虚拟实验室在电子信息类课程教学中的应用

2014-10-22尹晓琦

黑龙江教育·高校研究与评估 2014年10期

摘要：文章以通信原理课程为例，从虚拟实验室的内涵与应用现状出发，系统地阐述了通信原理课程虚拟实验平台的创建路径。

关键词：虚拟实验室；通信原理；电子信息

中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2014）10-0027-02

在众多理工科高等院校中，电子信息类学科专业人才培养要求学生具有电子信息领域较宽的专业基础理论知识，并具有较强的实践技能和一定的工程意识及创新意识，具备分析问题、解决问题的能力以及计算机应用能力。在课程设置方面，除了必修的专业基础课程之外，还有高频电子线路、通信原理、数字信号处理、电磁场与电磁波、信息理论与编码等专业课程，相应的课程内容比较抽象，学生难以理解和掌握。

以通信原理课程为例，该门课程是高校电子信息类学科专业的必修主干课程。理论教学着眼于通信系统基本概念的讲解，其教材内容理论分析严谨，涉及概率统计和信号变换的相关知识，逻辑性较强，学生比较难以理解[1-2]，因此，必须辅之以实践环节来加深对通信理论的理解。传统的做法是借助于实验箱、示波器、信号测试仪等硬件实验设备来完成，实验项目大多是由固化在实验箱里的程序来完成的，而且项目有限，若要增加新的实验内容，则需重新购买实验模块。学生在做实验的过程中，按部就班地按实验步骤操作，观察固定的实验结果。这样一成不变的实验模式，忽略了对学生创造力的培养。针对上述教学过程存在的问题，提出了建立“虚拟通信实验室”的构想，既可以让学生自己设计通信系统来仿真，也可将系统仿真模型应用到课堂教学中，直观地在课堂上演示仿真的过程，提高教学效果。

一、虚拟实验室的内涵与应用现状

虚拟实验室是指由计算机网络技术、计算机仿真技术和虚拟仪器技术等综合生成的实验系统，可通过软件编程来模拟实际仪器，在计算机上虚拟出各种功能的实验仪器（例如：函数发生器、示波器、万用表等），用户也可以根据需要自己设计和定义各种仪器[3]。实验人员可以像在实际环境中一样完成各个实验项目，所获得实验效果甚至比在真实环境中所取得的还要好。

在国外，虚拟实验室的应用已十分普及。作为最早提出虚拟实验室概念的美国，从一开始就十分重视虚拟实验室的研究与开发，在很多大学里的普及应用也非常广泛。其中，麻省理工学院于1998年开发了网络远程实验室并投入使用，它提供了微电子学、电路设计两门课程的实验教学，学生可以在个人电脑上设计各种电路模型，然后通过测试设备来获取测试数据，验证自己的设计。美国的另一所大学俄勒冈大学物理系开发了物理实验网站，在网站上创建了力学、热学、天体物理及能量与环境等几十种虚拟实验。

近年来，国内有很多高校都根据各自的科研和教学现状创建了一些虚拟实验室。中国科技大学研究并开发了几何光学设计实验平台、物理仿真实验软件及大学物理虚拟实验教学系统；浙江大学以VRML为基础开发虚拟实验环境，创建了基于Web的虚拟化学实验系统，并实现了虚拟实验环境中的人机交互；同济大学则建成了虚拟现实实验室，可对建筑景观和结构来实现虚拟仿真。

二、通信原理课程虚拟实验平台的创建

LabVIEW是一种图形化的虚拟仪器开发环境，使用图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。它将软件和各种不同的测量仪器硬件和计算机集成在一起，建立虚拟仪器系统[4]。在通信原理虚拟实验平台的创建过程中，需要利用高效灵活的虚拟仪器仿真软件LabVIEW来完成各种测试。

（一）优化教学内容，为理论教学创建辅助平台

在教学辅助系统使用的过程中，以学生为主体，教师起指导作用。教师负责创设学习的资源和协作学习的环境。课题组选取合适的教学演示模块是教学成功的关键，必须是学生感兴趣的且能够让学生直观、易懂的。教学演示模块既要和教学内容紧密结合，又要能够调动学生学习的积极性，且由易到难地逐步渐进，同时又要有一定的设计空间，让学生能运用学过的虚拟仪器知识在已有教学演示模块的基础上创造发挥，扩展其功能。

（二）改革教学方法，分阶段实施辅助平台教学

将虚拟平台辅助教学法融入通信原理课程的教学过程，具体实施步骤如下。

第一阶段，系统建模。结合通信原理的基础理论知识，对课堂讲授的内容进行总体规划，在虚拟仪器工作平台上紧密联系教学内容，并采用层次化的设计方法进行总体架构的建模。通信原理的课程教学主要围绕模拟通信系统和数字通信系统两大类展开讨论，而两类系统中各自也涉及了多个章节的理论内容。以数字通信系统为例，总体上包括了信源的模数转换、数字调制与解调、同步技术、纠错编码及信道噪声等多个模块，而每个模块又涉及不同的理论章节，可进一步细化为不同形式的子模块。例如：数字调制模块可以分为振幅键控（ASK）、频率键控（FSK）、相移键控（PSK）等调制方式，每种调制方式分别对应一个子模块。

