移動通信虛擬仿真實驗教學體系構建研究

孫豪 馬民 梁瑞

摘要：“移動通信”是電子信息類專業的一門重要的專業課。針對該門課程傳統“實驗箱”式實驗教學的現狀，認為實驗設備更新速度較慢、實驗內容仍以驗證性實驗為主和虛擬仿真實驗教學對傳統實驗教學的挑戰是目前該課程實驗教學遇到的主要問題。

虛擬仿真實驗教學已經在許多高校得到了廣泛的應用，對于移動通信這門理論性、實踐性、技術性均很強，發展又很迅猛的課程而言，構建虛擬仿真實驗教學體系已成為提高該課程實驗教學水平的必然選擇。本校的移動通信虛擬仿真實驗教學體系構建可通過系統整體界面與運行環境建設、移動通信器件模型建設和典型實驗設計這三個環節的建設來實現，從而為本校“新工科”專業的建設和“應用型”人才的培養添磚加瓦。

關鍵詞：移動通信;虛擬仿真;實驗教學;構建

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）30-0019-02

1概述

“移動通信”課程是本校大學本科電子信息科學與技術專業的一門重要的專業限選課。從教學角度上看，該課程是一門理論性、實踐性、技術性均很強，又具有多門學科交叉性質的綜合性學科;從學科發展角度上看，移動通信領域是當今信息產業中的建設重點及研究熱點，通信技術的發展日新月異，僅20多年時間，移動通信系統就從第1代發展到第5代，目前5C-系統已經在華為公司的大力推廣與中國政府的大力支持下開始了全球化商用布局。而實驗教學是移動通信課程教學環節中的一個關鍵節點，因而，如何讓本校培養的學生能夠緊跟通信技術的前沿，迅速掌握通信技術的要點，畢業后盡快達到工作崗位的要求，是本校培養“應用型”人才亟須解決的問題。

2“移動通信”課程實驗教學過程中遇到的問題分析

本校移動通信課程的實驗教學仍然是以傳統的“實驗箱”實驗為基礎，因而已逐漸不能適應建設“新工科”專業和培養“應用型”人才的要求，主要體現在下面三個方面。

2.1實驗設備更新速度較慢，已逐漸跟不上移動通信技術的快速發展

眾所周知，移動通信技術的日新月異是有目共睹的。而傳統的“實驗箱”式教學由于實驗內容相對固定，涵蓋的技術又具有一定的局限性，因而在實施實驗教學兩到三年以后，即可感覺到其內容已明顯“落后”于最新的應用，無法做到“與時俱進”。而且，當實驗設備使用時間較長時，設備的老化現象會越來越明顯，這樣對實驗的結果會造成明顯的不利影響，如果更新設備則會帶來很大的資金壓力，對于本校來講頻繁更新實驗設備很不現實。

2.2實驗內容仍以驗證性實驗為主，缺乏透明性和創造性

“實驗箱”式的實驗教學，一般都配備與實驗箱相配套的實驗指導書，學生只需按照實驗指導書的配圖進行線路連接，根據實驗步驟進行操作，利用相應儀器觀察實驗結果并依此撰寫并提交實驗報告，實驗的內容仍以驗證性實驗為主，很少出現由學生自主設計實驗目標、實驗步驟并親自驗證實驗結果的創造性實驗。這樣雖然能保證實驗過程的質量，避免學生犯一些不必要的錯誤，但是也忽視了學生創新能力的培養。而且，由于實驗箱基本都是全封閉式的，學生也根本無法對其內部工作機理有感性的認識和理解，因而無法滿足培養“應用型”人才的要求。

2.3虛擬仿真實驗教學對傳統實驗教學的挑戰

隨著虛擬仿真技術的不斷成熟和進步，虛擬仿真實驗教學已經在許多高校得到了廣泛的應用，它相比于傳統的實驗教學有著許多明顯的優勢，就移動通信這門課程來說，優勢主要體現在下面幾個方面：

