通信工程专业创新实验虚拟平台建设与实践

杨絮++王宇++李洋++陈宇

摘 要：随着现代实验课程体系的发展，实践操作与虚拟仿真结合越来越紧密，已经渐渐融合到一起，可以起到取长补短的作用。虚拟实验是真实实验有益且必要的补充，通过虚拟仿真实验，学生可以对理论课上所学的抽象的知识有更加具体、直观的认识，加深理解。同时，学生可以通过虚拟环境，完成实验的预习、实验参数设计、功能分析等工作。从而节省实际操作的时间，提高效率并降低错误率。

关键词：虚拟实验平台 通信工程专业 LabVIEW 虚拟仪器

中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）08（c）-0138-02

随着计算机技术、虚拟仪器技术和网络技术的不断发展，网络功能的不断更新及完善，计算机、网络与仪器的结合更加紧密，基于此类技术产生的虚拟实验教学平台以其丰富的资源共享性、互动操作性、安全性等特点，在智能化、信息化、性价比等方面都具有非常明显的优势。

在高校通信類课程中，由于很多概念过于抽象，学生只能通过实验来对课本上的理论知识有一个更为深刻的理解，为了提高学生的实践动手能力和实验设计能力和在实践中发现问题、分析问题和解决问题的能力，培养创新探索的能力和协作精神。在高等工科教学实验教学中采用创新实验虚拟平台，可以从根本上解决实验经费短缺的问题和学生规模扩大与实验基础设施发展滞后的严重比例失调问题。利用虚拟仪器技术与计算机网络相结合可以实现对仪器设备的远程控制，在实验、教学、科研等领域中具有广阔的发展空间和应用前景，同时还可以减少实验设备的资金投入，有利于从整体上改善办学条件和提高教学水平。

1 建设方案

1.1 以能力培养为主线的通信工程专业平台架构设计方案

通信工程专业创新实验虚拟平台建设紧紧围绕通信专业知识链与学生能力提升两条主线。围绕通信知识链主线，实现“基本原理→开发技术→专业技术→系统应用→全网通信”的无缝连接，以保证实践能力培养的连贯性；从通信专业知识的基础性、综合性、工程性和创新性等多个层面构建平台架构，完整地体现通信信息处理流程与通信专业知识链的结合。

在能力培养方面，着重培养学生的理论结合实践能力与工程认知能力、理论知识运用能力、创新能力与研发能力；同时，充分考虑到学生知识结构和能力上的个体差异，按多个层次来设置虚拟实验模块，使全部学生获得应有的基本技能，又保证优秀的学生能脱颖而出。

1.2 基于多课程的通信专业虚拟实验平台建设

按照通信专业知识的深入，提出理论基础和应用技术相结合的多课程虚拟实验融合平台，即：通信理论子平台、通信技术子平台、通信系统子平台、全程全网子平台。“四大”子平台既可独立运行，也可互联互通，组成一个与现网同步的“终端与业务—接入网—核心网”电信级全程全网实验平台。通信工程虚拟实验平台结构图如图1所示。

每个模块、子平台、课程的虚拟实验建设，均按照工程性、设计性、创新性3个模块进行实验内容设计，分别培养学生的理论结合实践能力与工程认知能力、理论知识运用能力、创新能力与研发能力。

通信工程专业创新实验虚拟平台组成框图如图2所示。其主要由硬件实验室、虚拟实验中心、网络服务器、校园网用户和远程用户组成，其中校园网用户又包括学生宿舍、多媒体教室、机房及办公室。

该平台包含程控交换、光传输、NGN、WCDMA、数据通信、光接入、电信业务研发。这7个子系统不仅可以相互独立地进行某一环节的实训，还可按照从“终端—接入网—核心网”联合组网进行全程全网实训。为学生深入分析和了解数据、信令和网络运行提供了先进实验手段与条件。与其他虚拟平台不同的是，该平台依托“长春理工大学-华为网络技术学院”实验室的商用级通信设备，结合了现代在线调试技术，充分发挥了虚拟实验平台专长，实现了专业硬件设备与虚拟仪器结合的远程网络虚拟实验。

1.3 全功能的课程演示实验实践服务体系建设

以《通信原理》课程为例，在传统书本及理论教学的基础上，增加交互性与实践性，通过仿真软件的交互性界面帮助学生更形象地理解概念；通过便携或专业的实验平台，引入真实的信号，借助实际的应用来阐述理论。实现学生在工程思想和创新动手实践方面的提升，采取“课堂演示”“软件实验”“硬件实验”“创新实验”等多方面的教学手段。

利用LabVIEW软件编写完全演示型课件，用于老师上课直接展示，特别适用于不方便现场演示或者存在理论极值无法实验得到结果的知识概念的演示。

利用软件+教学板，这类教学板是专门为通信原理实验教学定制板卡，通过提供便于动手操作的硬件电路框图，实现虚中带实，实中有虚的教学效果。

利用仿真软件+具体功能平台，不仅可在统一的功能平台上使用仿真软件，制作出多种已有的通信协议系统的原型，还可用于更为复杂或者更为前沿的通信系统。既适用于教学演示，也适用于学生创新科研项目。例如，以声卡、PC作为硬件平台，采用虚拟仪器开发平台可以制作虚拟示波器、虚拟电压表、虚拟功率测量仪、虚拟多功能函数发生器、虚拟频谱分析仪等虚拟仪器。学生可以自己构建简易虚拟实验室，该项工作已经指导本科毕业设计取得一定成果。

2 实践教学推广应用

创新实验虚拟平台建设内容主要服务于本科的课程实验、实习、课程设计、毕业设计、参与科研等几个方面。通过虚拟现实、多媒体、人机交互、计算机仿真技术，实现课内与课外、校内与校外、现实与虚拟的融合，致力于虚拟仿真实验和传统实验相结合的实验教学方法改革。

依据演示型、基础型、综合型、设计型、创新型5个实验层次构成的创新虚拟实验教学平台，使该校学生在理论、实验、动手能力、创新意识方面不断地提高。该校学生实践效果得到了明显提升，在各类学科竞赛中屡获佳绩，2015年获全国大学生电子设计竞赛省二等奖3项。

平台的建设与推广，为学生理解理论知识、成功完成实验、实训、毕业设计等环节创建了便捷可靠的实验环境，减轻了师生的教学负担，提高了实验实践的成功率。另一方面，平台充分调动了学生自主学习的积极性，促成学生的自我学习与自我驱动，为培养有研究精神，创新能力和视野开阔的通信人才提供了便利。

参考文献

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[2] 张绍荣.论虚拟实验平台构建的必要性[J].教育教学论坛，2015（31）：259-260.

[3] 范海健，苏品刚，刘韬，等.现代通信技术综合实训室建设与教学模式改革[J].教育教学论坛，2014（10）：183-184.