虚拟仿真技术在工科远程教育中的应用研究——以“5G通信实训”课程为例

姜育生 贺国旗 梁妮 陕西开放大学

●引言

实践教学是远程教育中一个重要的质量保证环节，特别是工科实践教学效果直接影响专业培养质量。由于远程教育工科实践教学受办学模式的限制，线下教学非常依赖实验设备，而远程教育由于长期缺乏资金的投入，设备老旧、损坏严重，甚至有些课程没有相关实验室，再加上授课的时间、地点不固定，以至于学生到课率很低；线上教学以教师演示的方式为主，在实践操作环节，和硬件相关的课程学生基本无法实施。无论是线上还是线下，学生基本没有进行实际操作，导致学生动手能力差，影响实践教学质量，严重制约远程教育工科专业的发展。因此，在远程教育中探索切实有效的工科实践教学的途径，成为目前迫切需要解决的问题。

虚拟仿真技术、云计算和大数据技术的融合为远程教育提供了契机，特别是虚拟仿真技术与网络的结合，使得远程教育的学生不受时空的限制，依托远程仿真平台，在个人电脑登录即可完成实验操作，为工科专业实践教学提供了一种行之有效的解决方案。

●虚拟仿真技术应用于远程教育的优势

虚拟仿真类实践教学摆脱了传统教学在时间和空间上的制约，实现了理论学习与实践运用的紧密结合，解决了远程教育实践教学中长期存在的问题。[1]虚拟仿真技术应用于远程教育具有以下优势。

1.解决远程教育的工学矛盾

远程教育有别于传统的全日制教育，学生的工学矛盾突出。受工作、家庭的影响，学习时间不固定，部分学生工作地点也经常变化，集中到校实践教学不现实。依靠虚拟仿真技术打造集教学、实践等功能于一体的综合性实践实训平台，让学生随时随地都能进行虚拟仿真实验，不受时间、地点的限制，具有很强的灵活性和便捷性，满足了学生的学习需求，缓解了工学矛盾，提高了学生实践操作的积极性。[2]

2.改善实践教学实验条件

由于远程教育长期的资金投入不足，几乎所有的远程工科类专业实验室都存在设备匮乏、老旧，甚至无相关实验室、实训基地等问题。这一点，从生均实验室面积、生均教学科研仪器设备值、实验开出率等统计数据来看也得到进一步验证。[3]而虚拟仿真平台可以有效改善实验条件，平台中所有的硬件设备都是以真实设备为原型，通过虚拟仿真技术构建出来的虚拟设备，包括应用场景、工具线缆等一并呈现出来，在外观上和真实设备环境几乎没有差异，操作配置也和真实设备一致。由于是在纯软件平台操作，所以没有实际损耗，没有操作频次的限制，不涉及操作者安全问题，只需要伴随技术的更新进行软件的升级，再没有其他额外的开支，大幅减少了实验设备经费的支出。学生在仿真平台上完成课程规划的所有实验，有效解决场景难复原、错误难复现以及部分破坏性实验问题，大幅改善实践教学条件。

3.激发学生实践操作兴趣

虚拟仿真技术可以将一些抽象、枯燥的知识，通过虚拟三维场景呈现出来，使学生操作时有身临其境的感觉，增强学生对所学知识的理解和掌握。虚拟仿真突破了实践教学对客观条件的依赖，改变了学生被动听讲的局面，学生在虚拟场景中可进行自主选择、分组操作，可反复进行试验。通过虚拟仿真教学，学生可以不断挑战自我，激发学习兴趣和求知欲，增强学习动机和学习效果，从而提升教学质量。

4.提升实践教学效率与效果

虚拟仿真技术和大数据、云计算等技术深度融合，对实验的操作实际上是对后台服务器数据的操作，所以整个实验过程并不会增加成本。而且，在虚拟仿真平台上进行实践操作，不受硬件条件制约，无需排队等待，无安全隐患，非常契合远程教育学生学习时间灵活的特点。学生在课程规定的时间内登录虚拟仿真平台进行实验操作，没有操作次数的限制，也可以在完成虚拟实验项目后，重现实验操作过程，实现对实验中问题的反向追溯。由教师和学生对实验过程进行评价，师生共同对实验结果进行分析与总结，实现对实验过程和实验结果的科学评价。教师还可以根据实际需求构建新的实验项目，不断完善、更新虚拟仿真实验项目。因此，虚拟仿真教学平台能提供更多的优质实验资源，提升实践教学质量。

●5G课程虚拟仿真教学实例

立足于远程教育实践教学内涵发展要求和无线通信行业特色，以虚拟仿真实训及故障检测为抓手，以满足5G基站建设与维护、5G核心网技术、5G网络规划与优化主干课程为主，同时兼顾数据通信、光传输技术与应用等支撑专业的5G全网通信综合实训，对换机、路由器、传输承载网、无线网络优化、无线接入网和核心网等实践操作能力有一定的要求，所有实践操作均需要相关实验室支撑。然而，受远程教育经费的限制，对于设备成本高、更新换代快的实验室，很难获得批建设，即便建设一两套，也仅限于教师演示，而无法满足人数众多的学生实训需求。所以，可以在5G通信综合实训中采用IUV_5G虚拟仿真平台，该平台以通信网络为应用场景，基于现网部署流程级真实设备，打造融“网络规划、网络配置、网络调试”于一体的、实现5G课程实训教学模拟的一站式训练平台，学生可以随时随地登录，反复实践操作，完成全流程学习，从而掌握通信设备的部署、配置、运维，以及站点设备安装调试、网络规划优化等岗位工作技能，真正实现向应用型人才转变。

