虛擬仿真技術在電子信息專業(yè)信號處理類課程中的教學改革探索

蔣樂勇，鄒 孝，鄭之偉

（湖南師范大學物理與電子科學學院，湖南 長沙 410081）

0 引言

近些年來，隨著計算機軟硬件以及信息技術快速發(fā)展，電子信息類課程的教學方法也發(fā)生了革命性的變化，虛擬仿真技術逐漸應用在教學領域中，形成一種新的教學模式，即虛擬仿真教學。虛擬仿真教學作為一種新興的技術在高校教學中迅速崛起，在課程教學信息化中發(fā)揮了越來越重要的作用，如MATLAB Simulink、SystemView、keil、Labview、Multism、Proteus、Protel99se等虛擬仿真軟件在各類專業(yè)課程教學中發(fā)揮的作用越來越不可替代。在上述諸多虛擬仿真軟件中，MATLAB Simulink、Labview軟件由于具備獨特的優(yōu)勢使得其在信號處理類相關課程中尤其顯得有優(yōu)勢。虛擬仿真技術在信號處理類課程中的教學應用中逐步得到重視，各種相關的教改成果也大量涌現(xiàn)，但在國內(nèi)有些大學，特別是對于師資教學能力和資金投入不夠的學校，需要進一步加強實踐與探索。

1 虛擬仿真技術應用于信號處理類課程的教學改革方案

1.1 改革目標

（1）研究電子信息類專業(yè)信號處理類課程內(nèi)容和特點，建立一套基于虛擬仿真的課程教學課件，加深學生對于教學理論的理解，以便學生分析和解決信息技術中的實際問題。

（2）在課堂教學中，提高學生的興趣和理解程度，豐富課堂教學內(nèi)容，改善課堂教學效果和質(zhì)量。

（3）以學生為本，利用虛擬仿真將教學和實驗實踐、理論和應用很好結(jié)合，引導學生創(chuàng)新意識、培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力，開拓學生思路，發(fā)揮其創(chuàng)造性，增強學生對課程學習的信心。

1.2 實施內(nèi)容

圖1 基于虛擬仿真平臺的信號處理類課程改革框架

（1）以《通信原理》、《信號與系統(tǒng)》、《數(shù)字信號處理》、《Matlab及應用》等課程為核心，研究課程內(nèi)容和契合點，選擇和確定虛擬軟件及虛擬仿真應用的課程知識點。

（2）改進課堂教學環(huán)節(jié)，將虛擬仿真技術引入課堂，在課堂理論授課過程中利用虛擬仿真將信號的工作狀態(tài)和信息傳輸狀態(tài)進行演示，將抽象的理論知識直觀化、形象化，便于學生的理解和教師的講授。

（3）適當調(diào)整現(xiàn)有專業(yè)實驗教學方案，在專業(yè)實驗前增加虛擬仿真預計實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)果，在實驗結(jié)束后，增加一些基于虛擬仿真的實驗思考，在驗證性實驗基礎上增加設計性實驗，加強對課程內(nèi)容的實際運用。

（4）在電子信息專業(yè)的課程設計和畢業(yè)設計中，由于基于虛擬仿真的系統(tǒng)不受實驗器材品種、規(guī)格、經(jīng)費的限制，因此將拓寬課題的選擇范圍；提供一些趣味性、綜合性、創(chuàng)造性強方案，與工程實踐相關聯(lián)的課題供學生選擇。

（5）逐步開展線上虛擬仿真教學，在實際教學過程中采用“線上-線下”虛實結(jié)合的教學模式，從而有利于學生根據(jù)自身學習情況和興趣在課內(nèi)外自學。

2 虛擬仿真技術應用于信號處理類課程的實施過程

（1）調(diào)整電子信息類專業(yè)信號處理類課程課程內(nèi)容，簡化理論內(nèi)容，增加虛擬仿真課程內(nèi)容和實踐時間。以Matlab Simulink、Labview作為虛擬仿真軟件開發(fā)工具，在這些課程教學內(nèi)容上實現(xiàn)知識體系和虛擬仿真體系的初步融合。

