李 利，韓 東，徐 池，賀 寅

（海軍大連艦艇學(xué)院 信息系統(tǒng)系，遼寧 大連 116018）

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)帶寬和速度日益提高，依托互聯(lián)網(wǎng)或軍綜網(wǎng)，為軍隊(duì)院校開展遠(yuǎn)程虛實(shí)一體實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式提供了可能。在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種全新的開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，可以很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室在經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地、器材及開放性等方面的限制，將有利地推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體制改革。與線下實(shí)驗(yàn)室結(jié)合，學(xué)員既可在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，也可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，教員可在線上直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)安排、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、報(bào)告批改和實(shí)驗(yàn)打分等，減少了實(shí)驗(yàn)室維護(hù)與管理方面的精力投入，節(jié)約資源，提高效率，從而構(gòu)建“線上”+“線下”互補(bǔ)的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

為了探索通信專業(yè)基礎(chǔ)課混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，依托線下“通信原理”實(shí)驗(yàn)室建設(shè)了信息通信在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在通信原理、信號(hào)與系統(tǒng)等課程的教學(xué)過程中實(shí)踐線上線下混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。論文給出在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建方案、實(shí)驗(yàn)案例對(duì)比分析和實(shí)踐應(yīng)用效果分析。

一、在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)目的和系統(tǒng)構(gòu)建

（一）建設(shè)目的和解決的教學(xué)問題

為推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體制改革，推進(jìn)在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)，構(gòu)建線上線下混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式更是實(shí)驗(yàn)教學(xué)體制改革的重要方向，建設(shè)在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以改善和解決以下教學(xué)問題。

（1）有效解決突發(fā)疫情情況下難以開展線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問題。當(dāng)前新冠肺炎疫情下，為解決停課不停學(xué)問題，在線教學(xué)成為當(dāng)前最有效的教學(xué)方式，然而目前的網(wǎng)課解決的絕大部分是理論授課部分，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)尤其是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容占比較大的課程的教學(xué)無法得到保證。依托基于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展線上線下混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)可有效解決這一突出問題。

（2）有效解決實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地承訓(xùn)能力不足與學(xué)員實(shí)驗(yàn)時(shí)間充突的矛盾，學(xué)員能在遠(yuǎn)端隨時(shí)、隨地、隨興完成課程實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新開發(fā)，通過分時(shí)錯(cuò)峰登陸解決了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)保障能力不足的問題；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與遠(yuǎn)端實(shí)驗(yàn)教學(xué)可并行進(jìn)行，與項(xiàng)目式課題式實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合，提升學(xué)員實(shí)驗(yàn)操作學(xué)習(xí)自主性。

（3）克服了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絾我?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容固定的問題，學(xué)員可以根據(jù)個(gè)人的學(xué)習(xí)進(jìn)度、學(xué)習(xí)時(shí)間及學(xué)習(xí)能力，安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間選擇擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)員實(shí)驗(yàn)的積極性，滿足個(gè)性化發(fā)展的教學(xué)要求。

（4）混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的建立，減少了教員在實(shí)驗(yàn)室維護(hù)與管理方面的工作時(shí)長，實(shí)驗(yàn)室可24 小時(shí)無人值守運(yùn)行，將教員精力解放到為學(xué)員指導(dǎo)答疑等方面，提升學(xué)員實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)深入程度。

（5）將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容無法展示的部分通過信息化圖形化展示給學(xué)員，使學(xué)員對(duì)知識(shí)點(diǎn)掌握速度更快，理解更深刻。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是教員課上教、學(xué)員課上學(xué)，是一種灌輸式的學(xué)習(xí)模式，其學(xué)習(xí)效果不佳。而線上線下混合式實(shí)驗(yàn)課教學(xué)模式則打破了這一學(xué)習(xí)壁壘，教員利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)下放學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)員在課下通過線上教學(xué)平臺(tái)，自主學(xué)習(xí)、隨時(shí)學(xué)習(xí)，對(duì)于學(xué)習(xí)中不理解的問題，線上與教員和同學(xué)進(jìn)行溝通交流。教員能把注意力集中在學(xué)員不理解的問題上，這種交流過程不僅提高了學(xué)員的自學(xué)能力和思維能力，而且也使教員在授課前掌握了本班學(xué)員實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的疑難點(diǎn)，從而有針對(duì)性地進(jìn)行備課，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。

