虛實結合的分層次通信原理實驗教學體系探討

楊克虎

(中國礦業大學(北京) 機電與信息工程學院, 北京 100083)

虛實結合的分層次通信原理實驗教學體系探討

楊克虎

(中國礦業大學(北京) 機電與信息工程學院, 北京 100083)

闡述了幾種常用虛擬仿真軟件在通信原理實驗教學中的優缺點,以e-Labsim虛擬仿真平臺和配套實驗箱為核心構建了虛擬仿真實驗平臺,提出了分層次的實驗教學體系。采用虛實結合、課外課內結合的方式,激發學生課外自主學習的熱情,最大化利用課堂實驗教學學時,以提高教學質量。

通信原理； 實驗教學； 虛擬仿真

1 通信原理實驗教學現狀

(1) 實驗教學資源難以做到完全開放,學生無法在課外進行充分的預習和復習,在有限的實驗課時內,既要熟悉儀器設備的操作,又要學習實驗的原理及步驟并完成實驗內容,實驗效果不十分理想。此外,本科各專業培養方案的總學時數不斷壓縮已是大勢所趨,必然會影響每一門課的理論及實驗教學時數,而為了提高學生的實踐能力和創新思維,實驗項目中綜合性、設計性實驗的占比越來越高,嚴重壓縮了基礎性、驗證性實驗的學時數。為了保證實驗教學體系的完整性,此類實驗需要，也完全可以由學生在課外自行完成,但目前絕大部分實驗室都難以做到全天候面向學生開放。

(2) 實體的實驗設備難免會因為元器件老化、學生誤操作等因素而發生故障,影響正常的教學計劃；且實驗設備升級和擴展均不太方便,維護成本較高,特別是過質保期以后,設備維修愈發困難,全部更新又需要大量的資金和較長的建設周期。

(3) 目前的實驗教學考核大多采用學生課后提交實驗報告的方式,存在大量的抄襲、篡改實驗數據等現象,且對于實驗的過程無法進行監控和評價。

隨著信息化技術的不斷發展和深入,教育信息化受到了國家的高度重視,《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)》指出“信息技術對教育發展具有革命性影響,必須予以高度重視”,并把“加快教育信息化進程”單獨作為一部分進行了闡述[1]。在高等學校實驗教學及其信息化方面,教育部在2012年3月連續發布了《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》[2]《教育信息化十年發展規劃( 2011—2020) 》[3]2個文件,明確指出“要利用先進網絡和信息技術,整合資源,構建先進、高效、實用的高等教育信息基礎設施,開發整合各類優質教育教學資源”“要遴選和開發 1 500 套虛擬仿真實訓實驗系統”,高等學校虛擬仿真實驗教學中心建設工作已成為高等教育信息化的重要組成部分[4-5]。

“通信原理”是我國高等學校電子信息類專業的核心課程,理論和公式推導較多,要求學生有很好的數學基礎,同時所討論的對象又都具有十分明確的物理意義,依賴于具體的電路去實現,是一門理論性和實踐性均很強的專業課程。傳統的教學方法和教學手段,往往不能很好地調動學生學習的積極性和主觀能動性,達不到很好的教學效果。通信原理的實驗教學長期以來也是以實驗箱為中心,近年來,許多高校都在通信原理實驗教學方面提出了諸多的改革措施[6-11],取得了一定的成效。針對中國礦業大學(北京)信息工程本科專業的實際情況,提出了采用虛實結合的多層次通信原理實驗教學體系。以通信原理實驗箱為核心,結合配套的虛擬仿真軟件,構建了一套覆蓋基礎驗證性實驗、綜合設計性實驗以及創新性實驗的開放式實驗教學平臺,對于提高通信原理課程的教學質量、提高學生的創新精神和實踐能力有著重要的意義。

2 虛擬仿真技術與通信原理實驗教學

目前,國內高等院校通信原理實驗教學普遍以實驗箱為中心,同時在理論教學中引入商業仿真軟件,例如SystemView、Matlab、LabVIEW等,或開源仿真軟件,例如SciLab,對有關知識點或部分實驗內容進行講解和演示。

