新冠疫情背景下的通信原理實驗教學改革探究

摘要：針對新冠疫情影響下，通信原理硬件實驗不能正常開展，并結合在通信原理實驗教學中存在的缺點和不足，設計了虛擬仿真和硬件視頻教學相結合的教學方法。基于通信系統虛擬仿真軟件System View，并以數字基帶傳輸系統實驗為例，介紹了System View虛擬仿真的實驗流程，同時錄制硬件教學視頻輔助學生進行線上學習。一個學期的實驗學習效果表明，System View虛擬仿真和觀看硬件教學視頻相結合的實驗教學方法，能夠有效地完成通信原理教學計劃中的實驗項目，加深通信理論知識的理解，培養學生自主設計研發綜合性通信系統的能力。

關鍵詞：通信原理;虛擬仿真;硬件教學視頻

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）19-0132-02

通信原理是現代信息社會中的許多領域開展研究必備的理論基礎。《通信原理》也是網絡工程、通信、電子和自動化專業本科教學計劃中的一門核心課程。通信原理的實踐教學是實現高等學校人才培養理念和學院人才培養定位的重要手段之一[1，2]。

通信原理涉及的相關概念比較抽象、公式推導復雜，因此學生很難理解掌握。現有的硬件試驗箱只能提供系統固有的實驗，學生無法自主設計創新。目前，虛擬仿真和硬件實驗相結合的方法成為實踐教學的一種發展趨勢，它能夠提高學生的學習興趣，根據理論知識自主設計實驗系統，可以鞏固通信理論并提高學生的創新能力[3-7]。今年更是受到新冠疫情的影響，虛擬仿真平臺在通信原理的實驗教學中起到了重要作用。本文將介紹基于System View 虛擬仿真平臺的通信原理實驗和硬件實驗視頻相結合的教學方法，并以數字基帶傳輸系統實驗為例，介紹System View虛擬仿真的實驗流程。

1 傳統的通信原理實踐教學中存在的問題

教學手段方面，我校傳統的通信原理實踐教學采用湖北凌特電子技術有限公司的通信原理硬件試驗箱來完成。在實驗過程中，通常是老師先介紹實驗原理;然后學生按照實驗指導書提供的實驗步驟連線，只要連線正確，示波器上就能輸出波形;最后學生結合理論知識分析實驗結果。這種盲目機械的實驗教學容易挫傷學生的學習積極性。

實驗內容方面，硬件實驗平臺模塊化，實驗內容之間往往相互獨立，不利于學生對通信系統的綜合理解;固定的實驗內容限制了學生的自主設計和創新能力。

實驗時間不靈活。由于硬件實驗需要按照教學計劃在規定的時間和地點使用，實驗不能很好地配合理論知識學習。學生學習了理論知識后，需要在實驗室之外的環境隨時靈活地對感興趣的內容進行實驗，鞏固理論知識的學習。

2 疫情下虛實結合的通信原理實驗教學方法研究

2.1 基于System View 虛擬仿真平臺的通信原理實驗

基于System View 虛擬仿真平臺進行通信原理實驗，能夠解決傳統的硬件實驗不能自由地設置參數并進行頻譜分析的缺點，并且能夠解決由于設備損壞導致實驗結果有誤的問題，降低了實驗成本。學生自主設計通信系統，能夠激發自主學習的熱情，提高綜合性系統的設計創新能力。下面以數字基帶傳輸系統實驗為例，對基于System View 虛擬仿真平臺進行說明。

數字基帶系統的基本結構如圖1。發送濾波器將系統輸入的基帶脈沖轉換為適合于信道傳輸的數字基帶信號;數字基帶信號在信道中傳輸，經常會由于信道特性的影響導致傳輸波形失真[8]。另一方面，數字基帶信號在信道中不可避免地會遭受外界噪聲的影響，可以通過眼圖觀察噪聲對數字基帶傳輸系統輸出波形的影響;接收濾波器的主要作用就是接收信號，濾除帶外噪聲并均衡信道特性;抽樣判決器在系統傳輸特性不理想的情況下，根據約定規則，對接收濾波器的輸出波形進行抽樣判決，恢復數字基帶信號。

首先，利用System view 平臺建立數字基帶傳輸系統仿真電路，如圖2。

其次，設置電路中各模塊的參數。系統的運行時間設為19999S，采樣頻率為1HZ。0號模塊為加法器，1號模塊為外界輸入的加性高斯噪聲，2號，5號，8號，13號，14號和16號模塊為信號觀察窗，3號模塊能夠實現邏輯異或功能，4號模塊計算算術均值，6號模塊實現增益為1的積分運算，9號模塊輸出為1HZ的2電平隨機序列，11號和15號模塊輸出頻率1HZ的采樣信號，當7號模塊接收數據大于100 時，停止系統仿真。在System view系統窗內運行該系統，然后轉到分析窗觀察各點的波形，分析窗各點輸出波形如圖3。在分析窗可以觀察到接收濾波器輸出波形的眼圖，無噪聲存在時輸出波形的眼圖和有噪聲存在時輸出波形的眼圖分別見圖4和圖5，學生還可以隨意設置噪聲功率觀察眼圖的變化。在仿真過程中，學生可以靈活地改動實驗參數，觀察數字基帶系統各個節點的波形變化，分析其原因，進一步理解該系統的工作特性。