混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式注重提高學(xué)員對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的理解能力。通過線上實(shí)驗(yàn)課教學(xué)，教員有針對(duì)性地講解難點(diǎn)，學(xué)員也可以在課堂上更加專注于主動(dòng)學(xué)習(xí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)有更深的理解。同時(shí)，結(jié)合在線實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)，學(xué)員在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作前多次進(jìn)行在線實(shí)驗(yàn)操作，熟悉整個(gè)操作過程和實(shí)驗(yàn)所需儀器。通過這種教學(xué)方法的改革，學(xué)員在進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，基本掌握了整個(gè)操作過程，提高了實(shí)驗(yàn)的成功率。

（二）信息通信在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的系統(tǒng)構(gòu)建

為了探索和實(shí)踐通信專業(yè)課程混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，立項(xiàng)建設(shè)了信息通信在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。平臺(tái)基于現(xiàn)有的通信原理實(shí)驗(yàn)室升級(jí)構(gòu)建，在現(xiàn)有線下實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上增加線上實(shí)驗(yàn)功能。只需在現(xiàn)有場(chǎng)地增設(shè)機(jī)柜一臺(tái)（內(nèi)置服務(wù)器、硬件實(shí)驗(yàn)?zāi)K和交換機(jī)）、布設(shè)網(wǎng)絡(luò)線路一條。系統(tǒng)可部署運(yùn)行于實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)、校園網(wǎng)、軍綜網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)。

該在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用“硬件設(shè)備—服務(wù)器（管理平臺(tái)）—客戶端瀏覽器”的B/S 架構(gòu)模式，所有硬件電路設(shè)備不直接連接客戶端，而是由服務(wù)器統(tǒng)一管理按需分配給每個(gè)用戶，客戶端在實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)量的數(shù)據(jù)均由后臺(tái)硬件電路實(shí)際產(chǎn)生，數(shù)據(jù)真實(shí)有效，與實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)完全相同，與純虛擬仿真系統(tǒng)有本質(zhì)的區(qū)別。實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用硬件板卡模式，集成在標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)箱中，機(jī)箱內(nèi)置于機(jī)柜中，占地面積小，方便安裝部署及后續(xù)課程擴(kuò)展。在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用3U 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱式結(jié)構(gòu)，客戶端學(xué)生實(shí)驗(yàn)均有實(shí)際硬件電路對(duì)應(yīng)，硬件資源動(dòng)態(tài)分配，每門課程能并發(fā)25 名學(xué)生同時(shí)實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)24 小時(shí)無人值守運(yùn)行，針對(duì)用戶數(shù)量較多的情況可分時(shí)登錄實(shí)驗(yàn)；多個(gè)平臺(tái)可級(jí)聯(lián)。支持信號(hào)與系統(tǒng)、通信原理課程，根據(jù)需要可進(jìn)一步擴(kuò)展數(shù)字信號(hào)處理、高頻電子線路和軟件無線電等課程。

操作平臺(tái)標(biāo)配多種以實(shí)際儀器面板設(shè)計(jì)的虛擬儀器，學(xué)生既能用虛擬儀器實(shí)時(shí)測(cè)量各種電信號(hào)，又能訓(xùn)練學(xué)生熟練使用實(shí)際儀器；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由網(wǎng)管軟件和操作平臺(tái)軟件支持，無需單獨(dú)安裝客戶端，學(xué)員能在電腦終端的瀏覽器上登陸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、搭建實(shí)驗(yàn)電路、配置實(shí)驗(yàn)電路各種參數(shù)、選擇測(cè)試點(diǎn)、操作虛擬儀器并實(shí)時(shí)測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、截取測(cè)試數(shù)據(jù)和波形和設(shè)計(jì)并上傳電子實(shí)驗(yàn)報(bào)告，如圖2 所示。

