应用型本科院校通信工程专业虚拟仿真实验室的建设

陈 英，王路露，张竹娴，周 远，刘光灿

(长沙学院电子信息与电气工程学院，湖南 长沙 410022)

近年来，信息通信技术进入快速发展阶段，国家信息化建设、地方信息化建设都需要大批信息通信类人才[1,2].长沙学院通信工程和计算机技术等专业每学年进行信息通信技术实验课的学生人数就达到近400人.传统的实验教学方式已经不能满足新形势下的教学要求.现有实验教学中存在的主要问题包括：(1)高投入、高消耗实验项目制约了实验室建设与发展.各类通信设备更新换代很快，设备投入高，学校实验室建设无法紧跟信息通信技术发展的脚步.同时通信系统设备在学生频繁操作下容易损坏，维修费时费力，维修成本居高不下，为系统后期维护和管理带来很大的压力，严重影响了实验室的建设、运行与使用[3].(2)实验设备数目制约学生完成实验实训的效果.现有真实的实验系统平台受到设备数量的限制，在同一个时间段内仅能满足部分学生的使用需求，这严重制约了学生实验实训的开展[4].(3)工程现场不可达，制约学生工程实践能力的培养.我校的人才培养目标是“培养应用基础实、实践能力强，具有社会责任感，德智体美全面发展的高素质应用型人才”，对于通信工程专业学生，除要求掌握学科体系的基本原理之外，还要了解具体的工程实践(如基站安装、现场勘测等).这些实践技能的培养要求学生在工程现场进行实地勘察，而现有的实验室资源显然无法满足大量学生到达工程现场的需求.针对以上存在的问题，长沙学院成立了电子信息与电气工程虚拟仿真实验教学中心，主要目的是为了解决真实实验教学中存在的问题，对工程现场不可达、高投入、高消耗(包括能源和实验原材料)、不便共享的实验、实训项目进行虚拟仿真化, 充分发挥虚拟仿真实验在工程应用型人才培养中的作用；同时将最新的信息技术充实实验教学内容，更新学生知识结构，培养学生综合设计及创新能力.

1 通信工程专业虚拟仿真实验室建设原则

1.1 平台建设的原则——科学性和可扩充性

虚拟实验室建设是为了实现真实实验不具备或难以完成的教学功能.在建设过程中，我们切实遵循了“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则.将实验课程的开设、实验项目的规划与本专业点的发展紧密结合起来，既参考了其他院校虚拟实验室的建设经验，也充分考虑了自身的实际情况，为建立科学的实验教学体系提供了基础.由于通信技术发展迅速，在虚拟实验室建设过程中，我们还充分考虑了开设的实验项目能后续进行扩展、更新等，为实验室规格提升和可持续发展提供了空间.

1.2 体系建设的原则——综合性和工程性，

在虚拟实践教学体系建设的过程中，我们始终坚持虚拟实验项目的综合性和工程性，基本形成了“专业基础层-专业核心层-工程仿真实训层”的虚拟类实验教学体系.实验项目的建设统一布局、分层次，有重点，以满足学生基础理论的认知、专业核心课程的掌握和工程实践能力的培养的要求.在基础理论课程授课中，利用虚拟现实技术和仿真手段实现通信原理和技术的直观呈现，提高授课的直观性、新颖性和趣味性；在专业核心课程实验中，充分利用各类先进的仿真工作和教学软件，体现虚拟实验的高精度、高效率特点.在工程实践类课程实验中，联合通信知名企业开发了模拟现网运行的教学软件，如数字程控交换、PTN分组传输网、CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA、FDD-LTE等，为锻炼学生的工程实践和应用开发能力提供了良好平台.虚拟实验项目跨越了不同难度层次(从基本概念提高到工程实践和应用开发)，覆盖了不同知识内涵(包括电、信息、仪器仪表等)，体现了多种教学实现方式(包括直观认知、动手操作、应用开发设计等).

