摘 要：文章以通信原理課程為例，從虛擬實驗室的內(nèi)涵與應(yīng)用現(xiàn)狀出發(fā)，系統(tǒng)地闡述了通信原理課程虛擬實驗平臺的創(chuàng)建路徑。

關(guān)鍵詞：虛擬實驗室；通信原理；電子信息

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2014）10-0027-02

在眾多理工科高等院校中，電子信息類學科專業(yè)人才培養(yǎng)要求學生具有電子信息領(lǐng)域較寬的專業(yè)基礎(chǔ)理論知識，并具有較強的實踐技能和一定的工程意識及創(chuàng)新意識，具備分析問題、解決問題的能力以及計算機應(yīng)用能力。在課程設(shè)置方面，除了必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程之外，還有高頻電子線路、通信原理、數(shù)字信號處理、電磁場與電磁波、信息理論與編碼等專業(yè)課程，相應(yīng)的課程內(nèi)容比較抽象，學生難以理解和掌握。

以通信原理課程為例，該門課程是高校電子信息類學科專業(yè)的必修主干課程。理論教學著眼于通信系統(tǒng)基本概念的講解，其教材內(nèi)容理論分析嚴謹，涉及概率統(tǒng)計和信號變換的相關(guān)知識，邏輯性較強，學生比較難以理解[1-2]，因此，必須輔之以實踐環(huán)節(jié)來加深對通信理論的理解。傳統(tǒng)的做法是借助于實驗箱、示波器、信號測試儀等硬件實驗設(shè)備來完成，實驗項目大多是由固化在實驗箱里的程序來完成的，而且項目有限，若要增加新的實驗內(nèi)容，則需重新購買實驗?zāi)K。學生在做實驗的過程中，按部就班地按實驗步驟操作，觀察固定的實驗結(jié)果。這樣一成不變的實驗?zāi)Ｊ?，忽略了對學生創(chuàng)造力的培養(yǎng)。針對上述教學過程存在的問題，提出了建立“虛擬通信實驗室”的構(gòu)想，既可以讓學生自己設(shè)計通信系統(tǒng)來仿真，也可將系統(tǒng)仿真模型應(yīng)用到課堂教學中，直觀地在課堂上演示仿真的過程，提高教學效果。

一、虛擬實驗室的內(nèi)涵與應(yīng)用現(xiàn)狀

虛擬實驗室是指由計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機仿真技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)等綜合生成的實驗系統(tǒng)，可通過軟件編程來模擬實際儀器，在計算機上虛擬出各種功能的實驗儀器（例如：函數(shù)發(fā)生器、示波器、萬用表等），用戶也可以根據(jù)需要自己設(shè)計和定義各種儀器[3]。實驗人員可以像在實際環(huán)境中一樣完成各個實驗項目，所獲得實驗效果甚至比在真實環(huán)境中所取得的還要好。

在國外，虛擬實驗室的應(yīng)用已十分普及。作為最早提出虛擬實驗室概念的美國，從一開始就十分重視虛擬實驗室的研究與開發(fā)，在很多大學里的普及應(yīng)用也非常廣泛。其中，麻省理工學院于1998年開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)遠程實驗室并投入使用，它提供了微電子學、電路設(shè)計兩門課程的實驗教學，學生可以在個人電腦上設(shè)計各種電路模型，然后通過測試設(shè)備來獲取測試數(shù)據(jù)，驗證自己的設(shè)計。美國的另一所大學俄勒岡大學物理系開發(fā)了物理實驗網(wǎng)站，在網(wǎng)站上創(chuàng)建了力學、熱學、天體物理及能量與環(huán)境等幾十種虛擬實驗。

