duì)通信系統(tǒng)的綜合理解和設(shè)計(jì)能力。

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收稿日期：2021-09-17

基金項(xiàng)目：曲阜師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究項(xiàng)目（SJG201912）

作者簡(jiǎn)介：代凌云（1979—），女，山東昌邑人，研究生，曲阜師范大學(xué)副教授，研究方向：通信信號(hào)處理，數(shù)據(jù)挖掘。