支持在線虛擬仿真的通信工程專業實驗室建設

陳威兵, 馮 璐, 劉光燦

(長沙學院 電子信息與電氣工程系, 湖南 長沙 410003)

支持在線虛擬仿真的通信工程專業實驗室建設

陳威兵, 馮 璐, 劉光燦

(長沙學院 電子信息與電氣工程系, 湖南 長沙 410003)

以通信工程專業為例,提出一種結合在線虛擬仿真的通信綜合實驗室建設方案。該方案以互聯網技術、云技術、物聯網技術、虛擬仿真技術為基礎。實驗者可以通過遠程操作網絡虛擬軟件或遠端真實設備進行實驗,也可以通過口袋實驗模塊完成真實實驗,并將實驗結果通過微信云傳送給實驗指導教師。這種在線虛擬仿真實驗可以和慕課、微課、移動學習等在線學習方式有效結合,是對傳統真實實驗的有效補充。

虛擬仿真； 在線實驗； 通信工程； 實驗室建設

非正式學習是學習者通過自主閱讀、觀看視頻資料、交流、情境認知等方式完成知識的積累和能力的提高。由于學習時間的靈活性、學習進度的自主性、學習形式的新穎性,使非正式學習這種泛在學習方式更容易為學習者所接受。在線網絡學習[1]就是一種重要的非正式學習方式[2],目前在高校教學中得到青睞。在線學習和傳統學校教育相結合的混合教學方式被認為是“當今高等教育領域內一個毋庸置疑的必然發展趨勢”[3],但目前主要用于理論教學中,在實驗教學中的嘗試還不多。混合式實驗是傳統實驗與在線虛擬實驗相結合的實驗方式[4]。本文以通信工程專業為例,探討一種結合在線虛擬仿真的通信綜合實驗室建設方案。

1 在線虛擬仿真實驗構建方法分析

虛擬仿真實驗是利用VR技術構建逼真的實驗環境、實驗對象和實驗內容,讓學生在開放、交互的虛擬環境中進行自主實驗設計與操作[5]。

早期的虛擬仿真實驗多基于PC軟件的單機版,主要用于替代復雜實驗、高危環境實驗、高損耗實驗，以及再現真實世界不存在的對象、難以觀察或重復的過程。實驗可以是全仿真或者半實物仿真,強調多媒體渲染。仿真軟件可以是LabVIEW、Matlab、Scilab等通用軟件,也可以是用于某一學科或特殊用途的專用軟件,如用于電路仿真的Multisim、用于網絡仿真的OPEN NET、用于移動網絡優化的Pioneer等。

在線虛擬仿真實驗以基于互聯網與個人移動設備的在線實驗為特點[6],通常包括8個功能子系統：(1)仿真實驗子系統；(2)創新實踐子系統；(3)網絡通信子系統；(4)在線交流子系統；(5)教學資源子系統；(6)教學管理子系統；(7)虛擬儀器子系統；(8)調用程序接口。在線虛擬仿真實驗流程(見圖1)與真實實驗流程相似。

圖1 虛擬仿真實驗流程

在線虛擬仿真實驗主要包括軟件共享實驗、儀器共享實驗和遠程控制實驗3類[7-8]。

軟件共享類虛擬仿真實驗是完全虛擬的實驗,它以現代教育理論為指導,利用計算機技術、網絡技術、仿真技術以及虛擬現實等技術,將實驗模塊和測試儀器以虛擬的方式搬到PC機和網絡上,為學生提供一種全新的虛擬實驗空間。實驗系統架構分為數據層、服務層和客戶層[9](見圖2),一般采用C/S模式,簡單實驗也可采用B/S模式。

儀器共享類和遠程控制類虛擬仿真實驗均需要硬件的支持,是一種虛實結合的實驗方式：前者是將口袋實驗模塊接入網絡,后者以遠程網絡方式接入、控制實驗設備。它們的實驗系統層次劃分如圖3所示,包括底層物理層硬件、驅動、操作系統和高層的應用程序、云服務、微信界面。

圖2 軟件共享虛擬實驗系統分層

圖3 儀器共享和遠程控制虛擬實驗系統分層

2 實驗室建設方案

2.1 總體構架

通信工程專業實驗實踐項目范圍比較寬,既包括電路原理、模擬電路、數字電路、信號與系統、通信原理等專業基礎課程實驗,也包括通信網絡的配置、設計、優化等復雜工程項目實訓；實驗項目類型既有驗證型、演示型的,也有創新實踐項目。為滿足以上要求,需要充分運用互聯網技術、云技術、物聯網技術、虛擬仿真技術。長沙學院與知名通信企業合作建設了支持在線虛擬仿真的通信綜合實驗室。

該實驗室總體架構如圖4所示,由客戶端、虛擬仿真中心、大型仿真項目管理中心、實體實驗室4個主要模塊組成,其中,大型仿真項目管理中心(如華為&訊方的e-Bridge在線仿真實訓平臺、中興&艾優威的IUV在線仿真實訓平臺)由企業開發與管理,不屬于學校實驗室,學校購買使用權后注冊成為次級管理者,將在線仿真實驗的用戶權限分發本校學生。客戶端、虛擬仿真中心、大型仿真項目管理中心之間通過Internet互聯；虛擬仿真中心的服務器和實體實驗室中的在線可控設備之間通過交換機和數據接口相連。

