“虛擬仿真平臺”在移動通信課程實驗教學中的應用研究

孫豪 梁瑞 王國林

摘要：傳統的“實驗箱”式教學存在著成本昂貴，以驗證性實驗為主，調整的余地很小，與產出結合不夠緊密等問題。而引入了“虛擬仿真平臺”以后，可以大大降低實驗室建設的成本;可以構建“以學生為中心，以產出為導向”的自主式、創新型、面向應用的、可靈活調整的實驗教學環節。教師和學生均可以利用它提供的良好實驗操作平臺界面，借助它完備的器件模型庫，設計并實施滿足教學大綱要求的典型實驗。它不但提高了學生自主學習的熱情，鍛煉了學生的綜合實驗能力和創新能力，而且促進了企業與學校、企業與學生之間的相互認識與相互交流，為三方今后的進一步互動打下堅實的基礎，最終使本校的“應用型”人才培養能夠更上一層樓。

關鍵詞：虛擬仿真平臺;移動通信;實驗教學;學生中心;產出導向

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）28-0266-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 概述

近期，隨著教育部對高等學校教育的不斷改革，“新工科”建設、“雙一流”建設的不斷深入，大學本科教學不斷突出“以學生為中心，以產出為導向”的新式教育理念。基于該理念的客觀影響，本校不斷推進“應用型”人才培養模式的研究、建設與改進，因而為移動通信這門課程的實驗教學改革提出了新的問題和新的挑戰。

移動通信是一門理論性、實踐性、技術性很強，多門學科交叉的綜合性學科。它使學生熟悉并掌握GSM系統，WCDMA系統和LTE系統的基本原理、基本概念、基本技術、相關組網技術及應用，使學生能夠分析一些簡單的移動通信系統，能夠應用移動通信的原理與技術分析闡述常見移動通信方式中信息傳輸的發送與接收原理，為移動通信系統的管理、維護、研究和開發打下必要的理論基礎和技能。

實驗教學是移動通信課程教學過程中一個非常重要的環節。學生首先根據實驗方案動手構建實驗系統，接著安全地開展實驗、正確地采集實驗數據、得到合理有效的實驗結果，最后分析實驗結果得出正確的結論。由此，學生可以直觀地熟悉并掌握移動通信系統的工作原理、組成、結構及相關技術的應用，可以通過與同組學生的相互協作培養良好的溝通交流、組織協調和團隊合作能力[1]。但是，傳統的“實驗箱”式教學在應對“以學生為中心，以產出為導向”這一新式教育理念時仍存在著許多難以克服的問題。因而，利用虛擬仿真平臺這種全新的教學手段，進行移動通信課程的實驗教學，踐行“以學生為中心，以產出為導向”，最終推進本校“應用型”人才的培養，這是一項有意義的、有挑戰性的研究。

2 利用“虛擬仿真平臺”進行移動通信課程實驗教學的優勢

計算機、多媒體和人機交互等技術的高速發展帶動了虛擬仿真技術的不斷進步，虛擬仿真實驗教學也逐漸地廣泛應用于很多高等院校的實驗教學中，它現在已經成為教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，也已經成為高校教師完成實驗教學的一種重要的教學方式[2]。虛擬仿真實驗教學可以通過構建高度仿真的虛擬實驗環境、實驗對象和實驗元件，讓學生更容易理解教學情境，更方便地開展實驗活動[3]。在移動通信課程的實驗教學中，利用“虛擬仿真平臺”進行實驗教學，具有以下三個方面的優勢：

2.1 大大降低實驗室建設的成本

傳統的“實驗箱”式教學均需要購買費用高昂的實驗室設備，如果再考慮到設備的先進性、精密性與品牌效應，即使少量購買，這也是一筆難以負擔的巨額成本。

引入“虛擬仿真平臺”以后，除去必要的平臺運行與維護的開銷，移動通信實驗所使用的某些虛擬元器件/元模塊也可以應用于其他相關課程的虛擬實驗教學中，這樣既可以大大節省用于采購該課程實驗硬件設備的資金，又可以輔助其他相關課程的實驗室建設過程，從而大大減少實驗室建設周期，為學校降低實驗室建設的成本。

2.2 “以學生為中心”，構建自主式、創新型的實驗教學

目前，大多數高校使用的“實驗箱”式教學仍然是以驗證性實驗為主，這對學生的知識掌握、能力培養均具有一定的局限性。首先，“實驗箱”式教學僅能滿足對基本原理的驗證，如移動通信技術中的調制和解調，擴頻與解擴等，但與實際生活中由手機、基站、移動交換機等構建的蜂窩移動通信系統結構差距較大[4]。其次，“實驗箱”式教學往往將多個系統模塊集成在一起，學生在做實驗時只需要進行簡單的連線操作，就直接進入到觀察并記錄實驗結果這一步驟，導致許多信號處理過程，如濾波、編碼/解碼、模數轉換等，學生的理解并不透徹[5]。最后，“實驗箱”式教學設計電路圖固定，連線固定，實驗結果也基本相差不大，學生只是按照實驗指導書的操作步驟逐步驗證，沒有培養足夠的創新意識和解決問題的綜合能力。

引入“虛擬仿真平臺”以后，教師和學生的實驗自主性均大大增強[6]。教師既可以使用現有的器材模型構建課程實驗大綱要求的典型實驗，也可以根據學生的學習情況靈活設計個性化的典型實驗;學生更可以根據各自的創意去構思、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新性思維，讓學生盡情感受學習的樂趣。

