摘要：將工科學(xué)生的理論知識轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用能力，是各高等院校培養(yǎng)單位致力于實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。在這樣的背景下，北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部為高年級本科生設(shè)置了專業(yè)課程設(shè)計(jì)的相關(guān)課程，提升學(xué)生的理論應(yīng)用能力。在課程的具體安排中，設(shè)計(jì)了無人集群應(yīng)急通信虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，通過科學(xué)設(shè)定實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、實(shí)驗(yàn)器材及參數(shù)、具體實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程，以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中遵循“虛實(shí)結(jié)合、開放共享、能實(shí)不虛”的教學(xué)理念，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，成為更符合現(xiàn)代社會需要的工科人才。

關(guān)鍵詞：專業(yè)課程設(shè)計(jì)虛擬仿真無人集群通信電磁場與電磁波

TeachingExplorationofCurriculumDesignforCommunicationandElectronicCircuitMajors

——TakingtheVirtualSimulationExperimentofUnmannedClusterEmergencyCommunicationasanExample

GAOJu

SchoolofInformationScienceandTechnology，BeijingUniversityofTechnology，Beijing，100124China

Abstract：Thegoalofvarioushighereducationinstitutionsistotransformthetheoreticalknowledgeofengineeringstudentsintopracticalapplicationabilities.Inthiscontext，InformationScienceDepartmentofBeijingUniversityofTechnologyhassetuprelevantcoursesonprofessionalcurriculum designforseniorundergraduatestudentstoenhancetheirtheoreticalapplicationabilities.Inthespecificarrangementofthecourse，avirtualsimulationexperimentforunmannedclusteremergencycommunicationwasdesigned.Byscientificallysettingexperimentalobjectives，equipmentandparameters，andimplementingspecificexperimentalprocesses，theexpectedteachingobjectiveswereachieved.Intheprocessofvirtualexperimentteaching，weadheretotheteachingphilosophyof"combiningvirtualandvirtuality，，opensharing，beingpracticalbutnotvirtual"，stimulatestudents'interestinlearning，cultivatetheirinnovativespiritandpracticalability，andbecomeengineeringtalentsthatbettermeettheneedsofmodernsociety.

KeyWords：Professionalcoursedesign;Virtualsimulation;Unmannedclustercommunication;Electromagneticfieldsandwaves

當(dāng)前社會對復(fù)合型人才的需求增多，對學(xué)生的實(shí)踐能力和實(shí)際操作能力也越來越重視[1-4]。對于工科專業(yè)的本科生來說，將所學(xué)的理論知識轉(zhuǎn)化成具體實(shí)驗(yàn)的能力就顯得尤為重要。所以，很多高校加入了一定數(shù)量的實(shí)驗(yàn)課程、專業(yè)課程設(shè)計(jì)等，以期為學(xué)生提供相應(yīng)的能力儲備，為日后的專業(yè)領(lǐng)域工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

通信電子線路專業(yè)課程設(shè)計(jì)的受眾學(xué)生主要是電子信息工程專業(yè)、通信工程專業(yè)的高年級學(xué)生，基本上完成專業(yè)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，亟須所學(xué)轉(zhuǎn)化成實(shí)際操作的能力，那么教師對于實(shí)驗(yàn)的有效設(shè)計(jì)可以很好地引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)開啟新的能力培養(yǎng)之路。本文以無人集群應(yīng)急通信虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為例，簡要介紹一些教學(xué)探索。

