通信工程專業創新實驗虛擬平臺建設與實踐

楊絮++王宇++李洋++陳宇

摘 要：隨著現代實驗課程體系的發展，實踐操作與虛擬仿真結合越來越緊密，已經漸漸融合到一起，可以起到取長補短的作用。虛擬實驗是真實實驗有益且必要的補充，通過虛擬仿真實驗，學生可以對理論課上所學的抽象的知識有更加具體、直觀的認識，加深理解。同時，學生可以通過虛擬環境，完成實驗的預習、實驗參數設計、功能分析等工作。從而節省實際操作的時間，提高效率并降低錯誤率。

關鍵詞：虛擬實驗平臺 通信工程專業 LabVIEW 虛擬儀器

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）08（c）-0138-02

隨著計算機技術、虛擬儀器技術和網絡技術的不斷發展，網絡功能的不斷更新及完善，計算機、網絡與儀器的結合更加緊密，基于此類技術產生的虛擬實驗教學平臺以其豐富的資源共享性、互動操作性、安全性等特點，在智能化、信息化、性價比等方面都具有非常明顯的優勢。

在高校通信類課程中，由于很多概念過于抽象，學生只能通過實驗來對課本上的理論知識有一個更為深刻的理解，為了提高學生的實踐動手能力和實驗設計能力和在實踐中發現問題、分析問題和解決問題的能力，培養創新探索的能力和協作精神。在高等工科教學實驗教學中采用創新實驗虛擬平臺，可以從根本上解決實驗經費短缺的問題和學生規模擴大與實驗基礎設施發展滯后的嚴重比例失調問題。利用虛擬儀器技術與計算機網絡相結合可以實現對儀器設備的遠程控制，在實驗、教學、科研等領域中具有廣闊的發展空間和應用前景，同時還可以減少實驗設備的資金投入，有利于從整體上改善辦學條件和提高教學水平。

1 建設方案

1.1 以能力培養為主線的通信工程專業平臺架構設計方案

通信工程專業創新實驗虛擬平臺建設緊緊圍繞通信專業知識鏈與學生能力提升兩條主線。圍繞通信知識鏈主線，實現“基本原理→開發技術→專業技術→系統應用→全網通信”的無縫連接，以保證實踐能力培養的連貫性；從通信專業知識的基礎性、綜合性、工程性和創新性等多個層面構建平臺架構，完整地體現通信信息處理流程與通信專業知識鏈的結合。

在能力培養方面，著重培養學生的理論結合實踐能力與工程認知能力、理論知識運用能力、創新能力與研發能力；同時，充分考慮到學生知識結構和能力上的個體差異，按多個層次來設置虛擬實驗模塊，使全部學生獲得應有的基本技能，又保證優秀的學生能脫穎而出。

1.2 基于多課程的通信專業虛擬實驗平臺建設

按照通信專業知識的深入，提出理論基礎和應用技術相結合的多課程虛擬實驗融合平臺，即：通信理論子平臺、通信技術子平臺、通信系統子平臺、全程全網子平臺。“四大”子平臺既可獨立運行，也可互聯互通，組成一個與現網同步的“終端與業務—接入網—核心網”電信級全程全網實驗平臺。通信工程虛擬實驗平臺結構圖如圖1所示。

每個模塊、子平臺、課程的虛擬實驗建設，均按照工程性、設計性、創新性3個模塊進行實驗內容設計，分別培養學生的理論結合實踐能力與工程認知能力、理論知識運用能力、創新能力與研發能力。

通信工程專業創新實驗虛擬平臺組成框圖如圖2所示。其主要由硬件實驗室、虛擬實驗中心、網絡服務器、校園網用戶和遠程用戶組成，其中校園網用戶又包括學生宿舍、多媒體教室、機房及辦公室。

該平臺包含程控交換、光傳輸、NGN、WCDMA、數據通信、光接入、電信業務研發。這7個子系統不僅可以相互獨立地進行某一環節的實訓，還可按照從“終端—接入網—核心網”聯合組網進行全程全網實訓。為學生深入分析和了解數據、信令和網絡運行提供了先進實驗手段與條件。與其他虛擬平臺不同的是，該平臺依托“長春理工大學-華為網絡技術學院”實驗室的商用級通信設備，結合了現代在線調試技術，充分發揮了虛擬實驗平臺專長，實現了專業硬件設備與虛擬儀器結合的遠程網絡虛擬實驗。

1.3 全功能的課程演示實驗實踐服務體系建設

以《通信原理》課程為例，在傳統書本及理論教學的基礎上，增加交互性與實踐性，通過仿真軟件的交互性界面幫助學生更形象地理解概念；通過便攜或專業的實驗平臺，引入真實的信號，借助實際的應用來闡述理論。實現學生在工程思想和創新動手實踐方面的提升，采取“課堂演示”“軟件實驗”“硬件實驗”“創新實驗”等多方面的教學手段。

利用LabVIEW軟件編寫完全演示型課件，用于老師上課直接展示，特別適用于不方便現場演示或者存在理論極值無法實驗得到結果的知識概念的演示。

利用軟件+教學板，這類教學板是專門為通信原理實驗教學定制板卡，通過提供便于動手操作的硬件電路框圖，實現虛中帶實，實中有虛的教學效果。

利用仿真軟件+具體功能平臺，不僅可在統一的功能平臺上使用仿真軟件，制作出多種已有的通信協議系統的原型，還可用于更為復雜或者更為前沿的通信系統。既適用于教學演示，也適用于學生創新科研項目。例如，以聲卡、PC作為硬件平臺，采用虛擬儀器開發平臺可以制作虛擬示波器、虛擬電壓表、虛擬功率測量儀、虛擬多功能函數發生器、虛擬頻譜分析儀等虛擬儀器。學生可以自己構建簡易虛擬實驗室，該項工作已經指導本科畢業設計取得一定成果。

2 實踐教學推廣應用

創新實驗虛擬平臺建設內容主要服務于本科的課程實驗、實習、課程設計、畢業設計、參與科研等幾個方面。通過虛擬現實、多媒體、人機交互、計算機仿真技術，實現課內與課外、校內與校外、現實與虛擬的融合，致力于虛擬仿真實驗和傳統實驗相結合的實驗教學方法改革。

依據演示型、基礎型、綜合型、設計型、創新型5個實驗層次構成的創新虛擬實驗教學平臺，使該校學生在理論、實驗、動手能力、創新意識方面不斷地提高。該校學生實踐效果得到了明顯提升，在各類學科競賽中屢獲佳績，2015年獲全國大學生電子設計競賽省二等獎3項。

平臺的建設與推廣，為學生理解理論知識、成功完成實驗、實訓、畢業設計等環節創建了便捷可靠的實驗環境，減輕了師生的教學負擔，提高了實驗實踐的成功率。另一方面，平臺充分調動了學生自主學習的積極性，促成學生的自我學習與自我驅動，為培養有研究精神，創新能力和視野開闊的通信人才提供了便利。

參考文獻

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