通信工程专业开放式虚拟实验平台构建

郭晓菲　王雷全

摘要：指出目前高校通信工程专业实验教学现状中的问题，阐述将开放式虚拟实验平台引入实验教学的意义，对虚拟实验平台的功能特点进行研究与分析，提出基于虚拟实验室的实验体系结构，说明结合通信实验教学的实践，将虚拟实验平台应用于课内实验教学和课外创新的良好效果。

关键词：开放式；虚拟实验平台；实验体系结构

0、引言

近几年，随着高校招生规模的不断扩大，高校扩招给实验教学带来了巨大压力，导致高校教学资源不足。通信技术的发展和通信系统的复杂性不断增加，已使传统实验教学方法不能满足新形势下的教学要求，面临如下问题。

1）实验室难以实现真正的开放。

由于通信专业传统的实验教学主要依赖费用较高的硬件实验设备，实验教学受时间、地点、人力、物力等条件的限制，学校的实验教学资源难以做到充分有效地利用，使得“开放实验室”无法实现真正的开放。

2）教学目标难以落实。

在传统的实验教学环节中，学生主要根据实验指导书进行验证性实验，学生在实验课之前无法对理论及实验设备进行较好地预习，教学目标难以达到，设计性和创新性实验更是难以开展。

3）常用的仿真软件缺乏真实性。

虽然Matlab和SystemView是很优秀的仿真建模软件，多年来在中国石油大学通信专业的实验教学中，发挥了很大作用，但是由于Matlab和SystemView也有局限性，一般它不能脱离Matlab和SystemView集成环境工作，而且编写图形用户界面的功能比较弱，学生使用这种仿真软件对通信系统进行模拟时，和实际的系统相比还是有区别的。

针对通信专业实验教学现状，学生缺乏学习主动性和创造性等问题，提出将e-Labsim开放式虚拟实验平台引入到通信仿真实验教学中，构建了通信专业的开放虚拟实验平台，并尝试在实验教学中将Matlab和e-Labsim平台进行适度的衔接，突破现有的教学模式，探索出一条创新人才培养多元化、多样化和多变化的实验教学改革模式。

1、开放式虚拟实验平台的特点

实验教学是培养创新型人才的重要途径，中国石油大学（华东）“十二五”规划明确指出：“完善实践教学体系，统筹校内外实践教学资源，推动实验教学资源共享平台建设和实验室开放。”为进一步深化实验教学改革，提升学生的实践创新能力，根据通信专业人才培养模式的核心，构建了通信专业开放式虚拟实验教学平台，其目的是为了在实验教学中加强对学生创新能力和实践能力的培养。

e-Labsim虚拟实验平台可提供多门课程的实验仿真，包括通信原理、移动通信、光纤通信等，它主要采用大型仿真软件所独有的算法及时序仿真相结合的技术，并应用当今较流行的CSDA网络架构及软件框架，通过部署在用户的服务器上，可以很好地实现实验资源的开放，给学生搭建起一个随时随地学习和创新设计的环境。e-Labsim可模拟真实实验环境，提供可操作的虚拟实验仪器，由于e-Labsim独有的“仿真核”技术，能完整模拟硬件外观及行为，让学生从仿真环境到实际的硬件环境能实现“无缝”切换，这应该是e-Labsim完全不同于其它虚拟实验环境的独到之处。e-Labsim虚拟实验平台的功能布局图，如图1所示。

由于通信专业课较多，实验课时不同，对应实验内容的深度和难度也不同。所以在构建虚拟实验室的过程中，要考虑适合于本校通信实验课程的设置特点，侧重通信系统整体实现和局部原理的设计号陛能提高，兼顾不同基础层次学生的需求，在实验平台上提供多样性、多变性的实验项目。这就决定了虚拟实验室应该具备实验对象多元化，实验项目可以重组，平台结构应该开放的特点。

2、基于开放式虚拟实验平台的实验体系结构的构建

经过不断地实验教学改革探索与实践，结合多年实验教学经验和虚拟实验室的功能特点，提出了由基础型、综合型、设计型、创新型4个实验层次构成的实验体系结构，由浅入深、由易到难，以学生为本、注重创新精神和实践能力的培养。

（1）基础型。着重于基础理论和基本技能的训练，是创新能力和实践能力培养的基础。该类实验内容是基本的验证性实验，学生根据实验指导书给出的组件连接图和参数设置，自己动手配置、连接、调试实验设备，搭建出基本的通信模型，进一步理解基本概念和理论。比如移动通信中的“MSK调制及相干解调”实验，目的是了解MSK调制解调原理及特性，观察I、Q两路基带信号的特征及与输入NRZ码的关系，还有I、Q两路信号调制解调过程中各信号的变化。该环节重在基础，面向综合，在掌握实验的基本方法、基本知识以及基本操作的基础上逐步培养学生分析问题、解决问题的能力，为开放性实验教学打下扎实的基础。

（2）综合型。该类实验内容由若干基础实验组合而成，目的是让学生了解和掌握不同通信系统模型之间的联系，帮助学生树立通信系统的概念。比如“GSM通信系统”实验，就是将正交调制及解调的实验模块串起来，让学生建立起GSM通信系统的概念，了解GSM通信系统的组成及特性，最终完成在虚拟实验平台上的系统搭建与仿真，观察GSM通信系统各部分信号的变化。

