采用計算機仿真教學　提高通信工程實驗教學水平

寧志剛　黃智偉　王 彥　鄧賢君南華大學　湖南衡陽　421001

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采用計算機仿真教學提高通信工程實驗教學水平

寧志剛黃智偉王 彥鄧賢君
南華大學湖南衡陽421001

摘要：計算機仿真教學能提高通信工程學生實踐能力。分析了目前實驗教學存在的問題，對實驗教學體系改革和計算機仿真教學提出了相關對策。

關鍵詞：計算機仿真；實驗教學；通信工程

實驗經費不足是實驗教學薄弱的主導因素。隨著辦學規模不斷擴大，高校需要把主要財力用于購買土地、興建教學樓、實驗樓、學生宿舍、購買圖書等方面。購置實驗儀器較少，實驗經費不足，實驗教學實驗條件得不到改善，實驗儀器設備臺套數少，不能更新，實驗運行經費緊張，因而學生必須進行的實驗項目和實驗時間得不到保障。如果要做到一人一組的實操訓練，學校需要多投入經費，增加對實驗教學儀器設備的購置。這是近階段高校很難解決的一個難題，況且通信實驗設備非常昂貴。

實驗教學是教學當中不可或缺的重要環節。學生只有通過足夠的驗證實驗和一定數量的綜合性實驗，才能真正理解和掌握該學科的理論知識，才能獲得一定的綜合實驗能力。通信工程目前的實驗條件很難滿足在校學生實驗的要求。實驗室現有的計算機可重復使用，只要更新一些計算機仿真軟件，就可以完成不同課程的實驗。在目前已有實驗設備的基礎上，再添加一些通信仿真實驗可基本滿足通信工程專業實驗教學的需求。計算機仿真實驗，可以緩解高校實驗條件不夠這一壓力。尤其是那些成本高、難度大的實驗，利用計算機仿真技術可以獲得事半功倍的效果。將每臺單機互相聯接形成網絡，做到資源共享，不僅可以節省大量的實驗經費，減少實驗空間，降低實驗成本，而且可以提高學生參與實驗的主動性。學生通過這些仿真實驗所獲得的實驗能力往往要比實際實驗獲得的要更多、更快一些。

1　實驗教學體系改革

實驗教學作為實踐性很強的教學環節，應用性與工程性是其突出的特點。實驗課程的任務是培養學生系統設計能力、工程設計能力、探索創新能力。增加實驗課時、引進先進的實驗手段、更新試驗內容、建立獨立的實驗教學體系是實驗教學改革的核心。

實驗教學應擺脫依附、從屬理論教學的狀態，應建立一個獨立的實驗教學體系，與理論教學體系構成兩個既相互聯系又自成體系的系統。制定能充分體現實驗的驗證、綜合、探索三大功能的實驗教學標準、獨立的教學大綱和教學計劃。編寫實驗教材和實驗講義，加強實驗課程體系建設。在實驗項目和實驗內容上，應刪除陳舊過時的項目和內容，合并內容重復或類似的實驗項目，減少驗證性實驗的比重，增加綜合型、設計型、研究創新型實驗的比重。實驗項目注意少而精；實驗教學要注意循序漸進和適度跳躍，要因材施教。

創建具有相對獨立性的實驗課程體系，構建體現“以學生為本”的現代實驗教學理念的培養模式：將實驗內容分為基礎型、設計型、綜合型3個層次；實驗室對設計型和綜合型實驗項目開放、對專業設計開放、對課外科技活動開放；實行開放實驗，包括內容開放、時間開放、元器件開放，讓學生自由選擇實驗時間；實驗教學的理論與實驗相結合、虛擬實驗與硬件實驗相結合、第一課堂教學與第二課堂科技活動相結合。建立一個培養學生創新設計和工程實踐能力的實踐平臺，最大限度地滿足實驗教學的需求，拓寬學生自主學習、主動學習實踐的空間，大幅度地提高實驗教學質量和水平。