SystemView是美國Elanix公司推出的動態系統仿真軟件。2005年,Elanix被美國安捷倫公司收購,SystemView隨后也改名為SystemVue。它可以構造各種復雜的模擬系統、數字系統、數?；旌舷到y和各種多速率系統,非常適合于現代通信系統的設計、仿真和方案論證。早在2000年,北京郵電大學就開始應用SystemView輔助通信類課程的實驗教學。

2006年，習近平總書記對“綠水青山就是金山銀山理念”進行了精彩的論述：“在實踐中對綠水青山和金山銀山這‘兩座山’之間關系的認識經過了三個階段：第一個階段是用綠水青山去換金山銀山，不考慮或者很少考慮環境的承載能力，一味索取資源。第二個階段是既要金山銀山，但是也要保住綠水青山，這時候經濟發展和資源匱乏、環境惡化之間的矛盾開始凸顯出來，人們意識到環境是我們生存發展的根本，要留得青山在，才能有柴燒。第三個階段是認識到綠水青山可以源源不斷地帶來金山銀山，綠水青山本身就是金山銀山，我們種的常青樹就是搖錢樹，生態優勢變成經濟優勢，形成了渾然一體、和諧統一的關系，這一階段是一種更高的境界。”[2]

Matlab/Simulink是世界著名的3大科學計算軟件之一,它具有強大的數值運算、系統仿真和圖形化顯示等功能。借助于其內部有關通信和信號處理的各種函數庫、模塊及圖形界面工具,可以將晦澀難懂的通信理論、通信過程、信號波形等通過可視化環境在屏幕上直接展示給學生,不僅可以起到輔助教學的功能,還可以激發學生的積極性,加深其對教學內容的理解,提升教學效果。

LabVIEW是一款由美國國家儀器(NI)公司研制的采用圖形化編程語言的虛擬儀器軟件，它提供了很多外觀與傳統儀器(如示波器、萬用表等)類似的控件，還提供了通信和信號處理有關的工具包,例如濾波器設計、調制、頻譜測量等,為LabVIEW在通信類課程教學中的應用提供了一些便利。

以上3種軟件都是商業軟件,雖然提供了強大的系統仿真功能,但是其高昂的售價往往難以大規模應用于通信原理課程的教學,同時也促使很多學生使用盜版軟件,對樹立學生的知識產權保護意識非常不利。且商業軟件很多核心代碼是商業機密,用戶只能使用,無法進行二次開發,不利于學生自主創新意識和創新能力的培養。自2008年開始,北京郵電大學著力于將SciLab開源軟件及其圖形化工具箱Scicos引入通信原理的實驗教學。SciLab是一款完全免費和開源的軟件,其功能和編程語言均與Matlab類似,對于教學經費緊張的學校,SciLab完全可以替代Matlab用于相關課程的教學。

從軟件功能上來講,以上軟件完全能夠滿足通信原理實驗教學的需求,而且學生一旦掌握,對后續的深入學習或從事創新活動都會有很大的幫助,較適合于創新類實驗的教學。然而,此類通用的仿真軟件往往難以得到實驗設備廠家的支持,使得軟件仿真的內容與實際的實驗操作內容相差甚遠,在實驗課內學生仍然要花費大量時間去熟悉各種儀器設備以及實驗箱的操作步驟,壓縮了實際用于實驗的時間,影響了實驗的效果。

3 e-Labsim虛擬仿真平臺的主要特點

為解決目前通用類虛擬仿真軟件存在的問題,武漢凌特公司推出了e-Labsim虛擬仿真產品,其獨有的“仿真引擎”技術可以完全模擬硬件設備的外觀及行為,配合該公司的通信原理實驗箱,可以讓學生實現從仿真環境到實際硬件環境的無縫切換。圖1為e-Labsim仿真平臺效果圖,可以看到仿真平臺中的各類儀器設備以及實驗模塊的外觀均與實際的硬件設備高度一致。除此之外,實驗平臺的功能設置、接線方式、儀器儀表的操作等均與實際情況相同,學生完全可以在課外通過e-Labsim軟件來熟悉實際的硬件實驗環境,學習實驗的步驟,將有限的實驗學時充分應用于實驗本身,提高實驗教學的效果。e-Labsim提供了完善的測試設備,如函數信號源、示波器、邏輯分析儀、頻譜分析儀等,甚至比實際的實驗室儀器配置更勝一籌,學生能利用各種不同的設備對信號進行全方位的觀測。

