面向農業院校電子通信類專業的虛擬仿真平臺建設

孫豐剛 蘭鵬

摘要：電子信息類專業是農業院校在人才培養中的重要組成部分，實驗教學對提升學生的動手實踐及創新能力具有重要作用。針對現有實驗教學方式中存在的問題，研究了基于計算機仿真技術和網絡技術的虛擬仿真實驗平臺建設。該平臺可為學生提供更加靈活的實驗方式，可有效擺脫空間、時間等諸多限制，有助于加深學生對基礎知識的理解，改善實驗教學質量，提升學生的動手實踐能力和創新能力。

關鍵詞：農業院校；虛擬仿真平臺；實驗教學；人才培養

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）43-0252-03

一、前言

近年以來，隨著信息技術的不斷發展，信息在社會生活中的作用日益明顯，信息產業逐漸成為支撐經濟社會發展的重要基礎產業之一。2016年底由國務院印發的《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》中明確指出，“信息革命進程持續快速演進，物聯網、云計算、大數據、人工智能等技術廣泛滲透于經濟社會各個領域，信息經濟繁榮程度成為國家實力的重要標志”。信息產業的飛速發展，急需大量相關人才，電子通信類專業的重要性已成為社會各界的共識。許多農業院校也相繼設立了電子通信類專業，培養了大量的相關專業人才。

電子通信類專業是理論與實踐緊密結合的專業。學生除了應掌握扎實的專業理論基礎知識外，還應該具備良好的專業實踐能力[1]。針對專業課程理論覆蓋面廣和和實踐要求性強的特點，利用課程實驗來加深學生對知識理論的學習和理解很有幫助。而傳統實驗教學方式則易受場地、設備及時間等多種因素限制，難以完全達到理想的實驗效果[2]。借助于虛擬仿真實驗教學資源平臺建設，可有效彌補現有實驗教學方式的不足，充分發揮虛擬仿真實驗的優勢，實現電子通信類專業實驗教學的虛實結合的實驗教學方式，促進實現學生的理論學習與動手實踐的有機結合，提高學生在實踐實驗中發現、分析、解決問題的能力和實踐創新能力，從而達到提升人才培養質量的目的[3][4]。

二、現有實驗教學方式的不足

電子通信類專業作為兼顧理論與實踐性的學科[5]，要求學生具有良好的工程實踐背景，學生因此具有較強的動手實踐意愿，這就決定了實驗教學在人才培養中起著不可或缺的重要作用[6]。實驗教學課程大多附屬于理論課程，可有效加深對理論知識的學習和理解。然而，現有的實驗教學方式卻不能完全適應新形勢下人才培養的需要，存在的問題主要有以下幾點。

1.經費及場地等因素制約著設備選購、設備數量及設備的更新換代，導致實驗內容更新不及時。在實驗內容較為單一的情況下，限制了學生按照理論學習內容自主進行實驗內容設計，無法使學生有效參與設計型及創新型實驗，從而難以完全達到預期的教學目標。

2.學生普遍重視對理論知識的學習，而忽視動手實踐能力的培養，動手能力普遍較為薄弱[7]。同時由于實驗設備有限，導致許多實驗往往需要兩個或多個學生共用一臺實驗設備，減少了每名學生實際參與操作的時間，不能達到學生廣泛參與的目的，從而進一步限制了動手實踐能力的培養。

3.考核方式較為單一，評價指標不夠明確。成績評定過程中主要包括平時成績和實驗報告兩部分。平時成績考察出勤率、課前預習及課上表現情況。由于實驗時間的限制，教師難以在短時間內準確掌握每個學生的情況，給出的成績也難以完全準確的反映出學生的真實水平。

三、虛擬仿真平臺建設

1.建設意義。利用虛擬仿真平臺進行實驗教學，可在一定程度上擺脫時間和地點的限制，學生通過平臺所提供的虛擬元器件設計和調試不同的電路模型，并可結合自己的理論知識進行完善改進[8]。因此，虛擬仿真平臺建設，為學生提供了更加豐富的實驗教學內容，使學生更加有效的參與設計型及創新型實驗，增強了學生動手實踐能力，使學生理論學習與動手實踐更加有效地結合，提高了學生的學習興趣和積極性[9]。

2.建設要求。農業高校電子通信類專業的虛擬仿真平臺建設，是對現有實驗教學方式的一種有效補充，可為學生提供更加豐富和方便的學習資源。其總體要求為：（1）實驗內容虛擬化：對實驗所需元器件、實驗電路設計、測試等不同環節進行虛擬化，給學生足夠的自由度，滿足不同水平學生的設計型及創新型實驗的要求。（2）支持并發訪問：允許多名學生同時在線對虛擬平臺并發訪問，以此減少實驗設備投入及需求，保證每名學生充分的實驗操作時間[10]。