圖4 支持在線虛擬仿真的通信綜合實驗室總體構架

2.2 實驗設備及軟件組成

長沙學院通信綜合實驗室原有實驗設備包括數字電路實驗裝置、模擬電路實驗裝置、信號與系統實驗箱、通信原理實驗箱、移動通信實驗箱、光纖通信實驗箱、通信電路實驗箱、軟交換實訓平臺、EPON光接入實訓平臺、TD-LTE 4G移動通信實訓平臺、TD-SCDMA 3G移動通信實訓平臺、路由交換實訓平臺、程控交換機、SDH光傳輸設備等,可以完成通信專業實體實驗、課程設計和設備實訓等教學任務。

通信工程專業實驗室新增在線虛擬仿真實驗設備后,支持用戶以學生、教師、教務員、實驗室管理員、職能部門領導、系統管理員等角色進行遠程和本地登錄。整個管理平臺依托校園網絡,構建開放式虛擬中心門戶網站,主要功能包括實驗前的理論學習、典型實驗庫的維護、實驗任務發布、實驗過程的智能指導、實驗結果的自動批改、實驗成績統計查詢、實驗教學資源管理、師生互動交流和系統管理等。

2.3 在線虛擬仿真實驗平臺承擔的教學任務

2.3.1 軟件共享類實驗

(1) e-Labsim。對應課程包括信號與系統、通信原理、移動通信、光纖通信、程控交換、數字電路。主要實驗項目有：階躍響應與沖激響應、連續時間系統的模擬、無失真傳輸模塊、有源無源濾波器、語音編碼技術等約150個驗證實驗；組合邏輯電路的設計與測試等約50個二次開發設計實驗。

(2) Packet Tracer。對應課程是計算機網絡通信。主要實驗項目有Vlan基本配置、鏈路聚合原理及配置、RIP協議與其他路由間互通配置等約50個基本設計實驗,可自主設計計算機網絡工程實驗。

(3) OWVLab Proteus THDW-M1。對應課程包括電路原理、模擬電路、數字電路、數字信號處理、單片機原理與應用。主要實驗項目為自主設計項目,包括電路測試等驗證實驗,電路設計、可編程器件設計等設計性實驗。

(4) IUV e-Bridge。對應課程有通信設備實訓、通信網絡工程。主要實驗項目有網絡拓撲與系統容量規劃、通信網絡設備選取、對接線纜、設備數據配置、通信業務與補充業務開通操作、互聯互通功能操作等網絡與設備實訓任務。

(5) Matlab .net Bridge。對應全部通信專業課程。主要實驗項目有算法仿真、模塊仿真、系統仿真。

2.3.2 儀器共享類實驗

儀器共享類實驗包括FPGA/CPLD、口袋實驗模塊(選配)、Analog Discovery。對應課程為數字電路、EDA、數字信號處理、嵌入式系統。主要實驗項目涵蓋可編程處理器初、中、高約50個設計項目,也可自主設計基于FPGA、FPGA+ARM的新產品開發。

2.3.3 遠程控制類實驗

(1) ZXSDLVBOX CCS2000。對應課程為通信設備實訓、通信網絡工程。主要實驗項目包括通信設備操作和配置、通信網絡規劃、通信業務開通等。

(2) s210 系列實驗平臺、CC2530仿真器和各類傳感器(選配)。對應課程為物聯網工程、移動互聯技術應用。實驗項目采用開源架構,可進行智能家居、智能農業、遠程抄表、智能用電、智能工廠、智能醫療、智能交通等多種創新項目開發與設計。

3 在線仿真通信實驗室效用分析

根據虛擬仿真實驗室的建設理念及發展定位,遵循“虛實互補、能實不虛、以虛促實”的原則來建設通信工程專業實驗室,不是把所有的實體實驗都簡單地搬到網絡上或進行虛擬化[10-12],而是要發揮在線虛擬仿真實驗特殊效能。具體有以下特點和效用。

(1) 可以和慕課、微課、移動學習等在線學習方式有效結合。已建設的在線虛擬仿真通信實驗室在平臺上是綜合集成虛擬環境,但資源可以分割開來,為某一門慕課、微課、移動學習課程提供配套實驗教學,使學習者能加深對理論知識的理解、提高工程實踐能力,也為學校開設更多的在線通信專業課程提供幫助。

(2) 實驗體系結構合理、功能完善。和實體實驗一致,可以提供驗證、演示、設計、綜合、創新等所有類型的實驗,可打造分階段、依層次遞進的實驗體系。

(3) 是對實體實驗的有效補充。虛擬仿真實驗教學平臺具有方便共享、全面開放、便于交互等諸多優點,能夠讓學生在虛擬環境中進行自主實驗探索,也能進行實體實驗平臺難以完成的實驗。例如：在IUV虛擬仿真實驗平臺上可開展在線測試和學生網上競賽活動(見圖5(a))；圖5(b)顯示移動通信網絡全網仿真設計,而真實的在線運營網絡實驗室因場地、無線頻率管控、成本等限制,只能提供單基站、單核心網的設備實訓。