觀察實驗結果并對實驗結果進行分析，討論輸出結果與數字基帶傳輸系統工作原理是否吻合，利用眼圖進一步研究不同功率譜密度的噪聲對該系統失真程度的影響。通過本實驗，學生可以很好地理解數字基帶傳輸系統的構成和信號傳輸的物理過程，通過每個功能模塊的輸出波形理解相關模塊的作用，理解噪聲通信系統傳輸質量的影響。

2.2 提前錄制相關硬件實驗的視頻資料

由于疫情期間，學生無法進入實驗室進行硬件實驗的操作。在上實驗課之前，教師提前進入實驗室，錄制相關硬件實驗的視頻資料，分享到學習群。學生可以提前觀看視頻資料進行預習，形成相關實驗的感性認識，有助于增強學生對虛擬仿真實驗的理解。教師可以在實驗視頻教學中融入通信相關的前沿知識和科研成果，提高學生的學業水平。另外，學生還可以通過網絡交流工具直接與教師溝通實驗的原理、步驟以及實驗過程中遇到的問題，實現理論與實驗知識相結合，真正提高學生應對問題的能力。

3 虛實結合的通信原理實驗教學方法的優勢

基于System View 虛擬仿真平臺的通信原理實驗可以完成教學大綱要求的所有實驗項目，并且能夠完成系統級的綜合性實驗。學生可以構建從信源到信宿的完整的模擬通信系統和數字通信系統，了解各模塊的工作原理、功能以及各模塊之間的關系，使課堂所學理論知識得以實際應用。學生可以根據自己的理解進行系統搭建和模塊的設置，可以在調試系統過程中不斷試錯而不用擔心損壞實驗設備。實驗過程簡單直觀，可以更大程度地調動學生自主思考的積極性，提高自主設計的熱情。

另一方面，學生課前觀看硬件實驗的教學視頻作為線上實驗的補充。即使無法進入實驗室，學生也可以實現軟硬件相結合，使兩種實驗方式相互補充，相輔相成，使學生能夠深入理解通信系統中的基本原理，提高綜合設計和自主創新的能力。

4 結論

虛擬仿真實驗是國家教育發展的大趨勢，本文針對疫情期間線上實驗教學的特點，引入了基于System View 的虛擬仿真平臺，學生可以自主設計分析通信系統，顯著提高了學生自主學習的能力和對綜合性系統設計研發的興趣。錄制硬件實驗的教學視頻作為虛擬仿真實驗補充，增加學習方法的多樣性。實踐表明，虛擬仿真平臺和硬件教學視頻結合的教學方案能夠提升傳統實驗教學的質量，提高學生的學習積極性和興趣，提高學生對通信系統的綜合理解和設計能力。

參考文獻：

[1] 王茜.“通信原理”課程實踐教學探討[J]. 電氣電子教學學報，2013（8）：114-116.

[2] 王海華. Matlab/Simulink 仿真在“通信原理”教學仿真中的應用研究[J]. 湖北理工學院學報 ，2015，31（3）：67-70.

[3] 王欣，展慧.基于LabVIEW的通信原理實驗平臺設計和教學體系研討[J].教育現代化，2019，6（96）：204-205.

[4] 戴桂平.“虛實結合”的“通信原理與實踐”實驗教學研究[J].蘇州市職業大學學報，2019，30（1）：83-88.

[5] 王冬梅，王秀芳，闞玲玲. 基于虛擬仿真平臺的通信原理實驗教學改革研究[J]. 科技經濟導刊，2019，27（31）：133-134.

[6] 周娟，胡珍珍. 通信原理實驗教學實踐的思考[J]. 科技經濟導刊，2019，27（36）：169.

[7] 趙春波，譚雪霏，徐娟娟.新工科背景下通信原理課程教學改革探索與實踐[J].教育現代化，2019，6（71）：90-91.

[8] 樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].7版.北京：國防工業出版社，2012.

收稿日期：2021-09-17

基金項目：曲阜師范大學實驗技術研究項目（SJG201912）

作者簡介：代凌云（1979—），女，山東昌邑人，研究生，曲阜師范大學副教授，研究方向：通信信號處理，數據挖掘。