（3）设计型。前两类实验在实验指导书中都给出组件连接图和参数设置，而设计型实验只给出原理框图，学生需要运用已学专业基础理论知识，自己设计组件连接图，这部分实验主要用于对学生独立思考、分析问题、解决问题能力的进一步训练。该类实验模式是给学生提出一个问题，不限定解决问题的方法，由学生通过运用所学专业基本概念和基本理论进行思考、分析，提出设计方案并加以实现，进一步熟悉e-Labsim虚拟实验环境下的复杂系统设计。比如“PSK信号载波恢复”实验，学生首先要自己查资料了解一下载波提取的方法有哪些，然后自己选择设计方案，设计组件连接图，并设计一个相关解调系统作为测试用例，来验证所设计的载波提取方法的可用性和正确性。endprint

（4）创新型。由于e-Labsim虚拟实验平台内置完整的二次开发及创新设计模块，学生可以方便地进行创新设计，学生设计的功能完全可以替代系统原有的模块，为提高学生创新实践的兴趣，还可将学生设计的功能模块融入到e-Labsim平台的系统实验中进行验证。由于该类实验项目是针对学有余力的优秀学生，帮助其提高创新能力的进一步的训练，所以应鼓励他们自主创新，提出若干具有挑战性的问题，参加一些国内外创新竞赛，申请并完成创新基金项目等，比如大学生创新创业训练计划和国家大学生创新性实验计划项目。

3、开放式虚拟实验平台的组织与实施

针对将e-Labsim虚拟实验平台引入到通信实验教学中可能遇到的问题，以及在实验教学中，如何将课内实验和课外创新活动结合，以达到最佳效果，根据多年的实验教学经验，结合虚拟仿真实验平台的特点，给出了以下一套实验教学改革和创新的具体实施方案。

1）改革实验内容和方式，提高学生兴趣。

通过改革实验内容和方式，在实验教学中加强学生创新能力和实践能力的培养。在现有通信硬件实验的基础上，辅以虚拟仿真实验平台。其主旨在于指导学生做硬件实验之前，通过虚拟实验平台，采用组件完成实验系统的建模和仿真，验证实验结果，对下一步的硬件实验起到理论指导作用，避免实验的盲目性。鼓励学生参与虚拟实验室的开发研究工作，在教师的带领下开展自主学习活动，深入分析通信系统，不断开发所需新组件，设计相应实验项目，丰富实验配套教材，鼓励学生在通信领域进行研究探索，并以此为契机，组织学生参加大学生创新基金项目和各种竞赛等活动，为培养出一批有研究精神，创新能力和视野开阔的通信人才提供平台。

2）采用多样化的教学手段，进行辅助教学。

通过多媒体配合虚拟仿真平台，借助生动的图像、形象的动画进行直观生动地讲解，在课堂及时演示课程中的实验，能真正做到理论和实践有效结合，让学生及时明确地了解课程中的底层原理，做到理论实践一体化教学。借助网络资源，通过虚拟实验平台开展“网上实验演示”，将传统的实验教学模式与基于网络的开放式实验教学模式相结合，提高学生的学习自主性，使“学生主动学”成为实验教学过程中的主要特征。

3）采取开放式互动式教学，提高学生实践能力。

通过虚拟实验仿真平台，学生随时随地可登录网络实验课堂，搭建自己的实验，让每个学生都拥有自己独立的实验室，从而达到实验室开放的目的。这样学生做实验将不再受时间、地点等条件的制约，可根据自身的实际情况，选择进入虚拟实验场景或者观看实验演示。遇到疑难问题可参考虚拟平台的提示功能，解决不了的问题可通过通讯模块求助于教师或同学，教师的主要工作就是对学生进行管理和引导。实验课后，学生可通过个人电脑自由进入虚拟实验平台论坛区交流实验心得体会。教师对难点进行解答，同时鼓励学生自行设计综合型的实验项目到仿真平台上验证并及时给予必要的指导。学生利用虚拟实验仿真平台进行学习，可及时预习和巩固知识，提升实验的效率，通过创新实验模块的开发功能，激发学生自主学习和做实验的兴趣，并能规避硬件实验中的低级错误，从而降低硬件损耗。

4）完善实验考核方式，客观评价实验效果

实验平台配备了完整的教学管理系统，通过仿真系统的教师管理端，可以实时掌握学生实验的结果和学科实验的进度。实验前，学生通过仿真平台对实验进行预习，并提交预习报告；实验结束后，学生通过平台提交实验数据和实验报告。教师对学生提交的实验数据进行分析并对实验报告进行总结、批阅并评分，客观评价实验效果。

4、结语

结合通信工程专业实验教学现状，将虚拟实验平台引入实验教学中，不仅激发了学生学习专业课程的兴趣，还提高了实验教学质量，使实验的安排更加灵活方便且不受时间和空间限制，改革了传统的实验教学单一模式，通过实验教学将创新能力和实践能力培养贯穿于人才培养的全过程。通过多层次、全方位的实验室开放的改革与实践，不断改进实验教学在培养学生实践创新能力方面的缺陷和不足，完善了现有实验教学体系，使学生积极参与科技创新活动，达到了提高、增强学生科研能力和创新意识的目的，在培养学生的实践能力和创新能力方面取得了初步成效。endprint