虛擬仿真技術(shù)在工科遠程教育中的應(yīng)用研究
——以“5G通信實訓(xùn)”課程為例

姜育生 賀國旗 梁妮 陜西開放大學(xué)

●引言

實踐教學(xué)是遠程教育中一個重要的質(zhì)量保證環(huán)節(jié)，特別是工科實踐教學(xué)效果直接影響專業(yè)培養(yǎng)質(zhì)量。由于遠程教育工科實踐教學(xué)受辦學(xué)模式的限制，線下教學(xué)非常依賴實驗設(shè)備，而遠程教育由于長期缺乏資金的投入，設(shè)備老舊、損壞嚴重，甚至有些課程沒有相關(guān)實驗室，再加上授課的時間、地點不固定，以至于學(xué)生到課率很低；線上教學(xué)以教師演示的方式為主，在實踐操作環(huán)節(jié)，和硬件相關(guān)的課程學(xué)生基本無法實施。無論是線上還是線下，學(xué)生基本沒有進行實際操作，導(dǎo)致學(xué)生動手能力差，影響實踐教學(xué)質(zhì)量，嚴重制約遠程教育工科專業(yè)的發(fā)展。因此，在遠程教育中探索切實有效的工科實踐教學(xué)的途徑，成為目前迫切需要解決的問題。

虛擬仿真技術(shù)、云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)的融合為遠程教育提供了契機，特別是虛擬仿真技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，使得遠程教育的學(xué)生不受時空的限制，依托遠程仿真平臺，在個人電腦登錄即可完成實驗操作，為工科專業(yè)實踐教學(xué)提供了一種行之有效的解決方案。

●虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于遠程教育的優(yōu)勢

虛擬仿真類實踐教學(xué)擺脫了傳統(tǒng)教學(xué)在時間和空間上的制約，實現(xiàn)了理論學(xué)習(xí)與實踐運用的緊密結(jié)合，解決了遠程教育實踐教學(xué)中長期存在的問題。[1]虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于遠程教育具有以下優(yōu)勢。

1.解決遠程教育的工學(xué)矛盾

遠程教育有別于傳統(tǒng)的全日制教育，學(xué)生的工學(xué)矛盾突出。受工作、家庭的影響，學(xué)習(xí)時間不固定，部分學(xué)生工作地點也經(jīng)常變化，集中到校實踐教學(xué)不現(xiàn)實。依靠虛擬仿真技術(shù)打造集教學(xué)、實踐等功能于一體的綜合性實踐實訓(xùn)平臺，讓學(xué)生隨時隨地都能進行虛擬仿真實驗，不受時間、地點的限制，具有很強的靈活性和便捷性，滿足了學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，緩解了工學(xué)矛盾，提高了學(xué)生實踐操作的積極性。[2]

2.改善實踐教學(xué)實驗條件

由于遠程教育長期的資金投入不足，幾乎所有的遠程工科類專業(yè)實驗室都存在設(shè)備匱乏、老舊，甚至無相關(guān)實驗室、實訓(xùn)基地等問題。這一點，從生均實驗室面積、生均教學(xué)科研儀器設(shè)備值、實驗開出率等統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看也得到進一步驗證。[3]而虛擬仿真平臺可以有效改善實驗條件，平臺中所有的硬件設(shè)備都是以真實設(shè)備為原型，通過虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建出來的虛擬設(shè)備，包括應(yīng)用場景、工具線纜等一并呈現(xiàn)出來，在外觀上和真實設(shè)備環(huán)境幾乎沒有差異，操作配置也和真實設(shè)備一致。由于是在純軟件平臺操作，所以沒有實際損耗，沒有操作頻次的限制，不涉及操作者安全問題，只需要伴隨技術(shù)的更新進行軟件的升級，再沒有其他額外的開支，大幅減少了實驗設(shè)備經(jīng)費的支出。學(xué)生在仿真平臺上完成課程規(guī)劃的所有實驗，有效解決場景難復(fù)原、錯誤難復(fù)現(xiàn)以及部分破壞性實驗問題，大幅改善實踐教學(xué)條件。

3.激發(fā)學(xué)生實踐操作興趣

虛擬仿真技術(shù)可以將一些抽象、枯燥的知識，通過虛擬三維場景呈現(xiàn)出來，使學(xué)生操作時有身臨其境的感覺，增強學(xué)生對所學(xué)知識的理解和掌握。虛擬仿真突破了實踐教學(xué)對客觀條件的依賴，改變了學(xué)生被動聽講的局面，學(xué)生在虛擬場景中可進行自主選擇、分組操作，可反復(fù)進行試驗。通過虛擬仿真教學(xué)，學(xué)生可以不斷挑戰(zhàn)自我，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和求知欲，增強學(xué)習(xí)動機和學(xué)習(xí)效果，從而提升教學(xué)質(zhì)量。

