通信工程虛擬仿真實驗教學中心構建及管理

武 一, 周亞同, 張 雯, 張保敬, 徐曉輝

(河北工業大學 電子信息工程學院, 天津 300401)

虛擬仿真實驗教學中心建設

通信工程虛擬仿真實驗教學中心構建及管理

武 一, 周亞同, 張 雯, 張保敬, 徐曉輝

(河北工業大學 電子信息工程學院, 天津 300401)

針對當前高校通信工程專業實驗教學中存在的問題和改革形勢,首先論述構建虛擬仿真實驗教學中心的必要性；然后介紹河北工業大學通信工程虛擬仿真實驗教學中心的主體框架與層次,并以高頻電子線路、數字圖像處理、光纖通信等課程為例,詳細剖析一些典型虛擬仿真實驗的內容、功能和效果；最后闡述在虛擬仿真實驗教學中心管理制度建設方面的一些經驗和體會。通信工程虛擬仿真實驗教學中心的建設,豐富了本專業的實驗結構體系,提升了學生的動手能力和學習興趣。

通信工程； 虛擬仿真； 實驗教學中心； 實踐教學

1 通信工程實驗教學面臨的問題

國內很多高校都開設有通信工程本科專業,面對通信技術的不斷發展和通信系統的不斷復雜化,傳統實驗教學方法已經不能滿足新形勢下的學習需求[1]。當前通信工程實驗教學面臨如下問題:

(1) 經費問題限制了實驗設備的選購、維修和更新換代,從而導致實驗內容長期得不到更新,這與通信工程技術更新快的特點不匹配。在實驗內容過于單一的情況下,實驗教學目標難以達到,更不能達到學生廣泛參與設計型和創新型實驗的目的。

(2) 通信行業中的部分傳統實驗需要焊接過程和強電設備支持,存在一定的危險性,學生在不會使用的情況下容易發生危險,造成人身傷害。

(3) 一些通信類實驗過程相對復雜,使得實驗效率降低,實驗效果得不到充分的保證。

(4) 高校擴招和學生人數增加,導致部分高校通信工程實驗室條件在一定程度上不能滿足學生的需求。

2 通信工程虛擬仿真實驗教學中心構建

2.1 虛擬仿真實驗教學含義

虛擬仿真實驗教學不局限于地點和時間,學生可以通過通信工程虛擬仿真實驗中心(下稱中心)提供的虛擬器材自己動手連接和調試實驗模型,并可在此基礎上進行改進。虛擬仿真實驗教學豐富了實物實驗的教學內容,能夠在實物實驗基礎上提供相對復雜的實驗內容,增強學生的動手創新能力、提高學生學習的積極性[2]。

2.2 構建中心的必要性

針對當前通信工程實驗教學中面臨的問題,我校通信工程專業引入虛擬仿真實驗教學內容,使得虛擬仿真實驗教學與實物實驗教學相互結合和補充,進而構建比以往更加完善的通信工程虛擬仿真實驗教學中心。

(1) 中心不僅豐富了實驗內容,而且在很大程度上降低了實驗教學成本,為更多學生提供了自主學習的實驗環境,緩解了實驗設備后期維護壓力,實驗效果更佳。

(2) 中心給學生提供了可靠安全的實驗方法,避免了部分實驗項目的高消耗[3]。不僅可提供大膽思路給學生,而且在操作過程中學生不必擔心接線錯誤和任意改變元器件帶來的危險。

(3) 中心使得實驗更加方便和高效,縮短了實驗時間,達到學生自己動手實驗的目的,教學目標更加明確,提高教學效率,發散學生思維,積累實踐經驗,有利于提高實物實驗的成功率,使理論與實際更好地相結合,更加符合高校開設實驗教學課程的初衷。