（3）支持多種用戶權限：管理員、教師和學生作為平臺的使用者，應具備不同的使用權限。例如，教師使用者應具備的權限主要包括：平臺訪問、實驗資源審核、實驗資源發布、實驗教學管理、實驗過程指導、實驗結果批改、實驗報告管理、教學效果評估、互動交流等，如圖1所示。學生使用者應具備的權限包括：平臺訪問、實驗資源查閱、實驗設計、實驗調試、實驗結果提交、實驗報告提交及互動交流等，如圖2所示。

3.建設思路。依托于計算機仿真技術與計算機網絡技術[11]，開發具有實物虛擬、智能仿真、創新設計、指導靈活等一體化功能的虛擬實驗仿真平臺，可面向電子通信類專業學生開展虛擬仿真實驗教學，因而具有良好的靈活性、經濟型、自主性和交互性[12]。

虛擬實驗仿真平臺建設思路如圖3所示。該平臺共分為數據層、服務支撐層、仿真層和服務層四個層次，每層都會為其上層提供相應服務。每層的主要功能如下：（1）數據層：主要負責實驗所需元器件、實驗課程、基礎實驗、實驗相關數據及不同權限的用戶信息等數據的存儲和管理。（2）服務支撐層：主要負責實驗平臺的運行、維護和管理，包括安全管理、數據管理、服務管理和域管理等。（3）仿真層：主要負責實驗儀器及結果的可視化呈現、實驗場景構建及元器件的裝配，以及實驗仿真調試等功能，為上層提供實驗數據的標準化輸出。（4）服務層：主要負責為虛擬仿真實驗提供服務支持，包括教學管理、實驗資源管理、實驗結果批注、實驗報告管理及互動交流等功能。

四、結語

虛擬仿真實驗是可為學生提供更加靈活自主的實驗方式，對提高學生學習興趣，改善實驗教學質量，具有積極的推動作用，是現有實驗教學方式的一種有效補充。因此，虛擬仿真實驗平臺建設，可有效避免現有方式的不足，擺脫場所及時間等限制，給予學生更大的自由度，提升了學生的動手實踐能力和創新能力。

參考文獻：

[1]蘭鵬，孫豐剛.通信工程專業校企合作培養模式探索[J].山東農業教育，2017，（3）：50-52.

[2]馬勇，查國翔，王聰.電力電子教學虛擬仿真實驗平臺的搭建與研究[J].現代電子技術，2017，40（12）：63-65.

[3]武一，周亞同，張雯，等.通信工程虛擬仿真實驗教學中心構建及管理[J].實驗技術與管理，2017，34（5）：218-222.

[4]劉德君，段慧達，白晶，等.電氣信息類大學生創新能力培養體系研究[J].實驗技術與管理，2017，34（7）：15-16.

[5]李昌，萬毅，阮秀凱.通信工程項目驅動型實踐教學的探索[J].實驗科學與技術，2017，15（2）：112-115.

[6]姜海波.虛擬儀器技術在高校教學中的應用[J].中國現代教育裝備，2010，（15）：53-54.

[7]朱敏，張際平，潘侃凱.虛擬儀器技術及其教學應用[J].中國電化教育，2006，（4）：96-98.

[8]王開宇，程春雨，金明錄.遠程虛擬仿真實驗教學中心建設[J].實驗技術與管理，2016，33（12）：242-245.

[9]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.

[10]陳威兵，馮璐，劉光燦.支持在線虛擬仿真的通信工程專業實驗室建設[J].實驗技術與管理，2017，34（7）：106-109.

[11]劉亞豐，蘇莉，吳元喜，等.虛擬仿真實驗教案設計及實踐[J].實驗室研究與探索，2017，36（3）：185-188.

[12]李任增.通信學科虛擬仿真關鍵技術的研究與實現[D].北京郵電大學，2014.

Abstract：Electronic information and communication engineering play an important part in talents cultivation for agricultural universities，where experiments teaching is critical to improve the ability of hands-on practice and innovation.To address the problems for the existing experiment teaching modes，this paper investigates the construction of virtual experimental simulation platform，which is based on the computer simulation technology and network technology.The platform can provide more flexible experiment mode for students and avoid the limitations such as space，time and others.The application of the platform is helpful to deepen the understanding of theoretical knowledge，improve the quality of the experiment teaching，and enhance the ability of hands-on practice and innovation for students.

Key words：Agricultural universities；Virtual simulation platform；experimental teaching；Talents cultivation