（2）在課堂教學中，插入理論知識的實際運用案例，并利用虛擬仿真演示問題解決過程和解決效果。通過在教學模式方面的改進創(chuàng)新，靈活運用多種先進教學方法，有效的調(diào)動學生的學習積極性，促進學生的積極思考，激發(fā)學生的潛能，注重對學生理論知識運用的能力考查。

（3）在實驗教學中，依托虛擬仿真實驗教學平臺讓學生預習并進行虛擬驗證，并誘導學生利用虛擬仿真預判實驗過程和結(jié)果；在實驗教學結(jié)束后，在內(nèi)容相關基礎上增加設計性問題，培養(yǎng)學生利用所學理論知識和驗證性實驗解決問題能力和創(chuàng)新意識。每個虛擬仿真項目實驗項目按照“入門項目——基礎項目——提升項目——綜合項目”的遞進步驟展開。

①學生自主進入虛擬仿真系統(tǒng)“入門項目”學習各種虛擬儀器的基本原理、結(jié)構分析、操作演示和應用范圍，并進行在線考核。

②學生通過入門模塊的學習后進入系統(tǒng)的“基礎項目”，完成相應的學習和操作，記錄仿真實驗數(shù)據(jù)，并與參考結(jié)果比較。

③學生進入系統(tǒng)的“提升項目”，自主選擇模塊進行學習與仿真，并撰寫相應的實驗報告。

（4）學生通過系統(tǒng)提升模塊中的任一學習模塊可以進入到“綜合項目”的學習，學生可根據(jù)實際需要進行開發(fā)創(chuàng)新性的項目，并利用虛擬仿真讓學生將課堂理論知識真正應用到具體實踐項目中。

（5）開發(fā)課程虛擬仿真平臺網(wǎng)絡平臺，利用互聯(lián)網(wǎng)搭建24小時開放的網(wǎng)絡環(huán)境，構建自由探討、團隊合作、開放設計的虛實結(jié)合實驗教學模式。教師在線答疑、評價，師生在線交流等。

3 虛擬仿真技術應用于信號處理類課程的成效

（1）豐富了教學內(nèi)容，提高了學生的學習興趣和主動性。在課堂教學中，利用虛擬仿真能夠生動反映信息處理的流程、工作狀態(tài)和相應的動作，將枯燥的內(nèi)容轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱吹靡姟⒚弥保寣W生能夠深層次把握教材的重要理論概念和專業(yè)基礎知識。

（2）創(chuàng)新了實驗模式，提高了學生實踐性技能。通過實驗教學與虛擬仿真結(jié)合、自主實驗與創(chuàng)新拓展相結(jié)合、知識傳授與創(chuàng)新能力培養(yǎng)相結(jié)合的教學設計，這種新模式既適合于學生課外的自主學習，又有利于學生進行創(chuàng)新性的自主實驗，從而激發(fā)學生學習欲望，深化知識理解。

（3）節(jié)省了時間、空間和硬件成本資源。只要具備個人計算機和相應軟件，虛擬仿真實驗和實踐活動可以在任何時間進行，不受實驗室空間限制，所有操作都在計算機上虛擬完成，節(jié)省了硬件焊接、安裝等工序時間，縮短了項目開發(fā)周期，發(fā)揮了虛擬仿真時效、經(jīng)濟的優(yōu)勢。

（4）實現(xiàn)了虛擬仿真技術資源的共享。“線上-線下”結(jié)合的虛擬仿真實驗資源，既可以用于電子信息類專業(yè)的綜合實驗教學，還可擴展到不同專業(yè)、不同高校與不同省份。

4 結(jié)束語

將虛擬仿真技術應用到信息類相關課程教學環(huán)節(jié)中，實現(xiàn)了課程理論學習、實驗教學和實踐活動的有機結(jié)合。一方面克服了傳統(tǒng)實驗室先進儀器設備不足，使學生在課內(nèi)外都可以學習課程相關的知識點，解決了信息處理課程教學中的難；另一方面利用虛擬仿真平臺進行功能擴展型、綜合應用型和創(chuàng)新型等多種形式的針對性訓練，培養(yǎng)學生的分析、應用和創(chuàng)新能力。因此，虛擬仿真技術對于電子信息類專業(yè)信號處理類課程教學是非常有幫助和有意義的。