虚实结合的分层次通信原理实验教学体系探讨

杨克虎

(中国矿业大学(北京) 机电与信息工程学院, 北京 100083)

虚实结合的分层次通信原理实验教学体系探讨

杨克虎

(中国矿业大学(北京) 机电与信息工程学院, 北京 100083)

阐述了几种常用虚拟仿真软件在通信原理实验教学中的优缺点,以e-Labsim虚拟仿真平台和配套实验箱为核心构建了虚拟仿真实验平台,提出了分层次的实验教学体系。采用虚实结合、课外课内结合的方式,激发学生课外自主学习的热情,最大化利用课堂实验教学学时,以提高教学质量。

通信原理； 实验教学； 虚拟仿真

1 通信原理实验教学现状

(1) 实验教学资源难以做到完全开放,学生无法在课外进行充分的预习和复习,在有限的实验课时内,既要熟悉仪器设备的操作,又要学习实验的原理及步骤并完成实验内容,实验效果不十分理想。此外,本科各专业培养方案的总学时数不断压缩已是大势所趋,必然会影响每一门课的理论及实验教学时数,而为了提高学生的实践能力和创新思维,实验项目中综合性、设计性实验的占比越来越高,严重压缩了基础性、验证性实验的学时数。为了保证实验教学体系的完整性,此类实验需要，也完全可以由学生在课外自行完成,但目前绝大部分实验室都难以做到全天候面向学生开放。

(2) 实体的实验设备难免会因为元器件老化、学生误操作等因素而发生故障,影响正常的教学计划；且实验设备升级和扩展均不太方便,维护成本较高,特别是过质保期以后,设备维修愈发困难,全部更新又需要大量的资金和较长的建设周期。

(3) 目前的实验教学考核大多采用学生课后提交实验报告的方式,存在大量的抄袭、篡改实验数据等现象,且对于实验的过程无法进行监控和评价。

随着信息化技术的不断发展和深入,教育信息化受到了国家的高度重视,《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》指出“信息技术对教育发展具有革命性影响,必须予以高度重视”,并把“加快教育信息化进程”单独作为一部分进行了阐述[1]。在高等学校实验教学及其信息化方面,教育部在2012年3月连续发布了《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》[2]《教育信息化十年发展规划( 2011—2020) 》[3]2个文件,明确指出“要利用先进网络和信息技术,整合资源,构建先进、高效、实用的高等教育信息基础设施,开发整合各类优质教育教学资源”“要遴选和开发 1 500 套虚拟仿真实训实验系统”,高等学校虚拟仿真实验教学中心建设工作已成为高等教育信息化的重要组成部分[4-5]。

“通信原理”是我国高等学校电子信息类专业的核心课程,理论和公式推导较多,要求学生有很好的数学基础,同时所讨论的对象又都具有十分明确的物理意义,依赖于具体的电路去实现,是一门理论性和实践性均很强的专业课程。传统的教学方法和教学手段,往往不能很好地调动学生学习的积极性和主观能动性,达不到很好的教学效果。通信原理的实验教学长期以来也是以实验箱为中心,近年来,许多高校都在通信原理实验教学方面提出了诸多的改革措施[6-11],取得了一定的成效。针对中国矿业大学(北京)信息工程本科专业的实际情况,提出了采用虚实结合的多层次通信原理实验教学体系。以通信原理实验箱为核心,结合配套的虚拟仿真软件,构建了一套覆盖基础验证性实验、综合设计性实验以及创新性实验的开放式实验教学平台,对于提高通信原理课程的教学质量、提高学生的创新精神和实践能力有着重要的意义。

2 虚拟仿真技术与通信原理实验教学

目前,国内高等院校通信原理实验教学普遍以实验箱为中心,同时在理论教学中引入商业仿真软件,例如SystemView、Matlab、LabVIEW等,或开源仿真软件,例如SciLab,对有关知识点或部分实验内容进行讲解和演示。

SystemView是美国Elanix公司推出的动态系统仿真软件。2005年,Elanix被美国安捷伦公司收购,SystemView随后也改名为SystemVue。它可以构造各种复杂的模拟系统、数字系统、数模混合系统和各种多速率系统,非常适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证。早在2000年,北京邮电大学就开始应用SystemView辅助通信类课程的实验教学。

