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【摘要】針對(duì)地方應(yīng)用型高校通信工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中出現(xiàn)的設(shè)備昂貴、更新?lián)Q代慢等問(wèn)題，建設(shè)以電路設(shè)計(jì)、信號(hào)處理、工程實(shí)踐與虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)為內(nèi)容的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)內(nèi)容更加豐富，學(xué)生能夠充分發(fā)揮學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中完成專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)和專業(yè)技能的訓(xùn)練，教學(xué)效果較好。

【關(guān)鍵詞】地方高校；虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)室建設(shè)；通信工程

0引言

培養(yǎng)地方經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展所需的德才兼?zhèn)涞娜瞬牛堑胤綉?yīng)用型本科高校人才培養(yǎng)的主要目標(biāo)。近年來(lái)，信息與通信技術(shù)（InformationandCommunicationsTechnology，ICT）在全球范圍內(nèi)快速發(fā)展。我國(guó)新一代信息技術(shù)的發(fā)展、智慧城市的建設(shè)和工業(yè)信息化的發(fā)展等，對(duì)我國(guó)ICT人才提出了數(shù)量和質(zhì)量上的雙重要求。為響應(yīng)國(guó)家戰(zhàn)略，滿足地方區(qū)域發(fā)展需求，常州工學(xué)院立足培養(yǎng)地方ICT行業(yè)急需的應(yīng)用型本科人才，大力開(kāi)展通信工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。在將前沿信息技術(shù)與專業(yè)課程、人才培養(yǎng)方案相結(jié)合，充實(shí)課堂教學(xué)，更新學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)等方面，發(fā)揮了重要的促進(jìn)作用。

1通信工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)存問(wèn)題分析

通信工程專業(yè)是ICT領(lǐng)域的主干專業(yè)，課程體系的實(shí)踐性與應(yīng)用性要求強(qiáng)。地方應(yīng)用型高校通信工程專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)具有較好的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和技能，具備良好的專業(yè)實(shí)踐和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才。筆者通過(guò)調(diào)研，結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗(yàn)對(duì)地方應(yīng)用型高校通信工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)存問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)。

（1）實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)設(shè)備技術(shù)含量高，購(gòu)置及維護(hù)成本高。通信工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的低頻通用設(shè)備儀器包括穩(wěn)壓電源、信號(hào)源、掃頻儀、萬(wàn)用表、示波器等，這類儀器設(shè)備已完全國(guó)產(chǎn)化，價(jià)格適中，質(zhì)量?jī)?yōu)良，配套服務(wù)完善，高校一般都可以較為輕松地完成該類儀器設(shè)備的購(gòu)置、維護(hù)及更新。但電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，微波、毫米波頻率的衛(wèi)星通信技術(shù)在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展，價(jià)格高昂、國(guó)產(chǎn)化程度不高的甚高頻、射頻及微波設(shè)備，如頻譜分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀、信號(hào)源等價(jià)格較高，地方高校通常難以滿足搭建綜合測(cè)試平臺(tái)，以及組建綜合射頻實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的需求，通信工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨硬件不足的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

（2）通信工程專業(yè)交叉領(lǐng)域較多，實(shí)驗(yàn)設(shè)備分類較復(fù)雜。通信工程專業(yè)涉及電子與電路、嵌入式與計(jì)算機(jī)、信號(hào)分析與處理、信息理論與傳輸、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與組建等工程領(lǐng)域，以及微積分與矩陣、概率論與統(tǒng)計(jì)學(xué)、半導(dǎo)體電子學(xué)、物理學(xué)、電磁場(chǎng)理論、光器件理論等自然科學(xué)領(lǐng)域，教學(xué)中要用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備種類較多，給地方高校的通信工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)帶來(lái)了困難。