圖2 搭建電路、配置參數(shù)及觀測(cè)數(shù)據(jù)

二、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與新實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降陌咐龑?duì)比

以通信原理課程PCM 編譯碼實(shí)驗(yàn)為例。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，PCM 編碼用集成芯片實(shí)現(xiàn)，需要從信號(hào)源獲取輸入信號(hào)，輸入到PCM 模塊進(jìn)行編碼，后譯碼，經(jīng)由雙通道示波器顯示波形，如圖3 所示。

圖3 PCM 編譯碼實(shí)驗(yàn)原理圖

這個(gè)過程需要信號(hào)源、對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)K、示波器等設(shè)備；只能看到輸入模擬信號(hào)和輸出編碼數(shù)據(jù)，芯片完成的帶限、抽樣、量化及編碼過程無法看到，量化原理及PCM 編碼規(guī)則的具體體現(xiàn)學(xué)員也無法很好地與理論銜接，無法確定計(jì)算出的編碼值是否為輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)的值。學(xué)員更多只是看指導(dǎo)書連線，示波器只能觀測(cè)到原始信號(hào)及編碼后的信號(hào)，中間編碼過程無法通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，且大部分學(xué)員使用的示波器為雙通道示波器，無法同時(shí)觀測(cè)原始信號(hào)、編碼后信號(hào)、譯碼后還原信號(hào)及其他多路信號(hào)，學(xué)員對(duì)于其中原理掌握并不透徹。

新實(shí)驗(yàn)方式中，學(xué)員可以遠(yuǎn)程自由選擇對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，信號(hào)源和示波器可直接遠(yuǎn)程操作顯示，可以將PCM 編碼中整個(gè)過程中的多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)直接進(jìn)行觀測(cè)，包括設(shè)置輸入信號(hào)幅度頻率、帶限輸出、抽樣脈沖、編碼時(shí)鐘、編碼輸出、恢復(fù)時(shí)鐘、同步脈沖、濾波信號(hào)和譯碼輸出，可通過電子開關(guān)切換信號(hào)連通狀態(tài)。內(nèi)部信號(hào)流向簡(jiǎn)單明了，通俗易懂，且實(shí)驗(yàn)操作界面是4 通道示波器，滿足同時(shí)觀測(cè)多路信號(hào)的需要，示波器可以對(duì)任一觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行波形展示，示波器界面采用真實(shí)示波器面板，操作過程與真實(shí)儀器完全一致，達(dá)到和學(xué)員在實(shí)驗(yàn)室操作儀器同樣的效果。對(duì)抽樣、量化和編碼過程進(jìn)行深度分析展示，加深學(xué)員對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解程度。可根據(jù)學(xué)員實(shí)驗(yàn)進(jìn)度及興趣，擴(kuò)展完成二次開發(fā)等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)員可以遠(yuǎn)程將編寫的程序加載到硬件設(shè)備上，從系統(tǒng)得到硬件反饋，從而完善調(diào)整代碼功能?？梢罁?jù)學(xué)員學(xué)習(xí)程度，分層次提供部分二次開發(fā)代碼，針對(duì)性提高學(xué)員學(xué)習(xí)能力。學(xué)員完成實(shí)驗(yàn)后可在線提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教員可在線批改。該實(shí)驗(yàn)案例的在線實(shí)驗(yàn)過程如圖4—7 所示。