第二阶段，系统设计。根据系统的功能要求，利用虚拟仪器技术，采用模块化的设计方法，按层次设计系统的模型和用户界面。在设计过程中，将信号源控件、信号处理控件和信号显示控件等与用户交互的空间嵌入到系统的总体框图中，紧密联系课程教学内容，编写程序框图，完成相应前面板界面的设计，使得类似的信号波形可以在同一个显示控件中显示[5]。

例如：在数字通信系统中，采用QDPSK的方式对信道编码产生的数字信号进行载波调制，在设计相应的调制模块的过程中，采用虚拟仪器平台软件Labview来构建QDPSK调制软件包。针对QDPSK调制过程中的各个模块建立了有四进制基带信号生成子模块、抽样判决子模块、门电路子模块、信道子模块、2PSK调制子模块、2DPSK调制子模块等相应的子VI，最后进行QDPSK调制系统的顶层设计，通过仿真结果来验证系统的合理性及功能[6]。

第三阶段，系统应用。在虚拟仪器的工作平台上，通过前面板的设计和程序框图的编写，建立通信原理教学辅助系统，将其应用于课堂教学，使学生能够了解各类通信系统的工作过程，直观地看到通信信号的时域波形和频域功率谱等，从而加深了学生的感性认识和兴趣。教师在教学过程中引导学生自主学习和操作，让学生通过自己动手操作的过程体会到一个通信系统模型的建立从开始设计到最后实现过程中所遇到的各种问题，加深学生对书本理论知识的认知并提高学生处理问题的能力，激发学生的学习主动性，促使学生按计划完成学习任务，从而达到既定的教学目标。endprint

（三）加强实践教学环节，增加实验教学的灵活性

通信原理课程的教材内容理论性偏强，学生比较难于理解，通过更新完善实践教学环节，增加实验教学的灵活性，让学生带着问题学，加深学生对书本知识的理解。

该门课程的实验主要包括基础验证性、设计性和综合性实验等。基础验证性实验部分包括模拟和数字调制两大类。其中，模拟调制部分主要有幅度调制（AM调幅调制与解调、DSB调制与解调、SSB调制与解调）和频率调制（FM调制与解调）两种方式；数字调制部分主要有振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）三种方式。

在不改变课程实验学时的基础上，课程组教师对通信原理课程的实验大纲进行了调整，减少了验证性实验的学时，增加了相应的综合性实验的学时。对修订后的实验大纲的实施具体方案有如下几点。

第一，对于基础验证性实验，可安排在相应的理论课教学结束后进行，让学生“趁热打铁”，加深对理论知识的印象。鼓励学生利用课余时间对实验内容进行预习，设计前面板、编写程序框图并进行仿真，而在实验课上进行相关的硬件实验和软件仿真调试。

第二，将部分基础验证性实验和综合性实验相结合，通过综合性实验的开展来巩固加深对基础验证性实验内容的理解，这样不仅可减少基础验证性实验单独开设的学时，还可以让学生将多个基础验证性实验综合应用，从而提高学生从总体上把握通信系统实验操作的能力。

第三，增加实验教学的灵活性。除了用实验箱做硬件实验、用LabVIEW等软件平台做虚拟实验之外，还可以安排学生到电子设计自动化（EDA）实验室做设计性实验。通过融合实验箱硬件平台、EDA软件设计平台和计算机仿真平台，充分发挥各类实验平台的优点，提高实验效果[7]。

以通信原理课程为例，在电子信息类专业课程的教学过程中引入“虚拟实验室”作为辅助手段，是在新形势下对该门课程的教学改革实践的尝试，既可以将设计好的系统仿真模型应用到课堂教学中，直观地在课堂上演示仿真过程，也可以让学生自己设计通信系统来进行仿真实验，增加实验教学的灵活性，提高学生学习的自觉性和主动性，收到较好的教学效果。

参考文献：

[1]樊昌信.通信原理：第6版[M].北京：国防工业出版社，

2011：221-225.

[2]朱向庆，曾辉，陈志雄.通信原理课程教学改革的探索与

实践[J].黑龙江教育：高教研究与评估，2011，（1）.

[3]张重雄.虚拟仪器技术分析与设计[M].北京：电子工业

出版社，2007：214-218.

[4]陈锡辉，张银鸿.LabVIEW8.20程序设计[M].北京：清华

大学出版社，2007：102-123.

[5]刘保庆，张志平.基于虚拟仪器的通信原理实验系统

[J].价值工程，2011，（4）.

[6]尹晓琦.基于虚拟仪器的QDPSK调制系统的模块化设计