圖1 e-Labsim仿真平臺效果圖

e-Labsim采用先進的CSDA架構,通過部署在用戶的服務器上,可以很好地實現實驗教學資源的完全開放,給學生搭建一個隨時隨地進行學習和創新設計的網絡平臺,徹底將實驗室教學資源全天候向學生開放,提高其利用率。

在自主實驗和創新設計方面,學生可以按照自己的思路利用e-Labsim進行電路及系統的搭建,方便學生對自己的設計思路及要實現的功能進行原型驗證。同時軟件還內置了完整的二次開發及創新設計模塊,學生設計的功能模塊完全可以替代軟件本身的模塊而融入到系統實驗中去。此外,e-Labsim還內置了與Matlab的接口模塊“Link for Matlab”,可以方便地和Matlab進行接口調用,學生可以在Matlab環境中進行開發,然后由e-Labsim直接調用并進行驗證和觀測,極大地擴展和豐富了e-Labsim的功能,有利于提升學生創新實踐的興趣。

此外,e-Labsim還支持多個學生終端之間互聯進行系統的聯調和觀察,就像聯機打游戲一樣,既可以增加學生的興趣、提升學生的合作意識,又方便教師通過遠程的方式對學生進行一對一的考核和指導。另外,為了能加強對學生實踐的管理和指導,e-Labsim還配套了一套較為完善的實驗教學管理系統,不僅能進行常規的實驗教師和學生的管理,更支持學生將實驗過程、實驗結果和實驗報告上傳給教師進行評閱,便于教師加強對學生的考核。

4 通信原理實驗教學體系

為了充分發揮信息化技術帶來的優勢,我校的通信原理實驗室采用了虛實結合的建設思路,以武漢凌特公司生產的通信原理實驗箱及配套的e-Labsim虛擬仿真軟件為核心,構建了一套開放式的、多層次的實驗教學體系。

4.1 實驗室總體架構

實驗室配套了10套LTE-TX-03A通信原理實驗箱和10套LTE-GP-03A高頻電子線路實驗箱,均采用了“通信積木”式的模塊化的架構,從通信系統的角度出發,將各知識點分割成獨立的模塊。各模塊均有標準的結構、信號輸入輸出接口和時鐘總線、通信總線接口。模塊在設計上采用了當今通信設備中較為流行的“軟核硬架構”的開放式設計方式,不僅可以讓學生對模塊功能進行靈活配置,而且可以按照自己的構思用這些標準的模塊“積木”搭建出自己想要的通信系統,比如說有線通信、無線通信、帶限傳輸、程控交換、移動通信、光纖傳輸環網、PSTN網絡等系統。此外,學生還可以通過對軟核的定制和開發,在同類功能范圍內,按照自己的構思對“積木”進行重新定義,從而將學生自己的設計融入到整個通信系統中進行驗證,提升學生的創新意識和創新能力。

通過部署在實驗室服務器上的中央數據庫、實驗教學管理系統、e-Labsim虛擬仿真平臺以及服務器應用軟件,學生可以隨時隨地通過客戶端登錄服務器進行實驗。目前該系統能夠滿足信號與系統、通信原理、光纖通信、移動通信等多門課程的實驗教學。教學管理系統分為管理員、教師和學生3種角色,管理員能對教師及學生賬號、密碼進行分配和管理,能對學生的課程選擇進行管理,能查看訪問信息；同時系統還支持教師發布實驗大綱、查看并批改學生的實驗報告,及進行實驗成績的錄入、查看、修改、導出、打印等功能,極大地提升了實驗教學的效率。實驗平臺的總體架構如圖2所示。