2 虚拟仿真实验教学资源及教学效果

在建设虚拟实验教学资源时紧密结合信息通信类应用型人才“原理级-系统级-应用级”的知识体系、已经基本形成了“专业基础层-专业核心层-工程仿真实训层”的虚拟类实验教学体系.

图1 构建的虚拟仿真实验教学体系示意图

(1)专业基础层的实验课程主要包含《模拟电子技术实验》、《数字电子技术实验》.在上述两门课程的实验中，我们主要采用虚实结合式的教学手段，虚拟仿真软件包括Altium Designer、Multisim、Proteus等，所开设的实验项目有场效应管放大电路、LC选频放大与LC正弦振荡电路、积分与微分电路、低频功率放大器-OTL功率放大器、两极交流放大电路、互补对称功率放大电路、集成运算放大器的基本应用-有源滤波器、由D触发器构成的扭环计数器、异步计数器、中规模时序集成电路-移位寄存器的应用、序列信号发生器的设计、脉冲分配器的设计等.学生通过仿真实验学习后，再结合实物搭建实际的模拟电路系统，完成对仿真设计的实验验证.

教学效果：在计算机上用上述的虚拟教学软件，可以方便地搭建各种电路以及对电路进行修改、测试等，这很好地解决了传统实物实验教学中存在的设备紧张、仪器陈旧、元器件损耗等问题，同时其直观、可视化的特性也能激发学生的学习兴趣.实践证明以Multlsim等为代表的EDA软件，在电子技术实验教学中发挥了重要的作用，这种新颖的实验方式是电路实验教学的一种很好的辅助手段，同时，它在改进实验教学方法，提高实验教学效果，培养学生实践能力、创新能力等方面发挥了非常重要的作用[4].

(2)在专业核心层课程(如《通信原理》、《信号与系统》、《数据通信与计算机网络》等)的实验教学过程中，我们利用Multisim、Matlab、Labview等仿真教学软件，构建了100余种常见的电子元器件(电阻、电容、运算器、滤波器等)和30余种常见的通信器材(信号源、调制器、解调器、信号分析器、路由器等).虚拟仿真平台模拟真实实验中用到的器材和设备，提供与真实实验相似的实验环境[5,6].例如在通信原理的实验课程中，我将虚拟仿真实验做为硬件实验的辅助教学手段，要求学生在课前进行自主学习，开设的实验项目有AMI/HDB3编译码过程实验、眼图观察测量实验、2FSK调制与解调实验、抽样定理与PAM通信系统实验、PCM脉冲编译码实验、数字同步技术实验等.

教学效果：学生通过仿真实验学习后，能够加深对通信中的基本原理的理解，特别是对掌握通信系统架构有非常重要的帮助.学生可以方便的在校园内进入虚拟实验教学平台，通过构建虚拟的通信系统，提高了实验效率，为开设提高学生实践能力的综合性、设计性实验提供了盈余的时间，同时也进一步降低了设备损耗和实验耗材成本.

(3)工程实训仿真层的课程包括《SDH原理与技术》、《现代交换原理》、《通信仿真实训》、《通信系统综合实训》等.学生在通信原理、数据通信等基础知识后，就可以依托工程实训仿真平台进行更高层次的实验、实训.该平台包含现网运行的数字程控交换、PTN分组传输网、CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA、FDD-LTE等虚拟仿真实验教学系统等[7].学生在平台上进行虚拟仿真训练后，再到中心已经建设好的现网运行4G移动通信实验室、软交换实验分室上进行数据排队上传验证.通过上述训练，学生能掌握现代通信技术工程实践(如基站安装、网络优化、机房规划等)的基本能力.例如LTE工程仿真教学软件以高仿真商用设备机房为背景，基于售后工程师工作内容设计，融合真实LTE站点工程、天馈、传输时钟、网管方案的要素，再现了LTE eNodeB系列设备的组网、硬件结构、软硬件工程安装、开通调试等过程.学生首先完成网络拓扑设计，部署商用机房设备及安装连线，接着进行网管软件安装，站点版本升级、网管数据配置及导入、故障排查等工作，最后完成LTE终端的拨号连接和业务测试工作，FDD-LTE仿真实验系统的功能结构如图2所示，虚拟机房的观察如图3所示.