2.3 中心主體框架

虛擬仿真實驗教學的引入使目前傳統的實驗教學體系上升到了更高水平和層級。圖1是中心主體框架。該框架包括通用軟件虛擬仿真實驗教學中心、通信電子線路虛擬仿真實驗教學中心、通信信號處理虛擬仿真實驗教學中心、通信傳輸模式虛擬仿真實驗教學中心、虛擬仿真實驗教學管理中心等。

圖1 河北工業大學通信工程專業虛擬仿真實驗教學中心主體框架

2.4 中心的層次

如圖2所示,中心主要分為4個層次,分別為設計型實驗、綜合型實驗、基礎型實驗和演示型實驗。4種實驗類型相互結合、相互補充,形成了完整的虛擬仿真實驗教學中心,從認知能力、動手能力、思維能力和創新能力等各方面提升學生的素質。

圖2 河北工業大學通信工程虛擬仿真實驗層次圖

3 典型的通信工程虛擬仿真實驗設計剖析

中心包涵有大量的虛擬仿真實驗,涵蓋了本專業的大部分相關課程,本文挑選幾個典型實例進行剖析。

3.1 高頻電子線路虛擬仿真實驗

傳統高頻電子線路實驗主要包括場效應管諧振放大器、高頻諧振功率放大器等典型實驗。中心可以交叉構建相關的電路原理圖[4],對實驗進行設計、仿真和調試,并且可在傳統實驗基礎上進行改進,還可以結合一些能夠實現的傳統電路的實驗結果,將2種實驗方式的結果進行對比和分析[5]。學生可以在短時間內深刻體會到電路中信號的變化情況,教學效果得到顯著提高,以基極調幅電路為例闡釋。

3.1.1 實驗項目:基極調幅電路

(1) 熟悉高頻電子線路仿真方法,理解基極調幅電路的實現原理,了解并熟悉電路工程分析法。

(2) 熟悉調幅波中的各個參數定義以及測量方法,了解每個電壓量對于電路的影響,綜合考慮載波輸入電壓和調制輸入電壓值。

(3) 了解電路的輸出波形為何失真和一些消除失真的辦法。

3.1.2 實驗功能和效果

在虛擬仿真中心工作區中搭建基極調幅電路,要求晶體管工作處于欠壓狀態,即偏置電壓設定在一定范圍內,不能太大,并分析晶體管工作特性曲線。圖3為基極調幅電路虛擬仿真效果圖。

圖3 高頻電子線路課程的基極調幅電路仿真效果圖

3.2 數字圖像處理虛擬仿真實驗

數字圖像處理虛擬仿真中心可以廣泛應用于圖像增強、編碼、分割等相關實驗中,針對用戶對圖像效果提出的不同要求,分別實現圖像的不同處理操作,以數字圖像恢復虛擬仿真為例闡釋。

3.2.1 實驗項目:數字圖像恢復

數字圖像恢復是圖像處理的一個重要分支,對畸變或退化后的圖像進行恢復處理,包括圖像復原或修復等處理手段[6]。主要是為了改善視覺效果,以最大的保真度恢復原來的圖像。圖像恢復質量不僅根據主觀感受來判斷,而且也根據一些客觀的衡量標準進行判斷。

3.2.2 實驗功能和效果

在虛擬仿真實驗中心上對退化圖像建立退化數學模型,最大限度恢復圖像的本來面目。在提取的圖像特征上做進一步分析和理解,根據得到的圖像顏色和紋理等特征,進行圖像恢復工作。圖像恢復虛擬仿真效果如圖4所示。

