虚拟仿真技术及其在《光纤通信》课程实验教学中应用的探索与实践

成建平 李飞 沈建华

【摘要】虚拟仿真技术是实践教学改革的重要发展方向之一。针对电子信息类专业人才培养需求，结合南京邮电大学《光纤通信》课程教学实践，讨论了基于虚拟仿真技术的实验教学及其实践。

【关键词】虚拟仿真 实验教学 电子信息 光纤通信

【Abstract】Virtual simulation technology is one of the most important development directions for experimental teaching mode. Focusing on Electronic Information Engineering Personnel Cultivation， this paper proposes the exploration and practice of virtual simulation experimental teaching for Optical Fiber Communication course in NJUPT.

【Keywords】Virtual Simulation； Experimental Teaching； Electronic and Information Specific； Optical Fiber Communication

【基金项目】江苏高校品牌专业建设工程资助项目（TAPP：PZ00215001），“十二五”国家级虚拟仿真实验中心建设项目，南京邮电大学教学改革重点课题（JG00215JX01，JG00215JX54）。

【中图分类号】G482 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）09-0254-02

1.引言

电子信息产业已经是我国国民经济第一大产业，同时也是当前国际间新一轮产业竞争和抢占经济科技制高点的战略先导领域[1][2]。电子信息技术的不断进步和突破，对高校电子信息类专业人才培养提出了新的需求：必须进一步加大力度培养全面掌握电子信息技术和经过充分训练的创新型人才，以适应行业发展和区域经济发展的迫切需要。

《光纤通信》是通信工程、电子信息工程、光电科学与技术等多个电子信息类专业的核心专业课之一。随着技术的进步和教学内容的更新，传统的以实验箱为主的实验实践教学模式已经无法满足需要，而依托真实系统设备建设实验室也面临着投入巨大和更新频繁等挑战。因此，引入虚拟仿真实验技术并依托包括虚拟现实、多媒体和通信网络等手段，构建虚拟实验环境和实验对象，不仅可以以较低的成本开展实验，达到教学大纲所要求的教学效果。同时，也为实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，特别是在一些不可及或不可逆的实验环节提供了可靠、安全和经济的实验手段[3]。

2.虚拟仿真实验教学特点

随着技术的不断发展和教学内容的深化，采用传统实验实践教学模式日益受到局限，引入虚拟仿真技术手段可以更好地推动信息化条件下学生的自主学习、探究学习、协作学习等实验教学方法的改革，也为教师提高教学能力、丰富教学内容、拓展实验内容提供了良好的手段。另一方面，现代电子信息系统多为大型复杂系统，成本高且难以进行二次开发，虚拟仿真实验教学具有诸多优点：

（1）实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。以《光纤通信》课程为例，光纤传输参数中损耗系数的基准测量方法为剪断法，测试中需要对光纤进行多次剪断，在大规模实验中受到许多条件的制约。而虚拟仿真技术可以模拟近似真实的光纤线路，构造虚拟剪断测试点，这样不仅可以不受有限的硬件资源限制，同时也可以获得近似真实环境下的实验结果和数据。

（2）有效解决传统实验教学模式中存在的高成本和高消耗等缺点。传统的光纤通信系统性能实验教学环节中，需要有完整的多个节点组成的真实系统，同时还要配置包括传输分析仪、信号发生器、光谱分析仪及网络分析仪等贵重测试仪器，成本极高且对操作者的要求也很高。引入虚拟仿真技术开展实验，有效地解决了制约实验教学的初次投入问题。

（3）开发现阶段技术条件不具备或无法实现的实验教学功能。当前光纤通信已经进入100Gbit/s时代，而400Gbit/s乃至更高传输速率的系统也已在开发中，如此高的传输速率使得现阶段开发包括调制、编码、解调、接收等实验装置都非常困难，这也催生了只有依靠虚拟仿真技术才能开展相关的教学活动。

（4）拓展实践教学开展模式和促进终身学习。以大规模在线开放课程（MOOC）为代表的在线教学已经成为当前高等教育界普遍关注的热点话题。传统的实践教学要求学生必须到实验室现场完成教学活动，而虚拟仿真技术的引入可以在很大程度上改变这一格局。随着包括智能手机和平板电脑等终端的普及，未来将会有更多的实践教学环节可以通过网络远程实现，这也为继续教育和终身学习提供了有益的渠道。