圖4 在線查閱實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

圖5 實(shí)驗(yàn)操作連接

圖6 實(shí)驗(yàn)儀器顯示界面

圖7 PCM 抽樣量化編碼過程

三、混合式實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降膽?yīng)用效果

2020 年初新冠肺炎疫情爆發(fā)后，海軍大連艦艇學(xué)院艦艇通信指揮專業(yè)、艦艇情電指揮專業(yè)的通信原理和信號(hào)與系統(tǒng)課程依托信息通信在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展了網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)，2021 年，課程組繼續(xù)針對(duì)此2 門課程實(shí)踐了線上線下混合式實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)課采取了一半學(xué)員線上一半學(xué)員線下的方式進(jìn)行，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)：

（1）實(shí)驗(yàn)完成度成效明顯。自應(yīng)用新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式以來，線上實(shí)驗(yàn)任務(wù)及時(shí)完成率100%。而線下實(shí)驗(yàn)由于學(xué)員不熟悉實(shí)驗(yàn)器材及實(shí)驗(yàn)箱老舊導(dǎo)致性能不良甚至故障等原因，課堂實(shí)驗(yàn)完成率不足50%。

（2）調(diào)課補(bǔ)課現(xiàn)象明顯減少。由于線下實(shí)驗(yàn)室容量有限，即使2 人一組實(shí)驗(yàn)，單批次人數(shù)也不超30 人，對(duì)于50 多人的班次，需要額外調(diào)課或補(bǔ)課，而當(dāng)堂實(shí)驗(yàn)任務(wù)沒有完成，則需要開放實(shí)驗(yàn)室學(xué)員額外補(bǔ)課完成實(shí)驗(yàn)，大大增加了學(xué)員和教員的時(shí)間投入。線下線上混合實(shí)驗(yàn)恰好能彌補(bǔ)此問題，實(shí)際授課過程中，指定線上實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目人為設(shè)定對(duì)學(xué)員限時(shí)一周開放，學(xué)員只要在限定時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)即可且不限地點(diǎn)，線上實(shí)驗(yàn)錯(cuò)時(shí)登陸總體上不限人數(shù)，而線下實(shí)驗(yàn)任務(wù)沒有完成的允許做線上實(shí)驗(yàn)彌補(bǔ)。由此，混合式實(shí)驗(yàn)方式線下補(bǔ)課補(bǔ)做率由60%降為0，同時(shí)也大大節(jié)約了教員和學(xué)員的時(shí)間和精力。

（3）學(xué)員積極性明顯提高，學(xué)習(xí)深度加深。從實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交質(zhì)量來看，線下實(shí)驗(yàn)學(xué)員能勉強(qiáng)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)且很少有人主動(dòng)完成拓展實(shí)驗(yàn)，而線上實(shí)驗(yàn)由于時(shí)間較充裕且實(shí)驗(yàn)進(jìn)程更加順利，使得學(xué)員積極性明顯提高，有30%的學(xué)員能主動(dòng)完成拓展實(shí)驗(yàn)，有10%的學(xué)員愿意嘗試二次開發(fā)功能。

（4）教員精力投入方向明顯轉(zhuǎn)變。線下實(shí)驗(yàn)教員要維護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，課前保障設(shè)備完好率，課后要檢查整理設(shè)備，大大占用了教員精力。而線上實(shí)驗(yàn)24 小時(shí)無人值守運(yùn)行，無需人工維護(hù)，教員的精力可大大轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)指導(dǎo)方向?；旌鲜綄?shí)驗(yàn)方式可使得教員管理維護(hù)時(shí)間降至原來的30%，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)時(shí)間提升至原來的200%以上。

四、結(jié)束語

基于信息通信在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，“線上”+“線下”混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式彌補(bǔ)了線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)不便開展的不足，與線下實(shí)驗(yàn)互補(bǔ)，且克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目固定且單一的缺點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)了不限時(shí)間、不限地點(diǎn)、不限人數(shù)的全開放實(shí)驗(yàn)。

實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，線上線下混合式實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ皆趯?shí)驗(yàn)完成度、減少調(diào)課補(bǔ)課、提高學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)深度及聚焦教員精力方面有顯著改進(jìn)和提高，線上實(shí)驗(yàn)效果不輸線下，是軍隊(duì)院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要發(fā)展方向。