目前的實驗系統能夠做的實驗大多是一些驗證性實驗。增購仿真器等相關配套設備，編寫程序，就能改變目前的實驗內容，增加綜合性與設計性實驗的比例，提高學生對課程相關原理、相關軟硬件的理解和實際運用能力。通信工程專業的教師可根據現有的條件，充分利用目前已有的計算機仿真軟件，對現代通信原理、無線通信、寬帶通信網、計算機網絡、現代交換原理、光纖通信以及微波與天線等課程進行實驗教學，開發尚缺的實驗程序及編寫實驗指導書。對現有的通信工程專業實驗進行分析、整合與優化，打造一個創新實踐基地，為優秀學生提升能力創造條件，讓他們早一些進入創新實踐基地進行訓練，培養學生的實踐能力，以參加“電子設計競賽”和“挑戰杯”競賽。

2　計算機仿真教學效果分析與措施

2.1 計算機仿真教學能優化教學效果

各種儀器設備更新換代的頻率提高，而高校有限的實驗經費又不可能及時、全面地更新實驗儀器設備。在實驗教學中采用仿真實驗這一新的教學手段，通過不斷更新軟件，就可以讓學生學會使用各種先進的儀器設備及電子芯片，學會使用由于價格昂貴而無法購買的各種精密儀器。在不增加學時和設備的情況下，提高實驗室的利用率及學生實驗的效率。通過提供不同的仿真軟件，學生可以充分發揮自身的想象力和創造力，自由組合元器件，隨時更新元器件參數，觀察實驗過程，實現自己的想法，達到自己的實驗目的，提高自己的動手能力、思維能力和實踐能力。若進行計算機仿真實驗，比實際實驗室至少多安排一倍的學員，而且可以同時開設多種實驗，使實驗課的開設循環加快。學員通過模擬實驗，積累了實驗的經驗，有利于提高實際實驗的成功率，減少了實驗儀器設備的損壞率，降低實驗消耗品的消耗，有利于在短時間內一定程度地改善實驗教學的緊張狀況。學員通過仿真實驗，還可以提高自己的思考能力和創新能力，提高實驗的興趣。仿真實驗的結論可以更好地指導實際實驗操作，實際實驗操作又可以驗證仿真實驗的效果，二者是實驗教學的一個整體。

2.2 利用已有的仿真軟件及編寫仿真程序進行實驗教學

2.2.1 電子設計常用軟件

PSpice是一種強大的模擬和數字電路混合信號仿真軟件。EWB主要用于模擬和數字電路的仿真。高版本的Multisim提供了萬用表、示波器、信號發生器等虛擬儀器。Protel可進行電原理圖繪制、模擬電路與數字電路混合信號仿真、多層印刷電路板設計。VHDL語言是ASIC設計和PLD設計的一種主要輸入工具。

2.2.2 幾款主流網絡仿真軟件

OPNET Modeler能夠滿足大型復雜網絡的仿真需要。NS2是一種面向對象的網絡仿真器。MatLab可對網絡進行編程仿真。CASSAP仿真軟件主要應用于數字信號處理和網絡通信領域，可在概念、體系結構、算法3個層次上實現仿真。SPW通常應用于無線和有線載波通信、多媒體和網絡設計與分析等領域。Atoll作為無線規劃工具。

2.2.3 光纖通信系統仿真軟件

Boss是一種光鏈路仿真軟件，SCOPE是一種把系統的光電器件和光器件用兩端口網絡模型來模擬的非線性微波仿真軟件。DEX SOLUS是基于Spice電路仿真軟件的專用于光通信領域的信號分析軟件。IBM的OLAP是一個把SYSTID和低級的光器件仿真軟件綜合起來應用的軟件。IFROST，OptiSystem等是新的光通信系統模擬軟件包。

2.2.4 射頻通信和高速通信仿真軟件

SystemView是功能強大的通信系統設計開發、仿真分析軟件。Ansoft HFSS 是三維結構電磁場仿真軟件，可分析仿真任意三維無源結構的高頻電磁場，可直接得到特征阻抗、傳播常數、S參數及電磁場、輻射場、天線方向圖等結果。Ansoft Designer將先進的電路仿真和電磁場模型提取無縫地集成到一個自動化的設計環境中。Nexxim是針對射頻/數模混合集成電路及高性能信號完整性等應用領域的新一代仿真軟件。Agilent.RFDE2003C是射頻微波集成電路分析工具。VisSim可以為復雜通信系統進行建模以及仿真操作。