3.《光纤通信》课程虚拟仿真实验教学探索与实践

南京邮电大学是一所以信息通信为主要特色的工科高校，《光纤通信》是我校多个电子信息类专业的核心专业课，具有较长时间的教学积累，也建设了包括SDH传输系统和PON接入网在内的硬件实验环境。依托国家级虚拟仿真实验中心和优势学科等专项支持，我们设计了多层次的光纤通信虚拟仿真实验平台，针对实验教学需要提供了三个层次的虚拟仿真实验内容：

（1）光纤基础仿真实验环境：主要包含了对光纤物理、光学、传输等多个参数约30000个不同配置实例的测试环境，可以实现对光纤模场直径、损耗系数、色散系数、偏振模色散等诸多参数的模拟测试。

（2）光纤通信系统和网络测试仿真实验环境：主要包含了光纤通信系统和网络的误码、抖动、光接口、漂移等系统级参数约2000个测试配置实例，可以实现对于完整的光通信网络的系统级模拟测试。

（3）光纤通信系统底层及协议仿真实验环境：具有完善的从元器件、系统到网络协议全方位的仿真能力，可以实现自主定义的光器件模块、子系统和系统级的仿真。

针对光纤通信系统中最基本的光纤链路和系统的性能测试分析需求，引入了EXFO公司的Fast Reporter光纤链路仿真软件和Optical Report Viewer光网络测试仿真软件。Fast Reporter主要用于光纤及链路的传输性能参数测试，其内置了包括目前最先进的涵盖了EXFO全系列5500/5500E/5800/5900/5230/5240/5250/7400/7400E等各种测试仪器的数据分析模块，同时还包含了30000余个不同的测试配置，其数据均来自真实的光纤链路。学生在PC终端上使用的操作界面与真实测试仪器完全一致，通过选择不同的参数配置可以得到相应的测试结果并进行分析。Optical Report Viewer则是与系统和网络级测试对应的高级仿真测试工具软件，其内置了主要的误码分析、抖动分析、时钟分析、漂移分析、光谱分析、光功率测试等系统级的测试功能，使用界面与业界主流的测试仪器等完全一致，同时内置了2000多组不同的测试方案和数据，学生通过配置参数可以获得系统性能的直观结果，如果发生配置错误也可以得到相应的提示。

VPI transmission maker高级仿真工具是目前国际上公认技术最先进、最完善的光通信高级仿真工具，其不仅提供了许多功能强大的仿真模块，可以支持从物理层到链路层乃至网络层的仿真实验，系统采用图形化设计并支持各种复杂模块化器件结构及用户自定义，为用户提供了完善的专业仿真实验分析环境。经过必要的学习后，学生可以在教师指导下对VPI中的模块进行参数调整乃至重新设计，从而实现差异化和定制化的虚拟仿真实验。

4.结束语

依托虚拟仿真技术改革传统的实践教学体系是当前高等教育改革的主要发展方向之一。将虚拟仿真技术引入电子信息类专业实验教学环节，突出虚拟网络与实体网络相结合、虚拟对象与实体对象相结合、虚拟手段与实际手段相结合等特点，是现阶段人才培养改革的重要发展趋势。论文介绍的南京邮电大学开展《光纤通信》课程虚拟仿真实验教学的探索实践，也为电子信息类其他课程实验教学改革提供了有益的参考。未来我们将继续坚持以学生为中心，推行网络化条件下自主学习、探究学习、协作学习的实验教学模式，探索和实践人才培养目标与社会需求有机结合的新模式。

参考文献：

[1]刘延东.推进科技创新 培育和发展战略性新兴产业.[EB/OL].http：//www.miit.gov.cn/n11293472/n11293877/n13702866/n13702883/13873502.html

[2]张德江.大力推动新一代信息技术产业加快发展.[EB/OL].http：//www.miit.gov.cn/n11293472/n11293877/n13702866/n13702883/14206919.html

[3]沈建华等.通信与信息网络国家级虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J].实验室研究与探索，2015（34）1：161-164

作者简介：

成建平（1967-），女，江苏南京人，大学，实验师。主要从事通信与信息网络实验室建设与实验教学工作。

沈建华（1972-），男，江苏江阴人，博士，教授。南京邮电大学通信与信息工程学院副院长，通信与信息网络国家级虚拟仿真实验中心副主任。主要从事通信与信息网络实验室建设与实验教学工作。