2.3 “以產出為導向”，構建面向應用的、可靈活調整的實驗教學

移動通信技術發展的顯著特點之一就是更新速度非常快，短短40多年的時間，移動通信系統就已經發展到了第五代。而傳統的“實驗箱”式教學所采用的實驗設備只能限定于某型號、某代移動通信產品，學生利用其培養出來的實驗能力并不一定能和他的就業需求建立較明確的對接關系，而且調整的余地很小，具有較明顯的局限性。

引入“虛擬仿真平臺”以后，創造性實驗的導向性得到了明顯的加強。以移動通信課程為例，學校可以借助這個平臺，利用產學研項目與有意向的通信技術企業進行深度合作;企業則可以根據自身的特色和學生的具體學習情況，為學生制定一組面向實際應用的、可靈活調整的創造性實驗。這樣學生在做實驗的過程中既鍛煉了綜合性實驗能力，又進一步地了解了該企業的特色，最終為有意向的學生和企業之間奠定了良好的雙向選擇基礎。

3 移動通信實驗教學在“虛擬仿真平臺”上的具體建設內容

為了更好地發揮“虛擬仿真平臺”在移動通信實驗教學中的作用，需要從以下四個方面進行建設：

3.1 實驗操作平臺界面

實驗操作平臺界面共分為六大部分，各部分應實現的功能如下表1所示：

3.2 學生、教師、教務管理員和系統管理員四種角色及其權限

為了更好地對本平臺進行管理，系統建立了四種角色：學生、教師、教務管理員和系統管理員。這四種角色應具有的權限如下表2所示：

3.3 器件模型庫及其具體構成

為了滿足課程實驗教學的需求，本系統應建設六大類器件模型庫，每個器件模型庫中具體包含的模塊如下表3所示：

3.4 典型實驗設計

本系統基于上述六大類器件模型庫的支持，能夠提供至少8個典型實驗的設計與實施，可圓滿實現移動通信課程實驗教學大綱的要求。

教師在進行虛擬仿真平臺實驗教學設計時，具體的實驗教學設計過程如下圖1所示：

下面簡要描述一下利用該“虛擬仿真平臺”來進行移動通信實驗教學的全過程：

1）教師給出典型實驗題目

教師可結合線上教學實踐，通過網上教學平臺、QQ軟件等方式向學生發布某個實驗題目，明確學生的實驗目標。

2）實驗實施階段

實驗實施階段可分為三個步驟來實現：

A.實驗準備階段

該階段需要完成兩件任務：學生分組和實驗原理學習。

本人今年所帶的移動通信課程有28名同學選修，因而可以將學生分為7個實驗小組。由每組學生自行選舉1人為小組長，由小組長統籌管理該小組的實驗過程。

當學生獲悉實驗題目以后，學生應提前查閱相關文獻，復習教材或在課上學習實驗指導書中的相應知識來掌握本次實驗的實驗原理。

B.實驗執行階段

在這一階段，每組學生既可以根據自己的創意設計實驗方案，自主選擇相應的實驗元件/模塊構建實驗模型，驗證實驗結果，也可以直接參考實驗指導書上的實驗模型按步驟完成相關實驗數據的采集，得出實驗結論。本人強烈建議每組學生應至少有一次以上自主設計實驗模型的經歷。

C.實驗過程評價階段

在這一階段，教師應隨時關注每組學生的實驗進度，積極解決學生實驗過程中出現的各種問題，保證每組學生均順利完成實驗。同時，教師應盡可能多關注、多指導自主設計實驗模型的學生，確保他們順利實現自己的實驗設計方案。

3）教師總結

教師通過每組學生的實驗表現及實驗報告的撰寫情況進行評分，并從總體上總結該次實驗的成功經驗，實現教學相長，促進師生共同發展，共同進步。

4 結束語

綜上所述，引入“虛擬仿真平臺”以后，移動通信課程的實驗室建設可以節省大量的實驗經費，為學校節省了資金投入;可以進一步實踐“以學生為中心，以產出為導向”的新式教育理念。這一方面提高了學生自主學習的熱情，鍛煉了學生的綜合實驗能力和創新能力;另一方面也為相關企業提供了一個良好的切入點，促進了企業與學校、企業與學生之間的相互認識與相互交流，為三方今后的進一步互動打下堅實的基礎。本人希望“虛擬仿真平臺”不但成功應用于移動通信這門課程，更積極拓展到其他課程，最終使本校的“應用型”人才培養能夠更上一層樓。

參考文獻：

[1] 王恩亮，姚玲，彭霞.移動通信虛擬仿真實驗室建設研究[J].集寧師范學院學報，2019，41（4）：46-49.

[2] 鄭云，吳怡.移動通信虛擬仿真實驗教學中心的建設與管理[J].實驗室研究與探索，2019，38（3）：127-131.

[3] 張澤，呂新，侯彤瑜，等.高校虛擬仿真實驗教學中心建設探討[J].教育教學論壇，2021（15）：80-83.

[4] 張瑩，展慧，馬華玲.仿真軟件平臺在“移動通信技術”課程實驗教學中的應用[J].電腦知識與技術，2020，16（32）：101-102.

[5] 衛萌菡，魏明露，左億.虛擬仿真實驗在“移動通信”課程組網技術教學中的應用[J].無線互聯科技，2019，16（18）：1-3.

[6] 李勇.移動通信系統虛擬仿真實驗教學平臺的創建[J].吉林工程技術師范學院學報，2021，37（3）：93-95，98.

【通聯編輯：梁書】