通信仿真軟件群多，大多通信技術專業基礎和專業課程都可以選取相應的系統級或鏈路級仿真軟件進行強化實踐教學，重新組織教學內容，修訂和編寫新的教學計劃和教學大綱。除此之外，我們還可以指導學生利用Visual C++，LabView，MatLab等語言開發仿真程序，滿足個別課程的個別實驗要求。這樣可提高學生實際編程能力和參與實驗的興趣。

2.3 構建虛擬實驗室和網絡虛擬實驗室

在當前學校經費有限的情況下，若配置常規儀器，學校財力難以支付。隨著測試儀器的數字化、計算機化的發展趨勢，傳統測試儀器有被漸漸取代的趨勢。如果運用虛擬儀器技術，以微機為基礎，構建集成化測試平臺，代替常規儀器、儀表，大大提高了設備利用率，降低了實驗室構建成本。網絡虛擬實驗室是通過計算機網絡系統，學生將不受時空的限制，隨時隨地與同行協作，共享儀器設備，共享數據和計算資源，得到教師的遠程指導以及與同行相互研討。通過網絡虛擬實驗室能夠實現儀器設備遠程共享，甚至遠程控制，滿足科研教學對分布式實驗系統的要求，同時解決了棘手的教學資源緊張問題。利用虛擬實驗進行實驗教學時，應遵循與信息技術課程整合的原則，利用信息技術，優化實驗教學。采用Java技術、ActiveX控件、VRML技術、ASP技術等虛擬現實開發工具，利用校園網和Internet網絡構建網絡虛擬實驗室。采用Visual Basic ，Delphi，HP VEE， LAB Windows/CVI 和LABVIEW編寫可視化應用程序。利用虛擬實驗進行實驗教學時，應遵循虛擬教學與現實教學相結合的原則，將虛擬仿真實驗與實際動手實驗相結合，做到虛實結合、虛實互動，即：(1)虛擬元器件與實際元器件結合，提供元器件實物樣品和元器件手冊供學生觀察查閱；(2)虛擬儀器儀表與實際儀器儀表的結合，對照實際儀器儀表，掌握儀器儀表的操作、使用方法；(3)虛擬實驗與具體實踐相結合，具體的系統采用虛擬實驗和仿真實驗仿真后，需要進行具體實踐。讓學生運用所學的知識解決實踐中碰到的問題，促使學生的綜合素質和動手能力的提高。在充分利用現有的實驗設備基礎上，將虛擬實驗、仿真實驗和實物實驗有機地結合，建立虛擬實驗室、網上虛擬實驗室，打造一個創新實踐平臺，為學生參加“電子設計競賽”“挑戰杯”競賽提供方便，解決目前學生畢業設計、課程設計實驗條件不夠這一窘態，為師生營造一個研發創新的實驗環境。

參考文獻

[1] 初漢芳,朱燕空.創業虛擬仿真實驗教學中心的實踐與探索[J].實驗室技術與管理,2014,31(12):97-100.

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Improving Experimental Teaching of Communication Engineering Through Computer Simulation Teaching

Ning Zhigang , Huang Zhiwei, Wang Yan, Deng Xianjun
University of South China, Hengyang, 421001, China

Abstract:Computer simulation teaching can improve practical abilities of students of communication engineering. Current existing problems of experimental teaching were analyzed, and some relevant suggestions were brought forward for the reform of experimental teaching system and computer simulation teaching.

Key words:computer simulation; experimental teaching; communication engineering

基金項目：湖南省教育廳教改課題項目“電子信息類卓越工程師產學研結合培養模式實踐探索”(編號：湘教通〔2013〕223號，序號216)；南華大學船山學院2015年教改課題“獨立學院電子信息類教學科研多維一體化創新型人才培養模式研究”(編號：2015CZ001)。

作者簡介：寧志剛，博士，副教授。

收稿日期：2015-07-13