图2 FDD-LTE虚拟仿真实验系统功能图

图3 虚拟机房观察

教学效果：通过虚拟仿真模块的实践操作，学生能真实、直观、全面熟悉了通信应用场景、网络架构、标准的站点建设、安装、开通调试、测试等全功能，深入掌握了通信工程现场规范；而且学生对设备接口、功能、板件、配置、对接等有了全面的了解，而这一部分内容几乎是行业内通用的.仿真教学系统还原了真实的通信网络系统，贴合了当前运营商对毕业生的要求，为学生高质量就业打下了坚实的基础.

3 虚拟实验室建设的特色与成效

学院坚持“虚实结合，提升学生工程素质，培养信息工程类应用型人才”的实践教学理念，将虚拟化、数字化实验室的建设作为实验教学建设与改革的重要方向，在实验平台建设过程中不断创新，逐渐形成了自己的特色[8, 9].特色之一：大学四年全过程覆盖，领引学生从基础课程向实践创新迈进.中心现已基本形成了“专业基础层-专业核心层-工程仿真实训层”的实践教学体系，覆盖了专业基础课程、专业核心课程和高年级学生综合实训、课外科技创新活动.我院学生从大一开始就可接触虚拟仿真实验平台，直到学科竞赛、毕业设计、科技创新等活动，学生都可自如运用这一平台从事虚拟仿真设计，以验证自己所设计电路和作品的有效性，为学生科技创新提供了良好的实践平台，有力地推动了我院学生科技创新活动和提升了学生的实践创新能力.特色之二：校企合作共建虚拟仿真项目，保证了实验项目的先进性和创新性[10].例如学院与中兴通讯企业合作共建虚拟仿真实验室，将先进的通信仿真软件引进到实验室，使建设的每套虚拟软件都能单独完成“电信网络”中某一层次、某项功能的仿真工作.尤其在3G、4G等专业课程的教学环节，引入了中兴通讯针对企业客户技术培训开发的最新虚拟仿真系统，通过网上虚拟推演和软件仿真，勘察通信场地、机房，配置基站、天线等参数，进行信令跟踪，业务验证，突破了无线通信等在时间、空间、环境等条件的种种约束和限制，完成真实实验不可及或难以实现的教学功能，该类实验项目具备模拟工程实训功能，有效提升了通信技术应用型人才培养质量和毕业生的就业质量.

已取得的建设成效：利用中央财政与地方共建实验室资金资助，2013年学院与中兴通讯合作建设了目前省内最为齐全的通信类虚拟仿真教学平台，从固网的程控交换仿真平台，到移动通信网的3G、4G仿真平台以及互联网通信的数据通信仿真平台.学院积极宣传已有的虚拟实验室建设资源与建设成果，在提高教学资源的共享率、利用率的同时，也提升了学校的影响力.虚拟实验室主要承担了通信工程，电子信息工程、光电信息工程等专业的课程实验、通信综合实训等教学任务，年均服务学生人数300人左右.校际共享方面，国防科技大学电子科学与工程学院通信工程系的学生在我院实验室开设了《通信综合实训》课程，共享了3G、4G虚拟仿真平台.此外，学院还与湖南邮电职业技术学院进行了通信实验教学资源的共享.企业共享方面，学院与上海智翔集团共建了校内校企合作基地，可实现教育软、硬件资源共享，产业化项目资源共享以及人力资源共享等.学生、中心教师、企业工程师可共享上海智翔信息科技股份有限公司与各企业和高校(包括本校)共建的“一飞网”，在网上自由学习、讨论并承接合作企业发布的外包项目.

平台建设方面，学院现建有长沙学院-智翔集团校企合作人才定制化培养基地和长沙学院-中兴通讯校企合作人才培养基地，其中前者2013年被立项为“湖南省电子信息类专业校企合作人才培养示范基地”.2015年，长沙学院电子信息与电气工程虚拟仿真实验教学中心立项为“湖南省虚拟仿真实验教学中心”建设单位.