基于在线仿真的电子信息类专业实验教学探索

安静， 潘乐， 康琦*， 汪镭， 吴启迪

(1. 上海应用技术大学 电气与电子工程学院，上海 201418； 2. 同济大学 电子与信息工程学院，上海 201804)

0 引言

电子与信息工程是面向信息获取与处理，信息系统的设计、开发、应用和集成的宽口径学科门类。随着当下各行各业数据的海量膨胀，机器学习、深度学习、强化学习等人工智能算法迅猛发展，电子与信息工程所涵盖的专业内容愈发丰富，对于人才的培养也提出了更高的要求，因此探索如何从理论占据主体地位的传统教学模式转变为针对专业本位向注重实践技能的培养有着极其重要的研究意义[1、2]。

电子信息专业主要包括“信号与系统”、“通信原理”、“自动控制原理”和“信息论与编码”等课程，在传统的教学模式中，这些课程公式和理论推导较多，学生只能依靠大量习题巩固所学知识，许多应用性较强的内容却不能实际参与动手设计、调试和分析。

人工智能技术在教育领域的应用场景越来越多，以“人工智能+教育”(EDAI)为核心的智慧教育模式也进入了新的阶段，朝着个性化与精准化的方向发展。为了解决学生实践不够这一问题，基于人工智能(AI)与计算机辅助教学(CAI)，搭建电子信息工程专业学科虚拟智能在线实验平台，可以为学生提供一个人机交互更强、师生交流更密切的仿真环境。

面对专业复杂计算问题时，构思模型并通过仿真与交互平台实现模型的建立与调试，可以对理论课程的知识点和相关数理基础进行复习、巩固和应用，培养学生发现、解决问题的能力[3]。同时，教师在授课中以自己的实践体会、累积的经验和具体的实践案例为基准，结合平台提供的教学手段对理论知识点进行启发式的讲解[4]，可以激发学习兴趣，提高学生的知识接受程度。

1 基于在线仿真与的实验教学

1.1 在线仿真教学平台

在电子信息类学科的实验教学环节中，可通过集成MATLAB，C/C++，Python，JAVA等语言搭建在线仿真环境，构建适应于自主学习的实验教学新模式，如图1所示。

图1 基于在线仿真的实验教学框架

教师按照教学大纲实验环节的设计，在教学平台发布相应章节的实验任务。学生登陆教学平台，按照教学要求，在规定时间内对实验原理与应用进行编程和仿真，在线提交仿真结果。

教学平台持续收集每位同学的在线编程和仿真行为大数据，包括仿真过程关键数据、关键指标、仿真结果等，实时上传至云服务器，使用机器学习等智能算法进行行为大数据的统计与挖掘，形成学情文本或图像报告，即时反馈给教师和每位参与实验的同学。教师在课堂中就能够全面地掌握班级的这次实验的整体以及同学个人的学习状况，查看同学个人的仿真过程和仿真结果，有针对性地进行评讲，给每位同学的编程、仿真表现都提出评价与改进建议，在平台的帮助下快速为每位同学制定个性化教学策略。每位参与的同学在课堂结束前也可以结合反馈的学情数据，了解自己在当前教学环节的学习情况，结合平台、教师的学习建议，巩固薄弱知识点，调整学习方法，以达到更好的学习效果。

1.2 基于Matlab的仿真实例

1.2.1 “A压缩律和μ压缩律”仿真原理

以《通信原理》教学为例，其中涉及到非均匀量化的方法，一般是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。通常使用的压缩器中，大多数采用对数式压缩广泛采用的两种对数压缩率是μ压缩律和A压缩律。