4.提升實踐教學(xué)效率與效果

虛擬仿真技術(shù)和大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)深度融合，對實驗的操作實際上是對后臺服務(wù)器數(shù)據(jù)的操作，所以整個實驗過程并不會增加成本。而且，在虛擬仿真平臺上進行實踐操作，不受硬件條件制約，無需排隊等待，無安全隱患，非常契合遠程教育學(xué)生學(xué)習(xí)時間靈活的特點。學(xué)生在課程規(guī)定的時間內(nèi)登錄虛擬仿真平臺進行實驗操作，沒有操作次數(shù)的限制，也可以在完成虛擬實驗項目后，重現(xiàn)實驗操作過程，實現(xiàn)對實驗中問題的反向追溯。由教師和學(xué)生對實驗過程進行評價，師生共同對實驗結(jié)果進行分析與總結(jié)，實現(xiàn)對實驗過程和實驗結(jié)果的科學(xué)評價。教師還可以根據(jù)實際需求構(gòu)建新的實驗項目，不斷完善、更新虛擬仿真實驗項目。因此，虛擬仿真教學(xué)平臺能提供更多的優(yōu)質(zhì)實驗資源，提升實踐教學(xué)質(zhì)量。

●5G課程虛擬仿真教學(xué)實例

立足于遠程教育實踐教學(xué)內(nèi)涵發(fā)展要求和無線通信行業(yè)特色，以虛擬仿真實訓(xùn)及故障檢測為抓手，以滿足5G基站建設(shè)與維護、5G核心網(wǎng)技術(shù)、5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化主干課程為主，同時兼顧數(shù)據(jù)通信、光傳輸技術(shù)與應(yīng)用等支撐專業(yè)的5G全網(wǎng)通信綜合實訓(xùn)，對換機、路由器、傳輸承載網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)等實踐操作能力有一定的要求，所有實踐操作均需要相關(guān)實驗室支撐。然而，受遠程教育經(jīng)費的限制，對于設(shè)備成本高、更新?lián)Q代快的實驗室，很難獲得批建設(shè)，即便建設(shè)一兩套，也僅限于教師演示，而無法滿足人數(shù)眾多的學(xué)生實訓(xùn)需求。所以，可以在5G通信綜合實訓(xùn)中采用IUV_5G虛擬仿真平臺，該平臺以通信網(wǎng)絡(luò)為應(yīng)用場景，基于現(xiàn)網(wǎng)部署流程級真實設(shè)備，打造融“網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)配置、網(wǎng)絡(luò)調(diào)試”于一體的、實現(xiàn)5G課程實訓(xùn)教學(xué)模擬的一站式訓(xùn)練平臺，學(xué)生可以隨時隨地登錄，反復(fù)實踐操作，完成全流程學(xué)習(xí)，從而掌握通信設(shè)備的部署、配置、運維，以及站點設(shè)備安裝調(diào)試、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化等崗位工作技能，真正實現(xiàn)向應(yīng)用型人才轉(zhuǎn)變。

1.實踐教學(xué)實施平臺

IUV_5G虛擬仿真平臺依托華為云、阿里云等公有云設(shè)計，在真實還原5G網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備類型與參數(shù)類型的基礎(chǔ)上，全方位模擬端到端網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程。以城市級網(wǎng)絡(luò)建設(shè)案例高精度還原5G NSA/SA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與優(yōu)化流程。三個城市差異化場景布局，全方位呈現(xiàn)了5G網(wǎng)絡(luò)端到建設(shè)與切片流程。點線面的5G實訓(xùn)技能點設(shè)計涵蓋網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)配置、業(yè)務(wù)調(diào)試、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等全崗位專業(yè)技能需求。數(shù)據(jù)、語音、視頻優(yōu)化分級，基礎(chǔ)、進階、專項優(yōu)化逐級遞進，全面適配不同技能層級。[4]

2.實踐教學(xué)實施方法

采用“集中授課+分時練習(xí)+遠程操作+在線調(diào)試”模式，以實際問題為中心、工程案例為載體，結(jié)合相應(yīng)理論知識，采取參與式、案例式、情境式、探究式等多種方法，組織開展問題討論、互動交流、過程體驗和實踐模擬等培訓(xùn)活動。以5G公共網(wǎng)絡(luò)與專用網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，構(gòu)建涵蓋5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)、場景化部署方案、無線核心基礎(chǔ)原理、關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)業(yè)數(shù)字化應(yīng)用等公專一體的課程體系，并通過5G虛擬仿真軟件對六大模塊與切片應(yīng)用等內(nèi)容進行講解，以理論為驅(qū)動，以實訓(xùn)為引擎，理實一體，全面突破5G通信網(wǎng)絡(luò)的重點和難點。

3.實踐教學(xué)實施過程

5G虛擬仿真平臺以輕量化與趣味化為目標，提供了拖放、輸入、下拉、連線、點選等操作方式。操作過程可對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、站點類型、終端進行拖放，可以對數(shù)據(jù)參數(shù)、計算結(jié)果進行輸入或者下拉，可對設(shè)備對接、參數(shù)配置等進行連線或者點選。依次完成“無線網(wǎng)、核心網(wǎng)、承載網(wǎng)”的設(shè)備安裝、數(shù)據(jù)配置，然后根據(jù)告警信息查找錯誤并修改，直至業(yè)務(wù)開通。[5]具體的學(xué)習(xí)場景如下。

