“虚拟仿真平台”在移动通信课程实验教学中的应用研究

孙豪 梁瑞 王国林

摘要：传统的“实验箱”式教学存在着成本昂贵，以验证性实验为主，调整的余地很小，与产出结合不够紧密等问题。而引入了“虚拟仿真平台”以后，可以大大降低实验室建设的成本;可以构建“以学生为中心，以产出为导向”的自主式、创新型、面向应用的、可灵活调整的实验教学环节。教师和学生均可以利用它提供的良好实验操作平台界面，借助它完备的器件模型库，设计并实施满足教学大纲要求的典型实验。它不但提高了学生自主学习的热情，锻炼了学生的综合实验能力和创新能力，而且促进了企业与学校、企业与学生之间的相互认识与相互交流，为三方今后的进一步互动打下坚实的基础，最终使本校的“应用型”人才培养能够更上一层楼。

关键词：虚拟仿真平台;移动通信;实验教学;学生中心;产出导向

中图分类号：G642      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）28-0266-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 概述

近期，随着教育部对高等学校教育的不断改革，“新工科”建设、“双一流”建设的不断深入，大学本科教学不断突出“以学生为中心，以产出为导向”的新式教育理念。基于该理念的客观影响，本校不断推进“应用型”人才培养模式的研究、建设与改进，因而为移动通信这门课程的实验教学改革提出了新的问题和新的挑战。

移动通信是一门理论性、实践性、技术性很强，多门学科交叉的综合性学科。它使学生熟悉并掌握GSM系统，WCDMA系统和LTE系统的基本原理、基本概念、基本技术、相关组网技术及应用，使学生能够分析一些简单的移动通信系统，能够应用移动通信的原理与技术分析阐述常见移动通信方式中信息传输的发送与接收原理，为移动通信系统的管理、维护、研究和开发打下必要的理论基础和技能。

实验教学是移动通信课程教学过程中一个非常重要的环节。学生首先根据实验方案动手构建实验系统，接着安全地开展实验、正确地采集实验数据、得到合理有效的实验结果，最后分析实验结果得出正确的结论。由此，学生可以直观地熟悉并掌握移动通信系统的工作原理、组成、结构及相关技术的应用，可以通过与同组学生的相互协作培养良好的沟通交流、组织协调和团队合作能力[1]。但是，传统的“实验箱”式教学在应对“以学生为中心，以产出为导向”这一新式教育理念时仍存在着许多难以克服的问题。因而，利用虚拟仿真平台这种全新的教学手段，进行移动通信课程的实验教学，践行“以学生为中心，以产出为导向”，最终推进本校“应用型”人才的培养，这是一项有意义的、有挑战性的研究。

2 利用“虚拟仿真平台”进行移动通信课程实验教学的优势

计算机、多媒体和人机交互等技术的高速发展带动了虚拟仿真技术的不断进步，虚拟仿真实验教学也逐渐地广泛应用于很多高等院校的实验教学中，它现在已经成为教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，也已经成为高校教师完成实验教学的一种重要的教学方式[2]。虚拟仿真实验教学可以通过构建高度仿真的虚拟实验环境、实验对象和实验元件，让学生更容易理解教学情境，更方便地开展实验活动[3]。在移动通信课程的实验教学中，利用“虚拟仿真平台”进行实验教学，具有以下三个方面的优势：

2.1 大大降低实验室建设的成本

传统的“实验箱”式教学均需要购买费用高昂的实验室设备，如果再考虑到设备的先进性、精密性与品牌效应，即使少量购买，这也是一笔难以负担的巨额成本。

引入“虚拟仿真平台”以后，除去必要的平台运行与维护的开销，移动通信实验所使用的某些虚拟元器件/元模块也可以应用于其他相关课程的虚拟实验教学中，这样既可以大大节省用于采购该课程实验硬件设备的資金，又可以辅助其他相关课程的实验室建设过程，从而大大减少实验室建设周期，为学校降低实验室建设的成本。

2.2 “以学生为中心”，构建自主式、创新型的实验教学

目前，大多数高校使用的“实验箱”式教学仍然是以验证性实验为主，这对学生的知识掌握、能力培养均具有一定的局限性。首先，“实验箱”式教学仅能满足对基本原理的验证，如移动通信技术中的调制和解调，扩频与解扩等，但与实际生活中由手机、基站、移动交换机等构建的蜂窝移动通信系统结构差距较大[4]。其次，“实验箱”式教学往往将多个系统模块集成在一起，学生在做实验时只需要进行简单的连线操作，就直接进入到观察并记录实验结果这一步骤，导致许多信号处理过程，如滤波、编码/解码、模数转换等，学生的理解并不透彻[5]。最后，“实验箱”式教学设计电路图固定，连线固定，实验结果也基本相差不大，学生只是按照实验指导书的操作步骤逐步验证，没有培养足够的创新意识和解决问题的综合能力。

引入“虚拟仿真平台”以后，教师和学生的实验自主性均大大增强[6]。教师既可以使用现有的器材模型构建课程实验大纲要求的典型实验，也可以根据学生的学习情况灵活设计个性化的典型实验;学生更可以根据各自的创意去构思、验证各种个性化的设计方案，自主完成实验的全过程，从而充分展示学生的创新性思维，让学生尽情感受学习的乐趣。