圖4 圖像復原和修復虛擬仿真效果圖

3.3 光纖通信虛擬仿真實驗

光纖通信實驗本身成本比較高,而且發展速度快,很適合用于虛擬仿真實驗操作[7],以光波分復用及光時分復用為例進行闡釋。

3.3.1 實驗項目:光波分復用和時分復用

(1) 在光復用器與解復用器搭建多個信道的光波分復用系統基礎上,研究基于直接調制與間接調制方法傳輸多路高速率信號的光波分復用系統[8]。

(2) 根據間接調制原理,采用光復用器、解復用器及光時延器搭建多個信道的光時分復用系統。

(3) 研究光復用器間隔及光纖參數系統的影響對通信容量和信息網絡建設的意義。

3.3.2 實驗功能和效果

在光直接調制以及間接調制原理的基礎上,理解搭建的光波分復用及光時分復用光纖通信系統,并比較2種復用方式的區別和特點。通過系統總體方案設計、模型搭建、仿真結果的對比,得到最優的光波分復用及時分復用通信系統。圖5和圖6分別為光波分復用和時分復用系統虛擬仿真框圖。

圖5 光波分復用系統虛擬仿真框圖

圖6 光時分復用系統虛擬仿真框圖

4 通信工程虛擬仿真實驗中心的管理

4.1 實驗教師隊伍建設

與實物實驗不同,虛擬仿真實驗對于實驗教師隊伍的教學能力要求更高。增強教師隊伍在虛擬教學實驗操作方面的水平,是優秀實驗教師隊伍建設的核心。具體可采取如下措施:

(1) 集中校內外豐富的教育資源,優化實驗教學教師隊伍,積極探索實驗教師培訓機制和管理新體制[9]。

(2) 充分發揮優秀實驗教師的帶頭作用,在所涉及的教學內容和課程體系基礎上,進行學術討論和經驗交流,以此帶動整個教師隊伍水平[10]。

(3) 建立和完善獎勵和鼓勵辦法,進一步探索專職實驗室教師聘用新方式,進一步健全實驗室學生助管制度。

(4) 促進實驗教學和科學研究結合,激勵更多的研究型教師參與到實驗教學工作中來。

4.2 通信工程虛擬仿真實驗研發能力培養建設

虛擬仿真實驗研發能力的培養建設還需要進一步提升。建設方向主要涵蓋以下幾個方面:

(1) 研究型教師將有代表性的科研成果引入到仿真中心,給實驗內容注入創新思維[11]。

(2) 學生在電子設計大賽中獲獎的作品,以及平時在電子科協完成的實驗成果引入到虛擬實驗中心中,作為實驗資源提供給學生作為學習教材,從而激發更多學生自主學習的積極性。

(3) 通過和通信行業的不同科技公司合作,共同研究和探索通信工程相關虛擬實驗項目,將聯合研發的部分內容引入到實驗中心,豐富相關實驗內容,使學生能夠了解到目前最新的最具代表性的應用型實驗內容[12],更好地做到理論知識和實際應用相結合。

4.3 通信工程虛擬仿真實驗室制度建設

實驗室制度建設是虛擬仿真實驗教學中心管理過程中相當重要的一部分。考慮到通信工程實物實驗和虛擬仿真實驗是互為補充的,因此制度建設需要從各方面進行綜合規劃。具體制度建設包括:

(1) 保證實物實驗室的安全和實驗室定期開放,實驗教師做到定期檢查[13]。

(2) 實驗室儀器設備需要定期檢驗和維護,對出現問題的設備和儀器定期維修和更新,貴重實驗儀器設備要重點維護。

(3) 教師和學生科研活動要尊重實驗室以科研和學習為目的和前提,鼓勵實驗探討和演示操作。

(4) 虛擬和實物實驗儀器經費預算比例需要符合學校的政策規定。

(5) 實驗教師定期更新虛擬仿真中心中的實驗內容,定期討論實驗教學內容,實驗教學做到全面開放。

(6) 學生可以通過虛擬實驗中心交流心得體會,教師通過中心進行難點答疑和實驗結果批閱,并且答疑和批閱要制度化。

5 結語

結合我校通信工程專業實驗教學現狀,構建虛擬仿真實驗中心并進行有效管理是一種全新的改革和創新,在很大程度上激發了學生對實驗的興趣,從而提高了整體教學質量。本文介紹了我校通信工程虛擬仿真實驗教學中心的主體框架與層次,并以高頻電子線路、數字圖像處理、光纖通信等課程為例,詳細剖析了虛擬仿真實驗的內容、功能和效果。最后闡述在中心管理制度建設方面的一些經驗和體會。當前中心的一個不足是部分研制開發的虛擬實驗模塊水平高低不一、少數引進的實驗模塊所涉知識范圍和我校理論教學內容不匹配等。未來會根據學校的實際情況不斷改進,在實踐中不斷摸索進步。