2006年，习近平总书记对“绿水青山就是金山银山理念”进行了精彩的论述：“在实践中对绿水青山和金山银山这‘两座山’之间关系的认识经过了三个阶段：第一个阶段是用绿水青山去换金山银山，不考虑或者很少考虑环境的承载能力，一味索取资源。第二个阶段是既要金山银山，但是也要保住绿水青山，这时候经济发展和资源匮乏、环境恶化之间的矛盾开始凸显出来，人们意识到环境是我们生存发展的根本，要留得青山在，才能有柴烧。第三个阶段是认识到绿水青山可以源源不断地带来金山银山，绿水青山本身就是金山银山，我们种的常青树就是摇钱树，生态优势变成经济优势，形成了浑然一体、和谐统一的关系，这一阶段是一种更高的境界。”[2]

Matlab/Simulink是世界著名的3大科学计算软件之一,它具有强大的数值运算、系统仿真和图形化显示等功能。借助于其内部有关通信和信号处理的各种函数库、模块及图形界面工具,可以将晦涩难懂的通信理论、通信过程、信号波形等通过可视化环境在屏幕上直接展示给学生,不仅可以起到辅助教学的功能,还可以激发学生的积极性,加深其对教学内容的理解,提升教学效果。

LabVIEW是一款由美国国家仪器(NI)公司研制的采用图形化编程语言的虚拟仪器软件，它提供了很多外观与传统仪器(如示波器、万用表等)类似的控件，还提供了通信和信号处理有关的工具包,例如滤波器设计、调制、频谱测量等,为LabVIEW在通信类课程教学中的应用提供了一些便利。

以上3种软件都是商业软件,虽然提供了强大的系统仿真功能,但是其高昂的售价往往难以大规模应用于通信原理课程的教学,同时也促使很多学生使用盗版软件,对树立学生的知识产权保护意识非常不利。且商业软件很多核心代码是商业机密,用户只能使用,无法进行二次开发,不利于学生自主创新意识和创新能力的培养。自2008年开始,北京邮电大学着力于将SciLab开源软件及其图形化工具箱Scicos引入通信原理的实验教学。SciLab是一款完全免费和开源的软件,其功能和编程语言均与Matlab类似,对于教学经费紧张的学校,SciLab完全可以替代Matlab用于相关课程的教学。

从软件功能上来讲,以上软件完全能够满足通信原理实验教学的需求,而且学生一旦掌握,对后续的深入学习或从事创新活动都会有很大的帮助,较适合于创新类实验的教学。然而,此类通用的仿真软件往往难以得到实验设备厂家的支持,使得软件仿真的内容与实际的实验操作内容相差甚远,在实验课内学生仍然要花费大量时间去熟悉各种仪器设备以及实验箱的操作步骤,压缩了实际用于实验的时间,影响了实验的效果。

3 e-Labsim虚拟仿真平台的主要特点

为解决目前通用类虚拟仿真软件存在的问题,武汉凌特公司推出了e-Labsim虚拟仿真产品,其独有的“仿真引擎”技术可以完全模拟硬件设备的外观及行为,配合该公司的通信原理实验箱,可以让学生实现从仿真环境到实际硬件环境的无缝切换。图1为e-Labsim仿真平台效果图,可以看到仿真平台中的各类仪器设备以及实验模块的外观均与实际的硬件设备高度一致。除此之外,实验平台的功能设置、接线方式、仪器仪表的操作等均与实际情况相同,学生完全可以在课外通过e-Labsim软件来熟悉实际的硬件实验环境,学习实验的步骤,将有限的实验学时充分应用于实验本身,提高实验教学的效果。e-Labsim提供了完善的测试设备,如函数信号源、示波器、逻辑分析仪、频谱分析仪等,甚至比实际的实验室仪器配置更胜一筹,学生能利用各种不同的设备对信号进行全方位的观测。