(1)μ压缩律

y=ln(1+μx)/ln(1+μ) 0≤x≤1

(2)A压缩律

A律十三折曲线与μ律十五折曲线两种近似的量化方式，而量化误差是衡量量化效果的重要指标。在仿真模型中，将通过量化误差的大小来比较这两种量化方式的性能。

1.2.2 基于m文件的仿真

MATLAB具有编程效率高、使用方便、数值计算高效以及可视化的功能，接近计算公式的思维方式，可以在极短的时间内快速的掌握基本知识并用于解决问题。可在教学平台中采用MATLAB编程实现仿真，部分代码如下：

yu= sign(x).*log(1+ u * abs(x))/log(1 + u);

for i=1:length(x)

if abs(x(i))<1/A

荣成—乌海高速，简称荣乌高速，荣乌高速是连接山东省荣成市和内蒙古乌海市的高速公路，全长1 820 km。本文所选取的案例为荣乌高速河北徐水至涞源段营尔岭隧道，该隧道设计为双向六车道通行，采用分离式隧道施工的特长公路隧道，其中隧道左线长约5 656 m，隧道右线长约5 677.3 m。隧址区地形地貌复杂，山体走势曲折；属于丘陵地貌，剥蚀程度较低；受隧道所处山体的自然坡度大的影响，隧道线位内相对高差达到913 m，其中最高处标高1 618 m，最低处标高705 m[1]。

ya(i)= A * x(i)/(1+log(A));

else

ya(i)= sign(x(i))* (1 + log(A * abs(x(i))))/(1+log(A));

end

end

如图2所示：

图2 A律13折线

图3 μ律15折线

15折线非常逼近μ=255的对数压缩特性。

学生在平台进行“μ压缩律和A压缩律”在线仿真实验时，平台首先检测学生代码是否运行成功，然后收集学生仿真数据，如量化误差、最终生成图像数目、仿真图像包含曲线数目、折线数目、单条折线段的斜率、不同折线段的斜率总数、曲线折线通过的特殊点等等，统计分析并最终生成可视化学情报告反馈给教师与学生。

1.3 综合类实践仿真

教学平台可以保留学生各学科各章节的仿真过程、实验数据和分析报告。基于单门课程的实验任务，在教学平台中可以将之前不同学科、不同编程环境的仿真结果模块化或利用平台已有的功能模块，通过拖动、连线等方式实现更加复杂的功能，简化重复的环节。

教师在教学平台实验任务的发布过程中，可以加入某些模块的参数设置说明作为辅助，包括模块的作用，设置时需要注意的问题等，帮助学生理解、完成教学任务，对实验内容进行拓展[5]。充分使用教学平台，可以留出更多的时间与空间，给学生跨学科的创新实践提供一个更好的平台，也给教师设计综合性强的课程设计提供参考，更好地衔接基础课程知识。

1.4 虚拟学习助手

教学平台也可以充当虚拟学习助手的角色，基于云计算与云储存手段，为学生提供丰富的学习资源如学科相关的文本阅读资料、教学视频等，基于同学的学情数据，因材施教，为其提供学习建议，推荐相关的拓展性学习材料，实现课前课后简单的答疑与测试，帮助同学自主巩固知识点，夯实基础。

2 总结

在基于在线仿真的具体实践教学中教师宜坚持教材、教案等课件内容不断更新、充实[6]，与教学平台提供的教学手段、仿真环境进行衔接，强化理论与实践教学相统一，持续优化实践教学内容和体系结构，与国际教学方法手段同步[7]。利用人工智能与大数据技术提供的教学辅助手段，帮助老师为每位同学提供个性化的学习辅导与学习资源，引导本科生在对本专业理论课程和实验课程掌握的基础上着手进行实际任务和工程设计工作，使学生们具有更宽广的知识面和更扎实的设计功底。

[1] 安静. 面向卓越工程师培养的“通信原理”教学改革与实践, 微型电脑应用，2014，30(11):44-46.

[2] 安静等. 面向应用型人才培养的“信息论与编码”教学与实践, 微型电脑应用，2014，30(9):57-59.

[3] 徐明远.MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用[M].西安： 西安电子科技大学出版社, 2014.

[4] 肖化武. “现代通信原理”课程教学改革探索[J].教育论坛,2009(25)：35.

[5] 张呜,李白萍.Matlab仿真在通信原理课程中的应用[J].实验技术与管理,2012，29(11)：87-89.

[6] 岳继光等,从实践环节浅谈自动化专业大学生创新能力[C].2007年中国自动化教育学术年会,2007：234-236.

[7] 罗涛等.“通信原理”国际化教学方法探索[J].电气电子教学学报,2013，35(1):107-108.