References)

[1] 余筱潔,周存山,符慶功,等.開放式虛擬實驗中心構建及其管理模式[J].安徽農學通報, 2011,17(22): 119-120.

[2] 李安,周南潤,王玉皞.通信工程國家級特色專業虛擬實驗室建設與實踐[J].實驗室研究與探索, 2013, 32(1):150-154.

[3] 沈建華,李飛,程崇虎,等.通信與信息網絡國家級虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐[J]. 實驗室研究與探索,2015,34(01):161-164.

[4] 耿艷香,朱根生,劉志盼,等.基于Multisim 高頻電子線路實驗中心設計的探討[J]. 2012,15(3):117-119.

[5] 韓鈺,鄭金亮,李劍.高頻電子線路虛擬實驗室建設方案初探[J].中國科學信息,2013(24):51-52.

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[7] 李萍.高頻電子線路教學中仿真軟件的應用研究[J].無線互聯科技,2013(12):244-245.

[8] 楊絮,朱一峰,陳桂芬.光纖通信系統仿真技術在實驗教學中的應用[J].中國科教創新導刊,2009(34):48.

[9] 徐文云.實驗與仿真在光纖通信教學改革中的應用研究[J].重慶郵電大學學報(社會科學版),2007(6):183-186.

[10] 郭曉菲,王雷全.通信工程專業開放式虛擬實驗中心構建[J].計算機教育,2014(10):90-93

[11] 王杰,劉曉鴻,馮璐,等.實驗教學示范中心建設實踐與體會[J].實驗技術與管理,2011,28(3):311-316.

[12] 陳萍,周會超,周虛.構建虛擬仿真實驗中心,探索創新人才培養模式[J].計算機化教學研究,2011,28(3):277-280.

[13] 周亞同,劉劍飛,王蒙軍,等.新形勢下電子信息工程專業教學改革初探[J].云南大學學報(自然科學版)，2011,33(增刊1):458-462.

Construction and management of virtual simulation experimental teaching center in communication engineering

Wu Yi, Zhou Yatong, Zhang Wen, Zhang Baojing, Xu Xiaohui

(School of Electronic and Information Engineering,Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China)

Aiming at the problem about the teaching present situation and the reform situation about experiment of communication engineering, this paper discusses the necessity of building virtual simulation experimental teaching center, and introduces the framework and hierarchy of virtual simulation experimental teaching center. Illustrated by the example of high frequency electronic circuit, digital image processing, optical fiber communication, some typical virtual simulation experimental functions and effects are analyzed in detail. The communication engineering virtual simulation experiment teaching center enriches the construction of the structural system and improves the students’ practical ability and learning interest, which has provided the references on the construction and management for the virtual simulation experimental teaching center about related majors.

communication engineering; virtual simulation; experimental teaching center; practical teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.05.055

2016-11-23 修改日期：2017-01-04

河北省教學改革項目(2015GJJG019)；教育部人文社會科學研究規劃基金項目(15YJA630108)資助

武一(1964—),女,天津,博士,教授,河北工業大學電信學院副院長,主管教學工作,長期從事電信學院本科生教學管理和實驗室建設等

周亞同(1973—),男,湖北松滋,博士,教授,河北工業大學通信工程系系主任,長期從事通信工程專業的教學管理、科學研究及實驗室建設等.

E-mail：zyt@hebut.edu.cn

TN91

A

1002-4956(2017)5-0218-05