图1 e-Labsim仿真平台效果图

e-Labsim采用先进的CSDA架构,通过部署在用户的服务器上,可以很好地实现实验教学资源的完全开放,给学生搭建一个随时随地进行学习和创新设计的网络平台,彻底将实验室教学资源全天候向学生开放,提高其利用率。

在自主实验和创新设计方面,学生可以按照自己的思路利用e-Labsim进行电路及系统的搭建,方便学生对自己的设计思路及要实现的功能进行原型验证。同时软件还内置了完整的二次开发及创新设计模块,学生设计的功能模块完全可以替代软件本身的模块而融入到系统实验中去。此外,e-Labsim还内置了与Matlab的接口模块“Link for Matlab”,可以方便地和Matlab进行接口调用,学生可以在Matlab环境中进行开发,然后由e-Labsim直接调用并进行验证和观测,极大地扩展和丰富了e-Labsim的功能,有利于提升学生创新实践的兴趣。

此外,e-Labsim还支持多个学生终端之间互联进行系统的联调和观察,就像联机打游戏一样,既可以增加学生的兴趣、提升学生的合作意识,又方便教师通过远程的方式对学生进行一对一的考核和指导。另外,为了能加强对学生实践的管理和指导,e-Labsim还配套了一套较为完善的实验教学管理系统,不仅能进行常规的实验教师和学生的管理,更支持学生将实验过程、实验结果和实验报告上传给教师进行评阅,便于教师加强对学生的考核。

4 通信原理实验教学体系

为了充分发挥信息化技术带来的优势,我校的通信原理实验室采用了虚实结合的建设思路,以武汉凌特公司生产的通信原理实验箱及配套的e-Labsim虚拟仿真软件为核心,构建了一套开放式的、多层次的实验教学体系。

4.1 实验室总体架构

实验室配套了10套LTE-TX-03A通信原理实验箱和10套LTE-GP-03A高频电子线路实验箱,均采用了“通信积木”式的模块化的架构,从通信系统的角度出发,将各知识点分割成独立的模块。各模块均有标准的结构、信号输入输出接口和时钟总线、通信总线接口。模块在设计上采用了当今通信设备中较为流行的“软核硬架构”的开放式设计方式,不仅可以让学生对模块功能进行灵活配置,而且可以按照自己的构思用这些标准的模块“积木”搭建出自己想要的通信系统,比如说有线通信、无线通信、带限传输、程控交换、移动通信、光纤传输环网、PSTN网络等系统。此外,学生还可以通过对软核的定制和开发,在同类功能范围内,按照自己的构思对“积木”进行重新定义,从而将学生自己的设计融入到整个通信系统中进行验证,提升学生的创新意识和创新能力。

通过部署在实验室服务器上的中央数据库、实验教学管理系统、e-Labsim虚拟仿真平台以及服务器应用软件,学生可以随时随地通过客户端登录服务器进行实验。目前该系统能够满足信号与系统、通信原理、光纤通信、移动通信等多门课程的实验教学。教学管理系统分为管理员、教师和学生3种角色,管理员能对教师及学生账号、密码进行分配和管理,能对学生的课程选择进行管理,能查看访问信息；同时系统还支持教师发布实验大纲、查看并批改学生的实验报告,及进行实验成绩的录入、查看、修改、导出、打印等功能,极大地提升了实验教学的效率。实验平台的总体架构如图2所示。

4.2 多层次实验教学体系

根据培养创新型人才的发展战略,我国高校工科各专业的实验教学基本上可以分为3个层次：基础验证性实验、综合设计性实验以及创新性实验。通过对通信原理课程实验教学项目进行优化和分类,以提高实验课堂的教学效率、提升学生自主学习的热情为目的,充分发挥e-Labsim虚拟仿真技术的优势,提出了如下的分层次实验教学体系。

第一层次：基础验证性实验。利用e-Labsim虚拟仿真软件,突破了传统以实验箱为中心的课堂实验教学在时间和空间上的限制,学生可以随时随地通过个人计算机登录服务器完成相应实验项目。该层次的实验项目主要采用学生课外完成的形式,按照知识块规定一定数量必做的实验项目。由于消除了实验学时的限制,学有余力的学生也可以完成所有的实验项目,以强化对基础理论的感性和理性认识,为后续综合设计性实验和创新性实验的展开打下基础。