1無人集群應(yīng)急通信虛擬仿真設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)與選擇原因

該實(shí)驗(yàn)綜合學(xué)習(xí)應(yīng)急場景下無人機(jī)集群中的天線組成以及工作原理，將實(shí)驗(yàn)劃分為天線的工作原理認(rèn)知、天線性能仿真、天線發(fā)送的電磁波信號分析、搭載天線系統(tǒng)的無人機(jī)仿真與無人機(jī)群通信仿真4個實(shí)驗(yàn)?zāi)K，使學(xué)生了解天線的工作模式、電磁場與電磁波的基本原理以及通信原理，學(xué)習(xí)饋線、同軸線、SMA轉(zhuǎn)換頭以及天線的連接方法，掌握天線結(jié)構(gòu)參數(shù)與輻射特性之間的對應(yīng)關(guān)系并應(yīng)用于應(yīng)急場景中的通信系統(tǒng)調(diào)節(jié)[5，6]。本實(shí)驗(yàn)包括電磁場電磁波理論、偶極子天線、圓極化貼片天線、MIMO陣列天線以及主動縫隙天線的特性認(rèn)知、特征參數(shù)認(rèn)知及應(yīng)用設(shè)計(jì)[7，8]。通過對天線仿真環(huán)境和天線系統(tǒng)的搭建方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，熟練掌握四種典型天線的尺寸、阻抗匹配、增益以及方向圖特性，在不同的應(yīng)急通信場景中選擇合適的天線進(jìn)行通信。本實(shí)驗(yàn)主要涉及知識點(diǎn)如下。

（1）天線的仿真環(huán)境。天線的工作頻率（上下截止頻率）；天線的饋源：波導(dǎo)、同軸線、離散源；天線邊界條件：開放邊界條件、周期邊界條件、電壁邊界條件、磁壁邊界條件。（2）偶極子天線。掌握50歐姆同軸線與SMA連接器的連接方法，將偶極子天線作為主要輻射單元，學(xué)習(xí)增益和方向圖對信號傳輸?shù)挠绊?。主要知識點(diǎn)：偶極子天線的連接方法、方向圖。（3）圓極化貼片天線。圓極化天線可以抑制雨霧干擾和多徑效應(yīng)，適合應(yīng)用于環(huán)境不穩(wěn)定的救援場景。圓極化天線的實(shí)現(xiàn)條件是要激勵起兩個極化方向正交、幅度相等的、相位相差90°的線極化波。根據(jù)圓極化波的特性，模擬圓極化天線的應(yīng)用場景。主要知識點(diǎn)：圓極化貼片天線的結(jié)構(gòu)、垂直正交線極化波的激發(fā)原理、貼片天線的輻射方向圖和增益。（4）MIMO陣列天線。MIMO陣列天線是一種提高信道容量的天線，是現(xiàn)代通信的基礎(chǔ)。利用多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和發(fā)射天線功率的前提下，充分利用空間資源，成倍提高系統(tǒng)信道容量，提高通信質(zhì)量。主要知識點(diǎn)：MIMO的概念、MIMO系統(tǒng)的特點(diǎn)。（5）主動縫隙天線。主動縫隙天線也叫漏波天線，是一種在波導(dǎo)上開縫或開槽的雷達(dá)天線，使其具有向外輻射能量的功能，具有結(jié)構(gòu)簡單、低成本、頻率掃描等特點(diǎn)。由于其工作波長的特性，兼具穿透性和成像精度，適合用于檢測救援場景中被砂石掩埋的人或物。主要知識點(diǎn)：波導(dǎo)的工作原理、趨膚深度的概念、主動縫隙天線的輻射方向圖和增益。通過實(shí)驗(yàn)，可以幫助學(xué)生更好地理解前面學(xué)習(xí)過的重要的基礎(chǔ)理論。