（1）使移動通信系統的實驗過程透明化，可控化。虛擬仿真實驗方式可以安全的、直觀的展示一些復雜的實驗過程，尤其可使系統內部的信號傳送過程變得可及和可控，這對于學生深刻理解移動通信系統的基本理論是非常有效的。

（2）緩解移動通信大型實驗設備的更新壓力。虛擬仿真實驗方式在更新和擴展升級方面的成本、難度和周期上相較于傳統“實驗箱”式教學都具備無可比擬的優勢，可以為學校節省大量資金。

（3）可以滿足遠程教育的需要。虛擬仿真實驗方式可以借助網絡為學生提供一個開放的，可視化的操作平臺，學生可以不必集中到專門的實驗教室，“自主”上網開始實驗。這樣學生既可以通過多次重復實驗操作鍛煉實驗能力，也可以為學生自主設計實驗過程、驗證實驗結果提供必要的資源和良好的環境。

3移動通信虛擬仿真實驗教學體系的具體構建過程

本校的移動通信虛擬仿真實驗教學體系構建可通過以下三個環節的建設來實現。

3.1系統整體界面與運行環境建設

1）本系統設計的實驗操作平臺界面包括實驗平臺、器材管理器、用戶管理器、實驗庫、菜單欄和工具條六部分。

2）為了方便進行管理，系統服務器端用戶分為學生、教師、教務管理員和系統管理員四種角色，不同角色擁有不同權限。

3）服務器運行環境建設

操作系統：Windows Server，Linux/Unix Server

Web服務器：Tomcat6.0，JDK6.0

數據庫：MySQL

4）客戶端運行環境建設

操作系統：All Windows系列

通過本系統提供的實驗操作平臺界面，可以讓注冊過的四種角色（學生、教師、教務管理員和系統管理員）合理登錄并使用系統內部資源，為其進行后續的實驗操作提供良好的仿真環境。

3.2移動通信器件模型建設

本系統需要建設的移動通信器件模型分為六大類：

1）序列模塊庫;

2）序列操作模塊庫;

3）編碼，解碼模塊庫;

41調制/解調模塊庫;

5）實驗專用模塊庫;

6）分析與繪圖模塊庫。

通過本系統提供的這六大類器件模型，既可以讓教師順利完成“應用型”本科人才培養要求的移動通信課程8個典型實驗的授課過程，也允許教師自主設計特色化的典型實驗，更可以讓學生自主設計、驗證并完成個性化的實驗過程，為提高實驗授課效果、鍛煉學生實踐能力奠定堅實的基礎。

3.3典型實驗設計

本系統需要設計8個典型實驗，以滿足該課程實踐教學的需求。具體實驗項目可設計為：

1）隨機序列發生器設計;

2）FSK調制和解調過程;

3）FSK信號的擴頻解擴過程;

4）卷積碼的編碼及譯碼過程;

5）接收機同向支路的功能;

6）接收機超前和滯后支路的功能;

7）GSM通信系統仿真;

8）CDMA通信系統仿真。

由于本系統建設的初衷是增強移動通信課程實驗教學過程中的透明性和創造性，因而上述的實驗項目內容僅僅作為授課教師和選課學生的參考。本系統更傾向于鼓勵學生根據自己的創意去構思、驗證各種個性化的設計方案，自主完成實驗的全過程，從而充分展示學生的創造性思維，使學生盡情感受學習的樂趣。

4總結

移動通信虛擬仿真實驗教學體系的構建可以為本校搭建一個全新的實驗環境、豐富實驗教學形式、方便實驗的管理;可以為教師和學生提供豐富的器件模型和典型實驗，支持個性化實驗設計，培養學生的創新思維與創造能力;可以降低實驗室的建設成本，減少實驗室的建設周期，從而為本校“新工科”專業的建設和“應用型”人才的培養添磚加瓦。