（3）通信產(chǎn)品更新?lián)Q代快，通信工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備易過(guò)時(shí)。縱觀ICT技術(shù)的發(fā)展，從模擬通信、數(shù)字通信，到發(fā)展迅猛的移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、光纖通信、量子通信等，ICT技術(shù)的發(fā)展速度遠(yuǎn)超過(guò)一般的工業(yè)技術(shù)。在通信工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)設(shè)備已無(wú)法緊跟ICT技術(shù)發(fā)展的步伐，實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以緊跟技術(shù)應(yīng)用。綜上所述，利用新一代信息技術(shù)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將虛擬仿真技術(shù)與實(shí)踐操作相結(jié)合，進(jìn)行通信工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，是解決地方高校通信工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中現(xiàn)存問(wèn)題的重要手段。

2建設(shè)規(guī)劃

常州工學(xué)院緊密結(jié)合地方企業(yè)的生產(chǎn)需求，依據(jù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)方案，遵循科學(xué)發(fā)現(xiàn)、科學(xué)創(chuàng)新的一般認(rèn)知規(guī)律，以課程為核心，以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)為手段，建立了通信工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，如圖1所示。整個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系分為課程體系及平臺(tái)體系2個(gè)部分，其中，課程體系主要由專業(yè)基礎(chǔ)課程群、專業(yè)核心課程群和工程實(shí)訓(xùn)課程群組成；平臺(tái)體系的建設(shè)與課程體系相對(duì)應(yīng)，主要由電路設(shè)計(jì)、信號(hào)處理、工程實(shí)踐及虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）等仿真平臺(tái)組成。

3建設(shè)內(nèi)容

3.1課程體系建設(shè)

（1）專業(yè)基礎(chǔ)課程群。面向大一和大二學(xué)生開(kāi)設(shè)“電路分析”“模擬電子技術(shù)”“數(shù)字電子技術(shù)”等課程，并設(shè)計(jì)配套的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課外實(shí)踐。

（2）專業(yè)核心課程群。面向大二和大三學(xué)生開(kāi)設(shè)“通信原理”“信號(hào)與系統(tǒng)”“通信電子線路”等課程，并設(shè)計(jì)配套的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課外實(shí)踐。

（3）工程實(shí)訓(xùn)課程群。面向大三和大四學(xué)生開(kāi)設(shè)“光纖通信”“微波技術(shù)與天線”“移動(dòng)通信”等課程，并設(shè)計(jì)配套的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課外實(shí)踐。學(xué)生每學(xué)年參加的大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練、專業(yè)與學(xué)科競(jìng)賽、科學(xué)興趣小組活動(dòng)等，以及大四最后一學(xué)期開(kāi)展的畢業(yè)設(shè)計(jì)，均可按照項(xiàng)目課題所涉及的專業(yè)知識(shí)和技能領(lǐng)域，對(duì)應(yīng)到上述課程群的建設(shè)中。

3.2平臺(tái)體系建設(shè)

（1）電路設(shè)計(jì)虛擬仿真平臺(tái)。利用Pspice、Multisim、Protel等電路設(shè)計(jì)軟件，進(jìn)行“電路分析”課程中的交/直流電路分析、電路原理驗(yàn)證、信號(hào)觀察、電路特征值測(cè)量等課內(nèi)實(shí)驗(yàn)及其綜合實(shí)訓(xùn)；進(jìn)行“模擬電路”“數(shù)字電路”課程中器件與電路的原理驗(yàn)證、電路分析與指標(biāo)計(jì)算、功能電路狀態(tài)分析等課內(nèi)實(shí)驗(yàn)及其綜合實(shí)訓(xùn)。利用KeilC51、Proteus等電路設(shè)計(jì)軟件，模擬“微機(jī)原理與接口”課程中的中斷控制器編程、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器應(yīng)用、并行接口功能驗(yàn)證、串行通信，并進(jìn)行上述功能器件的綜合應(yīng)用等課內(nèi)實(shí)驗(yàn)及其綜合實(shí)訓(xùn)；進(jìn)行“嵌入式系統(tǒng)”課程中Linux安裝與使用、編譯/調(diào)試器使用、網(wǎng)絡(luò)通信編程、TCP/IP使用等課內(nèi)實(shí)驗(yàn)及其綜合實(shí)訓(xùn)。此外，還可利用電路設(shè)計(jì)虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行“通信原理”“通信電子線路”等專業(yè)核心課程的課內(nèi)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。在學(xué)生的課外實(shí)踐活動(dòng)中，電路設(shè)計(jì)虛擬仿真平臺(tái)主要承擔(dān)電子電路設(shè)計(jì)與制作類、嵌入式與單片機(jī)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用類的大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練、學(xué)科興趣小組活動(dòng)、學(xué)科競(jìng)賽等。