選擇這個主題進(jìn)行虛擬仿真的原因有以下幾個方面。第一，無人集群設(shè)備價格昂貴。無人集群系統(tǒng)需要對多種類型無人平臺的協(xié)同管控能力、協(xié)同管控效果提供試驗(yàn)驗(yàn)證手段，提供萬臺并發(fā)的無人系統(tǒng)集群測試驗(yàn)證能力。受到成本約束、人力需求、實(shí)施難度、試驗(yàn)風(fēng)險等因素制約，試驗(yàn)必然采用虛擬仿真和實(shí)物相結(jié)合的方法，試驗(yàn)過程面臨硬件在環(huán)協(xié)同仿真、大規(guī)模時空關(guān)聯(lián)測試數(shù)據(jù)管理、智能無人集群系統(tǒng)的任務(wù)管理等關(guān)鍵技術(shù)難題。第二，應(yīng)急通信場景無法真實(shí)布局。應(yīng)急通信主要應(yīng)用于出現(xiàn)自然的、人為的突發(fā)性緊急情況的場景，如發(fā)生地震災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害、海洋災(zāi)害、氣象災(zāi)害等自然災(zāi)害，或區(qū)域內(nèi)舉辦大型活動時通信數(shù)據(jù)量劇增的情況。這類場景無法真實(shí)布局，只能通過虛擬仿真形式進(jìn)行模擬。第三，電磁場微波物理本質(zhì)與天線輻射特性無法直觀展示。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及無人機(jī)集群中天線組成以及工作原理分析，對于天線的工作原理、天線輻射特性、天線發(fā)送的電磁波信號等均無法直觀展示，需采用虛擬仿真方式來展現(xiàn)天線的電磁輻射特性及電磁場分布特性等[9-12]。

1.2實(shí)驗(yàn)器材及參數(shù)

1.2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)過程中主要會運(yùn)用到如下的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備（裝置或軟件等），如圖1至圖4為實(shí)驗(yàn)會用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

1.2.2幾種天線模型結(jié)構(gòu)及參數(shù)

（1）偶極子天線及其參數(shù)。

仿真所采用的偶極子天線模型如圖5所示。

（2）圓極化天線及參數(shù)。

天線工作在C頻段，中心頻點(diǎn)3.82GHz左右，能夠?qū)崿F(xiàn)圓極化性能。圖6和表1所示為其示意圖與詳細(xì)參數(shù)。

（3）MIMO天線。

天線工作在Ku頻段，工作帶寬達(dá)到了4GHz左右，能夠?qū)崿F(xiàn)寬角掃描。圖7和表2所示為MIMO天線陣列的示意圖及詳細(xì)參數(shù)。

1.3實(shí)驗(yàn)的實(shí)施過程及預(yù)期效果

1.3.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的系統(tǒng)由課程實(shí)驗(yàn)仿真平臺和虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)兩部分組成。仿真平臺采用虛擬技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)中用到的器材和設(shè)備，提供與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相似的實(shí)驗(yàn)環(huán)境；虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)提供全方位的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助功能，包括：實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)的開課管理、典型實(shí)驗(yàn)庫的維護(hù)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排、實(shí)驗(yàn)過程的指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的批改、實(shí)驗(yàn)成績統(tǒng)計(jì)查詢等功能，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境提供服務(wù)并開展應(yīng)用。

1.3.2實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)實(shí)施

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目標(biāo)是完整地仿真學(xué)習(xí)通信系統(tǒng)的工作過程，并直觀感受電磁波的發(fā)射、傳播以及接收的過程。本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)涵蓋通信電子線路基礎(chǔ)、通信原理、電磁場與電磁波、信號與系統(tǒng)等基本理論知識點(diǎn)，將所要教授的知識點(diǎn)，生動準(zhǔn)確地傳達(dá)給學(xué)生。同時，學(xué)生能夠動手操作練習(xí)所教授的內(nèi)容，并且加入考核。

（1）教學(xué)。

將天線設(shè)計(jì)的過程拆分和細(xì)化，從材料的選擇、工作頻帶、邊界條件到天線的工作諧振模式、輻射特性，形象地將天線的工作原理以及對應(yīng)的調(diào)控方式傳遞給學(xué)生。整個天線系統(tǒng)的搭建以及在不同應(yīng)急場景下天線種類的選擇，涉及通信電子線路、通信原理等通信領(lǐng)域的基本知識點(diǎn)，使學(xué)生更生動直觀地了解信號的產(chǎn)生、傳遞、接受的過程。