近年來，國內(nèi)有很多高校都根據(jù)各自的科研和教學現(xiàn)狀創(chuàng)建了一些虛擬實驗室。中國科技大學研究并開發(fā)了幾何光學設(shè)計實驗平臺、物理仿真實驗軟件及大學物理虛擬實驗教學系統(tǒng)；浙江大學以VRML為基礎(chǔ)開發(fā)虛擬實驗環(huán)境，創(chuàng)建了基于Web的虛擬化學實驗系統(tǒng)，并實現(xiàn)了虛擬實驗環(huán)境中的人機交互；同濟大學則建成了虛擬現(xiàn)實實驗室，可對建筑景觀和結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)虛擬仿真。

二、通信原理課程虛擬實驗平臺的創(chuàng)建

LabVIEW是一種圖形化的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，使用圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。它將軟件和各種不同的測量儀器硬件和計算機集成在一起，建立虛擬儀器系統(tǒng)[4]。在通信原理虛擬實驗平臺的創(chuàng)建過程中，需要利用高效靈活的虛擬儀器仿真軟件LabVIEW來完成各種測試。

（一）優(yōu)化教學內(nèi)容，為理論教學創(chuàng)建輔助平臺

在教學輔助系統(tǒng)使用的過程中，以學生為主體，教師起指導作用。教師負責創(chuàng)設(shè)學習的資源和協(xié)作學習的環(huán)境。課題組選取合適的教學演示模塊是教學成功的關(guān)鍵，必須是學生感興趣的且能夠讓學生直觀、易懂的。教學演示模塊既要和教學內(nèi)容緊密結(jié)合，又要能夠調(diào)動學生學習的積極性，且由易到難地逐步漸進，同時又要有一定的設(shè)計空間，讓學生能運用學過的虛擬儀器知識在已有教學演示模塊的基礎(chǔ)上創(chuàng)造發(fā)揮，擴展其功能。

（二）改革教學方法，分階段實施輔助平臺教學

將虛擬平臺輔助教學法融入通信原理課程的教學過程，具體實施步驟如下。

第一階段，系統(tǒng)建模。結(jié)合通信原理的基礎(chǔ)理論知識，對課堂講授的內(nèi)容進行總體規(guī)劃，在虛擬儀器工作平臺上緊密聯(lián)系教學內(nèi)容，并采用層次化的設(shè)計方法進行總體架構(gòu)的建模。通信原理的課程教學主要圍繞模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)兩大類展開討論，而兩類系統(tǒng)中各自也涉及了多個章節(jié)的理論內(nèi)容。以數(shù)字通信系統(tǒng)為例，總體上包括了信源的模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字調(diào)制與解調(diào)、同步技術(shù)、糾錯編碼及信道噪聲等多個模塊，而每個模塊又涉及不同的理論章節(jié)，可進一步細化為不同形式的子模塊。例如：數(shù)字調(diào)制模塊可以分為振幅鍵控（ASK）、頻率鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）等調(diào)制方式，每種調(diào)制方式分別對應(yīng)一個子模塊。

第二階段，系統(tǒng)設(shè)計。根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，利用虛擬儀器技術(shù)，采用模塊化的設(shè)計方法，按層次設(shè)計系統(tǒng)的模型和用戶界面。在設(shè)計過程中，將信號源控件、信號處理控件和信號顯示控件等與用戶交互的空間嵌入到系統(tǒng)的總體框圖中，緊密聯(lián)系課程教學內(nèi)容，編寫程序框圖，完成相應(yīng)前面板界面的設(shè)計，使得類似的信號波形可以在同一個顯示控件中顯示[5]。

例如：在數(shù)字通信系統(tǒng)中，采用QDPSK的方式對信道編碼產(chǎn)生的數(shù)字信號進行載波調(diào)制，在設(shè)計相應(yīng)的調(diào)制模塊的過程中，采用虛擬儀器平臺軟件Labview來構(gòu)建QDPSK調(diào)制軟件包。針對QDPSK調(diào)制過程中的各個模塊建立了有四進制基帶信號生成子模塊、抽樣判決子模塊、門電路子模塊、信道子模塊、2PSK調(diào)制子模塊、2DPSK調(diào)制子模塊等相應(yīng)的子VI，最后進行QDPSK調(diào)制系統(tǒng)的頂層設(shè)計，通過仿真結(jié)果來驗證系統(tǒng)的合理性及功能[6]。