圖5 部分在線虛擬仿真實驗界面圖

(4) 可開展混合式實驗教學。有些在線虛擬實驗和真實實驗在外觀、原理、步驟和結果是一致的,如圖6所示的通信原理中的眼圖觀測實驗。它們既可作為獨立實驗,也可作為實體實驗的課前預習。儀器共享類在線虛擬仿真實驗基本是實體實驗外加一點仿真調試,實驗設備是智能化可編程口袋實驗模塊,學習者可在離開實驗室的情況下自主實驗。在將程序注入器件前,可先期仿真調試驗證,實驗數據可以通過模塊數據接口上傳給指導教師,同時接受虛擬中心管理平臺的在線管理與指導。

(5) 擴大實驗室開放、提高實驗教學資源使用效率。在線仿真虛擬實驗不受時間、場地的限制,為實驗室的開放提供更好的條件,實驗教學資源也可以得到更好的利用。例如共享軟件類實驗可以反復進行實驗；儀器共享類實驗中的口袋實驗模塊既便攜,功能又

多,使實驗項目數和靈活性大大增加；遠程控制類實驗由于采用排隊機制,將設計時長提高,測試時間合理限制,可以大大提高實驗室遠端實物設備的利用率。

圖6 眼圖觀測

4 結語

長沙學院為滿足信息工程類專業虛擬仿真實驗教學的需求,創建可靠、安全和經濟的實驗教學條件,秉承“滿足需求、科學合理、統籌兼顧”的原則,建設了支持在線仿真的通信工程專業綜合實驗室。在建設方案的選取上,優先采用了成熟且有較高市場占有率的產品和技術,便于實現教學資源的高效利用與安全共享,有利于混合式教學模式的推廣。

References)

[1] 尹睿,徐歡云.國外在線學習投入的研究進展與前瞻[J].開放教育研究,2016,22(3):89-97.

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[3] Jayanthi M K,Srivatsa S K,Ramesh T. et al. Performance Evaluation of Reusable Learning Objects in e-Learning System-A Blended Approach to Make-Learning to Work[J]. Information Technology Journal,2008,7(4):667-672.

[4] 馬漢達,張建明.高校混合式實驗教學的應用研究[J].實驗技術與管理,2015,32(9):170-172.

[5] 劉亞豐,余龍江.虛擬仿真實驗教學中心建設理念及發展模式探索[J].實驗技術與管理,2016,33(4):108-110,114.

[6] 孫澄宇,黃一如.同濟大學虛擬仿真實驗教學2.0建設[J].城市建筑,2015(28):43-46.

[7] 林燕芬,胡惠君.虛擬仿真實驗室在線游歷系統的功能分析與實現[J].實驗技術與管理,2016,33(4):111-114.

[8] 姚俊,程華,應衛勇,等.基于探究式學習的在線實驗設計與研究[J].中國電化教育,2014(9):100-104.

[9] 吳偉哲,韓秀玲.在線虛擬網絡實驗系統的改進與完善[J].實驗室研究與探索,2014,33(1):13-16.

[10] 楊繼森,張靜.嵌入式系統虛擬實驗平臺仿真調試技術[J].實驗科學與技術,2016,14(4):70-74,81.

[11] 陳子輝,王澤生.基于創新實驗項目的實驗室開放機制研究[J].實驗技術與管理,2016,33(1):17-20.

[12] 張禹,陸慧梅,向勇.基于Shibboleth的在線實驗平臺多資源訪問認證[J].計算機應用研究,2017(3):1-5.

Construction of laboratory for Communication Engineering majors based on online virtual simulation

Chen Weibing, Feng Lu, Liu Guangcan

(Department of Electronic Information and Electrical Engineering,Changsha University,Changsha 410003,China)

By taking Communication Engineering major as an example,a construction scheme of the comprehensive communication laboratory based on online virtual simulation is proposed. This scheme is based on Internet technology,network cloud technology, Internet of things technology and virtual simulation technology. The experimenter can carry out the experiment by remote operation of the network virtual software or a remote real device,can also complete the experiment through the pocket module and then send the experimental results to the experimental instructors through the WeChat cloud. This online virtual simulation experiment can be effectively combined with other online learning methods such as MOOC,micro course,mobile learning,etc.,which is an effective supplement to the traditional real experiment.

virtual simulation; online experiment; communication engineering; laboratory construction

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.028

2017-01-09

湖南省普通高校教學改革研究項目(14-529,16-807)；2016教育部產學合作協同育人項目(201602026005,201602006023)；長沙市科技計劃項目(ZD1601039);湖南省教育科學“十二五”規劃2014年度課題(XJK014BGD086)

陳威兵(1968—),男,湖南雙峰,碩士,副教授,主要研究方向為移動通信和圖像處理.

E-mail：248640843@qq.com

G482；G642

A

1002-4956(2017)07-0106-04