1.实践教学实施平台

IUV_5G虚拟仿真平台依托华为云、阿里云等公有云设计，在真实还原5G网络中各设备类型与参数类型的基础上，全方位模拟端到端网络建设过程。以城市级网络建设案例高精度还原5G NSA/SA网络建设与优化流程。三个城市差异化场景布局，全方位呈现了5G网络端到建设与切片流程。点线面的5G实训技能点设计涵盖网络规划、网络配置、业务调试、网络优化等全岗位专业技能需求。数据、语音、视频优化分级，基础、进阶、专项优化逐级递进，全面适配不同技能层级。[4]

2.实践教学实施方法

采用“集中授课+分时练习+远程操作+在线调试”模式，以实际问题为中心、工程案例为载体，结合相应理论知识，采取参与式、案例式、情境式、探究式等多种方法，组织开展问题讨论、互动交流、过程体验和实践模拟等培训活动。以5G公共网络与专用网络为基础，构建涵盖5G网络系统架构、场景化部署方案、无线核心基础原理、关键技术与产业数字化应用等公专一体的课程体系，并通过5G虚拟仿真软件对六大模块与切片应用等内容进行讲解，以理论为驱动，以实训为引擎，理实一体，全面突破5G通信网络的重点和难点。

3.实践教学实施过程

5G虚拟仿真平台以轻量化与趣味化为目标，提供了拖放、输入、下拉、连线、点选等操作方式。操作过程可对网络设备、站点类型、终端进行拖放，可以对数据参数、计算结果进行输入或者下拉，可对设备对接、参数配置等进行连线或者点选。依次完成“无线网、核心网、承载网”的设备安装、数据配置，然后根据告警信息查找错误并修改，直至业务开通。[5]具体的学习场景如下。

课前：学生登录IUV-5G仿真平台进行仿真实验操作与预习，了解Optiion3x、Option2、Option4a三种网络架以及对应的网元、接口等基本知识点，针对每个知识点，平台均配有相应PPT、微课与教学视频，可以提前阅读思考，如有不明白的地方，可在论坛上讨论或将疑问带入课堂。

课中：教师通过IUV二级管理平台将课堂理论关联的实训数据推送给学生，并分模块进行操作演示；学生在教师的指导下完成对无线网、核心网、IP+光承载网的设备安装、接线、数据配置、结果验证。

课后：教师在系统上设置项目，学生登录平台后读取“实训项目”并逐一完成，整个实训过程不受时空限制，可记录，可监测，教师随时可以了解学生学习掌握程度，使用关联账号和学生同步操作，解决问题。

4.实践教学实施效果

5G通信实训是通信专业的核心课程，其实训教学中涉及的知识点多，内容抽象，尤其是无线通信过程的信令和数据无法通过直接观测，必须通过实验仪器呈现出来，由于缺乏必要的实验设备，实训环节一直流于形式。IUV_5G虚拟仿真实训平台的使用，极大地提升了学生的热情和参与度，统计数据显示，学生的实践时长、任务完成率、测试通过率等均大幅度提高，从教师和学生对实训的综合评价来看，在实践中引入虚拟仿真技术有效培养了学生分析问题、解决问题的能力，进一步强化了学生的动手操作能力，提升了实践教学的效果与质量。

5.实践教学评价体系

实践教学成果的评价是检验学生实践成果的重要手段，是评价实践教学目标实现与否的主要依据。根据OBE教育理念（学生中心、成果导向、持续改进），应在实践教学过程中采用“重实践过程、重目标达成度、重创新能力”的多元化评价体系，对实践效果进行全方位跟踪评价。利用虚拟仿真实践平台的信息化、网络化功能，对学生实践教学环节的学习过程进行把控、评价和记录，实现对实践教学环节的学生学习过程的记录、跟踪和监督。[6]要想保证实践教学能够达到预期的目标，既要对学生的实践成果进行评价，还要对实践教学实施的具体效果进行评价，并及时进行反馈，以便及时修正实践教学内容和评价体系，进而更好地检验教学内容的设计是否符合培养目标的需要。[7]在教学效果评价上，要关注学生在知识和能力等方面的变化，应采用持续评价、及时反馈的方法和策略来激励学生不断进步。[8]

●结束语

在远程教育中引入虚拟仿真技术，有效地解决了因硬件设备问题而导致的部分实践教学无法开展、达不到预期等问题，极大地缓解了工学矛盾，提升了实践教学的安全性，培养了学生的动手实践能力和应用创新能力，增强了学生的就业竞争力。[9]

然而，相较于复杂的工程网络环境，虚拟仿真平台无法做到和实际应用环境完全一致，笔者在部分环节还是做了一些简化，所以，在虚拟平台上的调试经验并不能完全应用在真实网络设备中。另外，在针对现网设备的操作中，不能反复操作，需要考虑时间和成本，安全意识也必须加强，这些也决定了虚拟仿真实验不能够完全代替传统实验，只能作为传统实验条件不足情况下的补充。[10]