第二层次：综合设计性实验。此部分实验采用虚拟仿真与实验箱相结合的方式,学生在课外完成实验方案的制定、利用e-Labsim对实验方案进行验证和调整,在实验课内再利用实验箱对实验方案进行验证。充分激发学生课外学习的热情,最大化利用有限的课内实验学时,着重锻炼学生实际动手能力和独立解决复杂工程问题的能力。

图2 实验平台总体架构示意图

第三层次：创新性实验。学有余力的学生可以在课外完成一定数量的创新性实验项目。所提供的创新性实验项目主要分为2类：一类利用e-Labsim的“Link for Matlab”模块,通过在e-Labsim虚拟仿真平台上调用Matlab引擎,实现对e-Labsim和实验箱的功能扩展,以完成更加复杂的实验项目；另一类实验项目主要是通过对各“通信积木”的FPGA进行二次开发,编程实现一些先进的调制解调算法,然后在实验箱上进行验证。

此3个层次的实验通过课外的虚拟仿真和课内实验相结合,最大化地利用了课堂实验教学学时,调动了学生课外学习的积极性,也很好地锻炼了学生的实际动手能力及创新意识。

5 结语

未来几年,虚拟仿真技术必然会在通信原理等专业基础课程的实验教学中发挥更加重要的作用,如何利用虚拟仿真技术提高课程的授课质量是授课教师所需要积极思考的问题。本文尝试将通信原理实验分为

3个层次,采用虚实结合、课外和课内结合的方式,基于e-Labsim虚拟仿真平台和配套实验箱,构建了一套通信原理的实验教学体系,发挥了虚拟仿真技术和实验箱各自的优势,提高了通信原理的授课质量。

References)

[1] 国家中长期教育改革和发展规划纲要工作小组办公室.国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)[Z].2010.

[2] 教育部.教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见[Z].2012.

[3] 教育部.教育信息化十年发展规划( 2011—2020年)[Z].2012.

[4] 教育部.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[Z].2013.

[5] 李平,毛昌杰,徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设,提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索,2013,32(11):5-8.

[6] 许正荣,贾贤龙,李阳,等.通信原理实验教学改革与实践[J].实验技术与管理,2013,30(4):171-174.

[7] 马冬梅,朱正伟.通信原理实验教学的改革与探索[J].实验室科学,2010,13(4): 17-19.

[8] 沈文丽,余燕平,贾波.《通信原理》课程的课堂与实验教学改革[J].实验科学与技术,2014,12(1):55-57,75.

[9] 张艳,高军萍,高振斌,等.《通信原理》实验项目教学新模式探索[J].武汉大学学报(理学版),2012,58(增刊2):157-159.

[10] 张健,熊建文,张军朋,等.“通信原理实验”多元实践教学模式的探索及实现[J].实验室研究与探索,2013,32(3):136-139.

[11] 陈萍,周会超,周虚.构建虚拟仿真实验平台,探索创新人才培养模式[J].实验技术与管理,2011,28(3):277-280.

Exploration on experimental teaching system with hierarchical communication principle of virtual-real combination

Yang Kehu

(School of Mechanical Electronic and Information Engineering,China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China)

The advantages and disadvantages of several commonly used virtual simulation softwares for experimental teaching of the communication principle are described. Based on the e-Labsim virtual simulation platform and the supporting experimental box as a core,a virtual simulation platform is established and the hierarchical experimental teaching system is proposed. With the combination of the virtuality and reality and the combination of extracurricular courses,the students’ enthusiasm of autonomous learning outside the class is stimulated,and the use of experimental teaching hours inside the classroom is maximized in order to improve the quality of teaching.

communication principle; experimental teaching; virtual simulation

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.042

2017-02-28

杨克虎(1982—),男,湖北仙桃,博士,副教授,硕士生导师,研究方向为能源互联网、电力电子技术.

E-mail：ykh@cumtb.edu.cn

G642.0

B

1002-4956(2017)07-0162-04