第三階段，系統(tǒng)應(yīng)用。在虛擬儀器的工作平臺上，通過前面板的設(shè)計和程序框圖的編寫，建立通信原理教學輔助系統(tǒng)，將其應(yīng)用于課堂教學，使學生能夠了解各類通信系統(tǒng)的工作過程，直觀地看到通信信號的時域波形和頻域功率譜等，從而加深了學生的感性認識和興趣。教師在教學過程中引導學生自主學習和操作，讓學生通過自己動手操作的過程體會到一個通信系統(tǒng)模型的建立從開始設(shè)計到最后實現(xiàn)過程中所遇到的各種問題，加深學生對書本理論知識的認知并提高學生處理問題的能力，激發(fā)學生的學習主動性，促使學生按計劃完成學習任務(wù)，從而達到既定的教學目標。endprint

（三）加強實踐教學環(huán)節(jié)，增加實驗教學的靈活性

通信原理課程的教材內(nèi)容理論性偏強，學生比較難于理解，通過更新完善實踐教學環(huán)節(jié)，增加實驗教學的靈活性，讓學生帶著問題學，加深學生對書本知識的理解。

該門課程的實驗主要包括基礎(chǔ)驗證性、設(shè)計性和綜合性實驗等?；A(chǔ)驗證性實驗部分包括模擬和數(shù)字調(diào)制兩大類。其中，模擬調(diào)制部分主要有幅度調(diào)制（AM調(diào)幅調(diào)制與解調(diào)、DSB調(diào)制與解調(diào)、SSB調(diào)制與解調(diào)）和頻率調(diào)制（FM調(diào)制與解調(diào)）兩種方式；數(shù)字調(diào)制部分主要有振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）三種方式。

在不改變課程實驗學時的基礎(chǔ)上，課程組教師對通信原理課程的實驗大綱進行了調(diào)整，減少了驗證性實驗的學時，增加了相應(yīng)的綜合性實驗的學時。對修訂后的實驗大綱的實施具體方案有如下幾點。

第一，對于基礎(chǔ)驗證性實驗，可安排在相應(yīng)的理論課教學結(jié)束后進行，讓學生“趁熱打鐵”，加深對理論知識的印象。鼓勵學生利用課余時間對實驗內(nèi)容進行預習，設(shè)計前面板、編寫程序框圖并進行仿真，而在實驗課上進行相關(guān)的硬件實驗和軟件仿真調(diào)試。

第二，將部分基礎(chǔ)驗證性實驗和綜合性實驗相結(jié)合，通過綜合性實驗的開展來鞏固加深對基礎(chǔ)驗證性實驗內(nèi)容的理解，這樣不僅可減少基礎(chǔ)驗證性實驗單獨開設(shè)的學時，還可以讓學生將多個基礎(chǔ)驗證性實驗綜合應(yīng)用，從而提高學生從總體上把握通信系統(tǒng)實驗操作的能力。

第三，增加實驗教學的靈活性。除了用實驗箱做硬件實驗、用LabVIEW等軟件平臺做虛擬實驗之外，還可以安排學生到電子設(shè)計自動化（EDA）實驗室做設(shè)計性實驗。通過融合實驗箱硬件平臺、EDA軟件設(shè)計平臺和計算機仿真平臺，充分發(fā)揮各類實驗平臺的優(yōu)點，提高實驗效果[7]。

以通信原理課程為例，在電子信息類專業(yè)課程的教學過程中引入“虛擬實驗室”作為輔助手段，是在新形勢下對該門課程的教學改革實踐的嘗試，既可以將設(shè)計好的系統(tǒng)仿真模型應(yīng)用到課堂教學中，直觀地在課堂上演示仿真過程，也可以讓學生自己設(shè)計通信系統(tǒng)來進行仿真實驗，增加實驗教學的靈活性，提高學生學習的自覺性和主動性，收到較好的教學效果。

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