（2）練習(xí)。

教學(xué)內(nèi)容中，拆分的細(xì)節(jié)，都可反復(fù)自由操作和練習(xí)，如有錯誤應(yīng)有相應(yīng)的提示。

（3）考核。

檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，在無任何提示的情況下，在該系統(tǒng)內(nèi)完成一個應(yīng)急場景下無人機(jī)基站的搭建，對整個操作過程有記錄和考點(diǎn)設(shè)計(jì)機(jī)制，通過對記錄和考點(diǎn)操作的統(tǒng)計(jì)，能夠形成分值和報告。

1.3.3實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

（1）設(shè)備與輔材認(rèn)知。

將所有系統(tǒng)中涉及的設(shè)備、輔材、工具單獨(dú)建模，分別能夠進(jìn)行360°全方位的展示，并搭配文字說明，用于教學(xué)，讓學(xué)生達(dá)到認(rèn)知的效果；所有模型應(yīng)在該模塊的主界面中平鋪顯示，平鋪顯示的效果應(yīng)該是圖片加名稱，點(diǎn)擊某個圖片進(jìn)入該對應(yīng)模型的具體展示。

（2）天線輻射方式教學(xué)演示。

該模塊是對不同類型天線的認(rèn)知以及調(diào)控方式的學(xué)習(xí)。首先，進(jìn)入天線設(shè)計(jì)界面，對天線的工作上下截止頻率、天線材料、邊界條件以及饋源位置和方式進(jìn)行設(shè)定。其次，在天線結(jié)果界面中的輻射結(jié)果中看該設(shè)計(jì)參數(shù)下天線的輻射方式，整個天線認(rèn)知過程伴隨有文字解說。

（3）系統(tǒng)搭建教學(xué)演示。

該模塊是按照順序演示一個無人機(jī)基站從無到有的搭建過程，要求首先按照需求場景中對輻射特性的需求選擇合適的天線種類，依次按照指定順序，調(diào)節(jié)天線的輻射方向圖和工作頻率。將射頻器件逐個連接，安裝在無人機(jī)上。通過調(diào)整天線的俯仰角度和無人機(jī)位置，完成無人機(jī)基站的搭建，過程中伴隨有文字解說。

1.3.4預(yù)期效果

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目彌補(bǔ)了目前通信電子線路課程中無射頻前端工作原理演示的缺陷，通過對各種天線的仿真環(huán)境和輻射方式的認(rèn)知，使學(xué)生了解掌握通信信號的發(fā)射、傳遞、接收的過程；通過無人機(jī)基站的實(shí)景搭建，了解在實(shí)際特定場景需求中通信設(shè)備的工作方式以及工作模式。不僅使學(xué)生加深了理論知識，而且也掌握了整個通信鏈路中各設(shè)備的安裝與實(shí)際操作方式。經(jīng)過虛擬實(shí)驗(yàn)加深了學(xué)生對各類天線輻射特性的了解，深刻掌握了不同天線的應(yīng)用場景，并且通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)使得學(xué)生具備了更強(qiáng)地解決實(shí)際工程問題的能力。

2結(jié)語

通過上述實(shí)驗(yàn)，可以幫助學(xué)生以更直觀的形式回顧已學(xué)習(xí)的通信電子線路基礎(chǔ)、通信原理、電磁場與電磁波、信號與系統(tǒng)等專業(yè)基礎(chǔ)課和選修課只是，對基本理論知識有更深入地了解。借助搭建的實(shí)驗(yàn)平臺提升學(xué)生的理論知識實(shí)際應(yīng)用能力，為學(xué)生之后的工作或深入理論研究奠定更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這樣的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)就是依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，達(dá)到教學(xué)大綱要求的教學(xué)目標(biāo)。因此，可以在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中遵循“虛實(shí)結(jié)合、開放共享、能實(shí)不虛”的教學(xué)理念，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

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