通信原理与系统实验室建设与实践

刘云飞， 田华明， 黄子革， 王 鼎

(海军航空大学青岛校区 航空电子系， 山东 青岛 266041)

实验教学作为高等院校教学工作的重要组成部分，在培养学员的动手能力、分析解决问题的能力、正确的思维方法和严谨的工作作风等方面起着不可替代的作用，是培养创新人才、加强学科及专业建设的重要途径。如何更好地发挥实验室的作用，实现实验室建设与培养创新人才相结合，是当前深化实践教学改革的难点、热点问题。我校针对通信原理与系统实验室(以下简称“实验室”)的建设，进行了多方面的研究和探索，取得了较好的实际成果，可供各高校同行借鉴和参考。

1 系统筹划，推进实验室全面建设

1.1 加强硬件建设，创造良好实验条件

实验室采取认真调研、充分论证、重点投入、分步实施的建设思路，对所购仪器设备按平台化、通用化、系统化、现代化思路进行筹划，先后购置了10多套南京润众科技有限公司生产的RZ8641型现代通信技术实验箱，随后又升级为RZ9681型，配套购置了10套DSO2902型五合一多功能综合虚拟测试仪，构建了基于PXI总线的通用软件无线电实验平台，自主研发了短波宽带信道模拟器，调拨了部队现役通信电台，形成了从基本模块到实装的全层次覆盖，使实验室不仅能够开设“通信原理”“通信导航系统”“通信设备”等相关课程的实验，还可为高年级本科生、研究生和教员进行通信领域的研究提供实验条件。

1.2 虚实结合，构建综合化实验平台

以通信技术实验箱为主的硬件实验平台，有直观性强、能锻炼动手能力、搭建平台迅速等优点，但成本高，实验项目有一定局限性。实验室在实验箱基础上，设计开发了基于Matlab、Systemview和LabVIEW的3个虚拟软件实验平台。虚拟软件实验平台有功能全、成本低、效率高的优点，与硬件平台互为补充，使硬件平台不能提供的实验得以通过虚拟软件来完成。学员通过软件模块搭建实验系统，可充分发挥其想象力，拓展其思维，提高其编程实践能力[1]。

1.3 精选实验内容，培养学员自主实验能力

在传统实验教学过程中，学员只能在教师设定的框架下进行验证性的实验。其缺陷在于:一是单一的验证性实验对学员的吸引力不大；二是验证性实验在培养学员的综合思维能力、创新能力和动手能力方面效果不好。因此在实验内容设置上，将其调整为验证性、设计性和创新性实验3部分，尽量减少验证性实验，增加设计性和创新性实验[2]，以培养学员获取新知识、分析和解决问题以及交流与合作的能力，使学员掌握基础知识和基本技能，并具有创新精神和实践能力。验证性实验在相应理论课讲解完之后进行，教员将部分实验在课堂演示后再安排学员进行实验，取得理论课和实验课教学相得益彰的效果。设计性实验安排在某段固定实验课时内完成，以布置作业的形式给出，要求学员利用实验室已有的仪器设备完成设计实验任务，创新性实验安排部分成绩优秀、学有余力的学员进行。

1.4 开放实验室，提高实验室利用率

由于学时有限，正课时间开设实验时，常常是几人1组、1人为主、多人旁观，其实验效率不是很高。此外，如果实验室课余时间若不开放，实验设备就会闲置，降低了设备的利用率，实验效果难以提高。因此实验室在时间、地点、内容和实验人员上采取全面开放的形式[3]。

(1) 时间上的开放，提高灵活性。实验室根据理论课和实验课的进度，在实验设备的使用不发生冲突的前提下，由学员根据自己的课程安排，与实验室协商，并决定什么时间到实验室完成实验课所规定的实验内容。在时间上给学员较大的灵活性，提高学员学习的主动性，增加实验室的容量，提高实验室的利用率[4]。

(2) 地点上的开放，提高便利性。RZ9681型现代通信技术实验平台，可以实现网络化实验。学员在宿舍或计算机房，只要能通过校园网链接实验室的实验平台，经过实验室管理员审批后，就可以远程链接实验平台开展实验。地点上的开放，使得学员利用实验室的自由度大大提高，为学员做实验提供了充分的便利。

(3) 实验内容的开放，提高自主性。实验室内容的开放分为实验室主动开出的计划外实验项目和学员自主提出的创新实验项目2种开放模式[5]。第一种模式是实验室根据实际情况开设计划外的实验项目，学员可选做这些实验项目，以培养出一定数量具有较强实验能力和具有科研基础知识的尖子学员。第二种模式是针对实验基础好并有强烈主观愿望参与实验的学员主动提出的具有创新性、研究性的实验项目，开放实验室为他们提供一个进一步提高实验技能的机会，使得他们的科学研究能力得到训练，为他们以后的专业学习打下良好的基础。学员在开放的实验时间内做实验，教员仅起指导和监控的作用，对学员的自我约束力、责任心、合作精神以及管理能力也是一种培养和锻炼[6]。

1.5 毕业设计与科研相结合，培养学员创新潜质

实验室为学员做毕业设计和科研工作提供实验平台，主动实现资源共享。多名本科生和研究生利用实验室开展专项课题研究，开展自主创新的实验，在非正弦波通信、非平稳信号通信理论和认知无线电通信领域取得了较大的理论突破和技术进步。实验室还为课题组承担的国家“863”项目、国家自然科学基金项目等多项课题提供理论技术支撑，取得了一批科研成果。