（2）信號(hào)處理虛擬仿真平臺(tái)。利用Multisim、LabVIEW等信號(hào)變換及處理軟件，進(jìn)行“通信原理”課程中的調(diào)制與解調(diào)，時(shí)分/頻分復(fù)用、頻移鍵控等課內(nèi)實(shí)驗(yàn)及其課外實(shí)踐；進(jìn)行“通信電子線路”課程中關(guān)于放大器、振蕩器、調(diào)制器、混頻器、無(wú)線收發(fā)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)及其課外實(shí)踐。利用MATLAB、SPW等數(shù)學(xué)建模、信號(hào)處理軟件，進(jìn)行“信號(hào)與系統(tǒng)”課程中關(guān)于信號(hào)運(yùn)算、時(shí)域分析、頻域分析、Z域分析、濾波器的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)及其綜合實(shí)訓(xùn)；進(jìn)行“數(shù)字信號(hào)處理”課程中關(guān)于系統(tǒng)響應(yīng)、信號(hào)采樣、FFT變換、數(shù)字濾波器、音頻信號(hào)處理的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)及其綜合實(shí)訓(xùn)。此外，信號(hào)處理虛擬仿真平臺(tái)還承擔(dān)信號(hào)處理類、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)類的大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練、學(xué)科興趣小組、學(xué)科競(jìng)賽等創(chuàng)新與實(shí)踐活動(dòng)。

（3）工程實(shí)踐虛擬仿真平臺(tái)。利用ADS、HFSS、CST、MWO等設(shè)計(jì)軟件，進(jìn)行“短距離無(wú)線通信”課程中的信射頻電路設(shè)計(jì)、收發(fā)前端仿真等課內(nèi)實(shí)驗(yàn)及其綜合實(shí)訓(xùn)；進(jìn)行“微波技術(shù)與天線”課程中的電磁場(chǎng)分析、微波器件建模與仿真、射頻信號(hào)變換、天線仿真等課內(nèi)實(shí)驗(yàn)及其綜合實(shí)訓(xùn)。利用OptiSystem、SystemView、IUV-4G、STK等設(shè)計(jì)軟件，進(jìn)行“光纖通信”課程中的光發(fā)射機(jī)仿真、光接收機(jī)仿真、光功率控制與變換仿真，以及光傳輸仿真等課內(nèi)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)及其綜合實(shí)訓(xùn)；進(jìn)行“移動(dòng)通信”課程中的數(shù)字調(diào)制與解調(diào)、擴(kuò)頻通信仿真、GSM通信仿真、CDMA通信仿真、LTE通信仿真等課內(nèi)實(shí)驗(yàn)及其綜合實(shí)訓(xùn)；進(jìn)行“衛(wèi)星通信”課程中的線性轉(zhuǎn)發(fā)、再生轉(zhuǎn)發(fā)、頻分多址、帶寬分配、功率分配、衛(wèi)星數(shù)字通信仿真等課內(nèi)實(shí)驗(yàn)及其綜合實(shí)訓(xùn)。此外，工程實(shí)踐虛擬仿真平臺(tái)還承擔(dān)信號(hào)與信息傳輸系統(tǒng)、通信系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用類的大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練、學(xué)科興趣小組、學(xué)科競(jìng)賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)等。