4.2 多層次實驗教學體系

根據培養創新型人才的發展戰略,我國高校工科各專業的實驗教學基本上可以分為3個層次：基礎驗證性實驗、綜合設計性實驗以及創新性實驗。通過對通信原理課程實驗教學項目進行優化和分類,以提高實驗課堂的教學效率、提升學生自主學習的熱情為目的,充分發揮e-Labsim虛擬仿真技術的優勢,提出了如下的分層次實驗教學體系。

第一層次：基礎驗證性實驗。利用e-Labsim虛擬仿真軟件,突破了傳統以實驗箱為中心的課堂實驗教學在時間和空間上的限制,學生可以隨時隨地通過個人計算機登錄服務器完成相應實驗項目。該層次的實驗項目主要采用學生課外完成的形式,按照知識塊規定一定數量必做的實驗項目。由于消除了實驗學時的限制,學有余力的學生也可以完成所有的實驗項目,以強化對基礎理論的感性和理性認識,為后續綜合設計性實驗和創新性實驗的展開打下基礎。

第二層次：綜合設計性實驗。此部分實驗采用虛擬仿真與實驗箱相結合的方式,學生在課外完成實驗方案的制定、利用e-Labsim對實驗方案進行驗證和調整,在實驗課內再利用實驗箱對實驗方案進行驗證。充分激發學生課外學習的熱情,最大化利用有限的課內實驗學時,著重鍛煉學生實際動手能力和獨立解決復雜工程問題的能力。

圖2 實驗平臺總體架構示意圖

第三層次：創新性實驗。學有余力的學生可以在課外完成一定數量的創新性實驗項目。所提供的創新性實驗項目主要分為2類：一類利用e-Labsim的“Link for Matlab”模塊,通過在e-Labsim虛擬仿真平臺上調用Matlab引擎,實現對e-Labsim和實驗箱的功能擴展,以完成更加復雜的實驗項目；另一類實驗項目主要是通過對各“通信積木”的FPGA進行二次開發,編程實現一些先進的調制解調算法,然后在實驗箱上進行驗證。

此3個層次的實驗通過課外的虛擬仿真和課內實驗相結合,最大化地利用了課堂實驗教學學時,調動了學生課外學習的積極性,也很好地鍛煉了學生的實際動手能力及創新意識。

5 結語

未來幾年,虛擬仿真技術必然會在通信原理等專業基礎課程的實驗教學中發揮更加重要的作用,如何利用虛擬仿真技術提高課程的授課質量是授課教師所需要積極思考的問題。本文嘗試將通信原理實驗分為

3個層次,采用虛實結合、課外和課內結合的方式,基于e-Labsim虛擬仿真平臺和配套實驗箱,構建了一套通信原理的實驗教學體系,發揮了虛擬仿真技術和實驗箱各自的優勢,提高了通信原理的授課質量。

References)

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[2] 教育部.教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見[Z].2012.

[3] 教育部.教育信息化十年發展規劃( 2011—2020年)[Z].2012.

[4] 教育部.關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知[Z].2013.

[5] 李平,毛昌杰,徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設,提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索,2013,32(11):5-8.

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[7] 馬冬梅,朱正偉.通信原理實驗教學的改革與探索[J].實驗室科學,2010,13(4): 17-19.

[8] 沈文麗,余燕平,賈波.《通信原理》課程的課堂與實驗教學改革[J].實驗科學與技術,2014,12(1):55-57,75.

[9] 張艷,高軍萍,高振斌,等.《通信原理》實驗項目教學新模式探索[J].武漢大學學報(理學版),2012,58(增刊2):157-159.

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[11] 陳萍,周會超,周虛.構建虛擬仿真實驗平臺,探索創新人才培養模式[J].實驗技術與管理,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

楊克虎(1982—),男,湖北仙桃,博士,副教授,碩士生導師,研究方向為能源互聯網、電力電子技術.

E-mail：ykh@cumtb.edu.cn

G642.0

B

1002-4956(2017)07-0162-04