2 大胆实践，走创新发展道路

实验室建设要符合院校的办学规律和人才成长规律，在深化教学改革，培养创新人才的实验室建设实践上要具有一定的创新。总结实验室主要创新发展之处有以下几点。

2.1 构建了综合性实验新平台

实验室采用虚拟软件实验平台与硬件实验平台相结合优势互补的方式。虚拟软件实验平台的构建充分利用3种软件的不同特点，偏于理论分析的应用Matlab，偏于直观信号分析的应用LabVIEW，偏于软件模块搭建的应用Systemview。硬件实验平台采用多功能综合虚拟仪器与计算机结合可以替代传统的示波器、逻辑分析仪和频谱分析仪的功能，更为直观、方便、节省空间，同时也降低了实验台的成本。现代通信技术实验箱由模块化构成，可以独立使用，也可以方便地组合成各种通信系统，同时实验箱之间还可以通过组合构成大的通信系统。软件无线电平台的引入可以方便地通过软件定义的方式产生各种通信信号与调制方式，可以涵盖通信系统级与信号级的设计与实现。自主研发的信道模拟器可以给实验平台和通信实装方便地提供信道环境，可以很容易地制造出各种典型信道特性环境和电磁环境，能够模拟的地域跨度非常广阔，不受气候条件限制，可随时进行多次重复实验，节省大量实验费用[7]。

这种综合性实验新平台的构建符合当今通信装备的发展趋势，使得学员和教员可以针对不同情况选择不同的实验平台，很好地解决了实验室投入有限与保障完成实验任务的问题。

2.2 完善了系统化实验新体系

实验室软硬件平台既相互独立又是一个有机结合的整体，可以分开使用，也可以通过灵活的组合配置为多种实验系统。实验室可以用软件实验平台进行模拟仿真验证，也可以通过实验箱硬件模块搭建硬件实验系统，还可以应用现役装备进行实装演练。实现了从模块组建到系统分析，从仿真验证到系统设计，从理论学习到实装操作，全方位、系统化的实验新体系。新的实验体系改变了传统的固定仪器设备模式而发展为按需配置模式，可以根据实验需要自由组合，也可以自主开发一些相关实验内容，可以方便地实现学员、教员一些新的想法，鼓励学员实现“只有想不到，没有做不到”的创新体系[8]。

2.3 丰富了多层次实验新内容

实验内容调整为验证性、设计性和创新性实验3个层次。在实验配置上，由以往的简单的硬件模块的原理性验证实验发展到了软件仿真、基本硬件模块实验、构建小的通信系统、通信系统之间的系统以及部队实装的操作多个层次，使学员能够多层次、全方位、多角度地进行实验，系统地进行分析和验证[9]。

在实验实施上，采用“工程背景—教学模型—物理模型—实验配置—特性归纳”的分析思路、“数学分析—波形分析—频谱分析—仿真分析”的分析方法，内容安排依照“基础建立—理论分析—技术分析—实验验证”的次序。

2.4 形成了全面开放的新模式

实验室的全面开放，是相对于传统的“封闭式”实验模式而提出的一种有利于培养学员实践能力和创新能力的新模式。开放包含3个层次:一是教学时间上的开放，由以往的固定时间的课程实验发展到学员自主预约实验和固定课堂实验相结合的模式；二是实验内容上的开放，由原理的固定实验科目发展到自主设定实验内容和固定课程实验相结合的新模式；三是教学地点的开放，由以前的固定实验室内教学发展到野外通信与实验室内实验相结合的模式[10-12]。

3 挖掘潜能，提升实践效果

经过几年的实践检验，通信原理与系统取得了较好的实践效果，也受到学员的欢迎和好评。

(1) 实验室保障能力提高。通过实验室硬件平台和软件平台建设，实验室除了能保障“通信原理”课程所有实验项目外，还能为“信息与编码”“通信技术”等相关课程提供实验平台。

(2) 学员实验兴趣增加。实验室为通信工程等本科学员及通信与信息系统等研究生提供验证性、设计性和创新性实验，学员实验兴趣明显增加。每学年开设实验课达1 800多人时，其中含开放性实验600多人时。从感觉实验课单调乏味没意思，到自己动脑设计实验，主动到实验室做实验，有了质的变化。

(3) 学员创新能力得到培养。设计性、创新性实验要求学员用发散思维、联想思维来设计实验、验证实验方案、得出实验结论，教员在实验中只起辅导答疑作用。学员通过一系列实验，充分调动了学习主动性和积极性，增强了学员的自信心，加深了对理论课程的理解，培养了综合实验的能力。教员在通信原理与系统实验平台基础上设计本科学员毕业设计题目，培养学员创新能力。学员利用实验平台完成了10多个设计项目。实验室主动为科研项目敞开大门，研究生学员利用实验室平台，积极参与科研项目研究，较好地培养了学员创新能力。

(4) 实验教学成果显著。在实验室的支持下，我校“通信原理”课程被评为海军院校第八届优秀课程二等奖，“通信原理课程教学改革的实践与探索”获得院校级教学成果三等奖，“通信原理”课程获学院首届精品课程。该实验室也作为海军航空大学全军重点实验室分室之一，所支撑的“通信与信息系统”为全军和山东省重点学科。

4 结语

海军航空大学通信原理与系统实验室，通过多年的建设与实践，行成了完备的实验体系，为通信原理课程改革，以及为培养高素质海军通信专业军官发挥了重要作用，取得了较好的实践效果。但是通信专业的发展日新月异，部队新的通信装备和技术层出不穷，因此实验室的发展必将是一个长期的过程，还需要持续地进行投入和建设。

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