課前：學(xué)生登錄IUV-5G仿真平臺進行仿真實驗操作與預(yù)習(xí)，了解Optiion3x、Option2、Option4a三種網(wǎng)絡(luò)架以及對應(yīng)的網(wǎng)元、接口等基本知識點，針對每個知識點，平臺均配有相應(yīng)PPT、微課與教學(xué)視頻，可以提前閱讀思考，如有不明白的地方，可在論壇上討論或?qū)⒁蓡枎胝n堂。

課中：教師通過IUV二級管理平臺將課堂理論關(guān)聯(lián)的實訓(xùn)數(shù)據(jù)推送給學(xué)生，并分模塊進行操作演示；學(xué)生在教師的指導(dǎo)下完成對無線網(wǎng)、核心網(wǎng)、IP+光承載網(wǎng)的設(shè)備安裝、接線、數(shù)據(jù)配置、結(jié)果驗證。

課后：教師在系統(tǒng)上設(shè)置項目，學(xué)生登錄平臺后讀取“實訓(xùn)項目”并逐一完成，整個實訓(xùn)過程不受時空限制，可記錄，可監(jiān)測，教師隨時可以了解學(xué)生學(xué)習(xí)掌握程度，使用關(guān)聯(lián)賬號和學(xué)生同步操作，解決問題。

4.實踐教學(xué)實施效果

5G通信實訓(xùn)是通信專業(yè)的核心課程，其實訓(xùn)教學(xué)中涉及的知識點多，內(nèi)容抽象，尤其是無線通信過程的信令和數(shù)據(jù)無法通過直接觀測，必須通過實驗儀器呈現(xiàn)出來，由于缺乏必要的實驗設(shè)備，實訓(xùn)環(huán)節(jié)一直流于形式。IUV_5G虛擬仿真實訓(xùn)平臺的使用，極大地提升了學(xué)生的熱情和參與度，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，學(xué)生的實踐時長、任務(wù)完成率、測試通過率等均大幅度提高，從教師和學(xué)生對實訓(xùn)的綜合評價來看，在實踐中引入虛擬仿真技術(shù)有效培養(yǎng)了學(xué)生分析問題、解決問題的能力，進一步強化了學(xué)生的動手操作能力，提升了實踐教學(xué)的效果與質(zhì)量。

5.實踐教學(xué)評價體系

實踐教學(xué)成果的評價是檢驗學(xué)生實踐成果的重要手段，是評價實踐教學(xué)目標實現(xiàn)與否的主要依據(jù)。根據(jù)OBE教育理念（學(xué)生中心、成果導(dǎo)向、持續(xù)改進），應(yīng)在實踐教學(xué)過程中采用“重實踐過程、重目標達成度、重創(chuàng)新能力”的多元化評價體系，對實踐效果進行全方位跟蹤評價。利用虛擬仿真實踐平臺的信息化、網(wǎng)絡(luò)化功能，對學(xué)生實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)過程進行把控、評價和記錄，實現(xiàn)對實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的學(xué)生學(xué)習(xí)過程的記錄、跟蹤和監(jiān)督。[6]要想保證實踐教學(xué)能夠達到預(yù)期的目標，既要對學(xué)生的實踐成果進行評價，還要對實踐教學(xué)實施的具體效果進行評價，并及時進行反饋，以便及時修正實踐教學(xué)內(nèi)容和評價體系，進而更好地檢驗教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計是否符合培養(yǎng)目標的需要。[7]在教學(xué)效果評價上，要關(guān)注學(xué)生在知識和能力等方面的變化，應(yīng)采用持續(xù)評價、及時反饋的方法和策略來激勵學(xué)生不斷進步。[8]

●結(jié)束語

在遠程教育中引入虛擬仿真技術(shù)，有效地解決了因硬件設(shè)備問題而導(dǎo)致的部分實踐教學(xué)無法開展、達不到預(yù)期等問題，極大地緩解了工學(xué)矛盾，提升了實踐教學(xué)的安全性，培養(yǎng)了學(xué)生的動手實踐能力和應(yīng)用創(chuàng)新能力，增強了學(xué)生的就業(yè)競爭力。[9]

然而，相較于復(fù)雜的工程網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，虛擬仿真平臺無法做到和實際應(yīng)用環(huán)境完全一致，筆者在部分環(huán)節(jié)還是做了一些簡化，所以，在虛擬平臺上的調(diào)試經(jīng)驗并不能完全應(yīng)用在真實網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中。另外，在針對現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備的操作中，不能反復(fù)操作，需要考慮時間和成本，安全意識也必須加強，這些也決定了虛擬仿真實驗不能夠完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗，只能作為傳統(tǒng)實驗條件不足情況下的補充。[10]