2.3 “以产出为导向”，构建面向应用的、可灵活调整的实验教学

移动通信技术发展的显著特点之一就是更新速度非常快，短短40多年的时间，移动通信系统就已经发展到了第五代。而传统的“实验箱”式教学所采用的实验设备只能限定于某型号、某代移动通信产品，学生利用其培养出来的实验能力并不一定能和他的就业需求建立较明确的对接关系，而且调整的余地很小，具有较明显的局限性。

引入“虚拟仿真平台”以后，创造性实验的导向性得到了明显的加强。以移动通信课程为例，学校可以借助这个平台，利用产学研项目与有意向的通信技术企业进行深度合作;企业则可以根据自身的特色和学生的具体学习情况，为学生制定一组面向实际应用的、可灵活调整的创造性实验。这样学生在做实验的过程中既锻炼了综合性实验能力，又进一步地了解了该企业的特色，最终为有意向的学生和企业之间奠定了良好的双向选择基础。

3 移动通信实验教学在“虚拟仿真平台”上的具体建设内容

为了更好地发挥“虚拟仿真平台”在移动通信实验教学中的作用，需要从以下四个方面进行建设：

3.1 实验操作平台界面

实验操作平台界面共分为六大部分，各部分应实现的功能如下表1所示：

3.2 学生、教师、教务管理员和系统管理员四种角色及其权限

为了更好地对本平台进行管理，系统建立了四种角色：学生、教师、教务管理员和系统管理员。这四种角色应具有的权限如下表2所示：

3.3 器件模型库及其具体构成

为了满足课程实验教学的需求，本系统应建设六大类器件模型库，每个器件模型库中具体包含的模块如下表3所示：

3.4 典型实验设计

本系统基于上述六大类器件模型库的支持，能够提供至少8个典型实验的设计与实施，可圆满实现移动通信课程实验教学大纲的要求。

教师在进行虚拟仿真平台实验教学设计时，具体的实验教学设计过程如下图1所示：

下面简要描述一下利用该“虚拟仿真平台”来进行移动通信实验教学的全过程：

1）教师给出典型实验题目

教师可结合线上教学实践，通过网上教学平台、QQ软件等方式向学生发布某个实验题目，明确学生的实验目标。

2）实验实施阶段

实验实施阶段可分为三个步骤来实现：

A.实验准备阶段

该阶段需要完成两件任务：学生分组和实验原理学习。

本人今年所带的移动通信课程有28名同学选修，因而可以将学生分为7个实验小组。由每组学生自行选举1人为小组长，由小组长统筹管理该小组的实验过程。

当学生获悉实验题目以后，学生应提前查阅相关文献，复习教材或在课上学习实验指导书中的相应知识来掌握本次实验的实验原理。

B.实验执行阶段

在这一阶段，每组学生既可以根据自己的创意设计实验方案，自主選择相应的实验元件/模块构建实验模型，验证实验结果，也可以直接参考实验指导书上的实验模型按步骤完成相关实验数据的采集，得出实验结论。本人强烈建议每组学生应至少有一次以上自主设计实验模型的经历。

C.实验过程评价阶段

在这一阶段，教师应随时关注每组学生的实验进度，积极解决学生实验过程中出现的各种问题，保证每组学生均顺利完成实验。同时，教师应尽可能多关注、多指导自主设计实验模型的学生，确保他们顺利实现自己的实验设计方案。

3）教师总结

教师通过每组学生的实验表现及实验报告的撰写情况进行评分，并从总体上总结该次实验的成功经验，实现教学相长，促进师生共同发展，共同进步。

4 结束语

综上所述，引入“虚拟仿真平台”以后，移动通信课程的实验室建设可以节省大量的实验经费，为学校节省了资金投入;可以进一步实践“以学生为中心，以产出为导向”的新式教育理念。这一方面提高了学生自主学习的热情，锻炼了学生的综合实验能力和创新能力;另一方面也为相关企业提供了一个良好的切入点，促进了企业与学校、企业与学生之间的相互认识与相互交流，为三方今后的进一步互动打下坚实的基础。本人希望“虚拟仿真平台”不但成功应用于移动通信这门课程，更积极拓展到其他课程，最终使本校的“应用型”人才培养能够更上一层楼。

参考文献：

[1] 王恩亮，姚玲，彭霞.移动通信虚拟仿真实验室建设研究[J].集宁师范学院学报，2019，41（4）：46-49.

[2] 郑云，吴怡.移动通信虚拟仿真实验教学中心的建设与管理[J].实验室研究与探索，2019，38（3）：127-131.

[3] 张泽，吕新，侯彤瑜，等.高校虚拟仿真实验教学中心建设探讨[J].教育教学论坛，2021（15）：80-83.

[4] 张莹，展慧，马华玲.仿真软件平台在“移动通信技术”课程实验教学中的应用[J].电脑知识与技术，2020，16（32）：101-102.

[5] 卫萌菡，魏明露，左亿.虚拟仿真实验在“移动通信”课程组网技术教学中的应用[J].无线互联科技，2019，16（18）：1-3.

[6] 李勇.移动通信系统虚拟仿真实验教学平台的创建[J].吉林工程技术师范学院学报，2021，37（3）：93-95，98.

【通联编辑：梁书】