（4）虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）仿真平臺(tái)。利用3dsMAX/Unity3D等三維設(shè)計(jì)軟件，進(jìn)行三維素材的選取、渲染和制作，為電路、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)等類課程提供器件、儀表、場(chǎng)景等三維素材，建立為虛擬現(xiàn)實(shí)仿真教學(xué)服務(wù)的素材庫(kù)。利用VRSDK等VR設(shè)計(jì)軟件，基于素材庫(kù)建設(shè)，結(jié)合課程實(shí)踐任務(wù)，開(kāi)發(fā)各課程群實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)的VR仿真模塊，形成VR實(shí)驗(yàn)課件，在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的同時(shí)，利用新技術(shù)提升虛擬仿真平臺(tái)技術(shù)含量，使學(xué)生深刻理解專業(yè)知識(shí)，更好地提升實(shí)踐技能。基于三網(wǎng)融合仿真平臺(tái)，利用VR技術(shù)，在3D環(huán)境中訓(xùn)練學(xué)生對(duì)三網(wǎng)融合全網(wǎng)規(guī)劃部署完成學(xué)習(xí)、實(shí)訓(xùn)、競(jìng)技與測(cè)評(píng)。

4教學(xué)實(shí)踐

4.1專業(yè)基礎(chǔ)課程群教學(xué)

利用電路設(shè)計(jì)虛擬仿真平臺(tái)、信號(hào)處理虛擬仿真平臺(tái)、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）仿真平臺(tái)進(jìn)行專業(yè)基礎(chǔ)課程群的教學(xué)與實(shí)訓(xùn)，能夠很好地解決設(shè)備陳舊、元器件損耗等客觀問(wèn)題，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動(dòng)性。學(xué)生在學(xué)習(xí)課程知識(shí)的同時(shí)，能夠通過(guò)虛擬仿真平臺(tái)獲得更多實(shí)踐機(jī)會(huì)，強(qiáng)化對(duì)基本原理的理解和體會(huì)，大大提高了教學(xué)效果。

4.2專業(yè)核心課程群教學(xué)

專業(yè)核心課程群是專業(yè)培養(yǎng)方案的核心部分，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系能夠服務(wù)于專業(yè)核心課程群的教學(xué)與實(shí)訓(xùn)。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的使用，學(xué)生能夠深刻理解通信基本原理，掌握通信系統(tǒng)基本架構(gòu)，構(gòu)建虛擬通信系統(tǒng)。

4.3工程實(shí)訓(xùn)課程群教學(xué)

利用工程實(shí)踐虛擬仿真平臺(tái)、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）仿真平臺(tái)進(jìn)行工程實(shí)訓(xùn)課程群的教學(xué)與實(shí)訓(xùn)，使學(xué)生能夠真實(shí)體驗(yàn)通信應(yīng)用場(chǎng)景、鏈路預(yù)算、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、站點(diǎn)建設(shè)、設(shè)備安裝、系統(tǒng)測(cè)試等通信系統(tǒng)的全功能應(yīng)用。幫助通信工程專業(yè)學(xué)生具備一定的實(shí)際動(dòng)手能力，更好地促進(jìn)了應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

5結(jié)語(yǔ)

在地方高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)中，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，使新一代信息技術(shù)與課堂教學(xué)實(shí)驗(yàn)手段、內(nèi)容緊密結(jié)合，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，常州工學(xué)院不僅在一定程度上擺脫了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所環(huán)境及實(shí)驗(yàn)設(shè)備上的限制，而且極大地提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。學(xué)生通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系完成了教學(xué)計(jì)劃中的全部實(shí)驗(yàn)，在接近真實(shí)的環(huán)境中體會(huì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新的樂(lè)趣，鍛煉分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，有力提升了學(xué)生的綜合專業(yè)素質(zhì)。

作者：時(shí)翔 陳健 周寅 單位：常州工學(xué)院計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院