基于虚拟仿真实验的通信原理教学改革探索与实践

游善红 曹洪龙 胡剑凌

摘   要：虚拟仿真实验教学在教育领域具有重要应用，是教育信息化的重要组成部分。本文以模拟信号数字化为切入点，阐述了“通信原理”虚拟仿真实验教学项目建设，并在此基础上探索基于虚拟仿真实验的通信原理教学改革思路与方法。充分发挥信息技术的优势，与通信原理在线开放课程结合开展虚拟仿真实验教学项目建设，有利于提高课程的信息化水平和教学质量，为创新人才培养奠定基础。

關键词：虚拟仿真实验  通信原理  在线课程

中图分类号：G642.0                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）11（a）-0203-04

Abstract： The virtual simulation experiment teaching is an important application of the information technology in higher education， and becomes an important part of educational informatization. This paper starts with analog to digital conversion， describes the construction of virtual simulation experimental teaching project and explores the idea and method of virtual simulation experiment-based teaching reform for the course of “Principle of Communication”. Combining with MOOC， the construction of the virtual simulation experiment teaching will greatly improve the experimental teaching informatization and teaching quality in higher education and lay a foundation for the training of innovative talents.

Key Words： Virtual simulation experiment; Principle of communication; Massive Open Online Course （MOOC）

2012年3月13日，教育部印发了《教育信息化十年发展规划（2011—2020）》[1]。发展规划要求推动信息技术与高等教育深度融合，创新人才培养模式。发展规划明确提出了创新优质数字教育资源共建共享机制、实现教育信息化可持续发展的新思路。支持网络课程互选及资源共建共享;鼓励企业和其他社会力量投入数字教育资源建设、提供个性化服务。显然，高等教育正面临着一场变革。根据国际在线教育的发展趋势及要求，教育部积极组织国内一些高校开展在线开放课程以及虚拟仿真实验教学中心的建设，我校也组织专家和老师进行研讨，学习国内外在线教育的先进理念，积极开展在线开放课程和虚拟仿真实验教学项目建设，推动在线教学改革与发展。

“网络虚拟实验”（Web-based Virtual Experiment），即虚拟仿真实验教学的概念早在20世纪末就已经提出，但受限于当时的网络环境和技术条件，直到2010年左右才开始进入快速发展阶段。国外较为著名的虚拟仿真实验平台有麻省理工学院的WebLab[2]、卡耐基梅隆开放学习计划中的虚拟实验室[3]等。国内较为成熟的虚拟仿真实验教学中心有清华大学的工程力学虚拟仿真实验室、浙江大学的虚拟电工电子网络实验室、中国科技大学的大学物理计算机仿真实验系统以及苏州大学纺织与服装专业的虚拟仿真实 验教学中心等。到2016年，教育部共成立了300个国家级虚拟仿真实验教学中心。2017年，教育部发文开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设，根据本科学科门类中专业类的当前布局和发展情况，结合高校专业类实验室建设情况和专业类实验教学信息化发展需求等因素，统筹规划到2020年建设1000项左右示范性虚拟仿真实验教学项目[4]。

在这样的时代背景下，结合学科和专业特点，充分发挥信息技术的优势，开展虚拟仿真实验教学项目建设，与通信原理在线课程结合，有利于提高课程的信息化水平和教学质量，为创新人才培养奠定基础。本文以模拟信号数字化作为切入点，介绍“通信原理”虚拟仿真实验教学项目建设，并在此基础上探索基于虚拟仿真实验的通信原理教学改革思路与方法。

1  虚拟仿真实验教学在通信原理教学中的意义

《通信原理》是通信工程、电子信息工程、信息工程等电子与电气信息类专业最为重要的专业基础课之一。它从理论上建立了完整的通信系统架构以及对通信信号和系统性能的分析方法和系统模型，从基带传输和带通传输分析通信系统的基本原理、过程以及信号在时域和频域的特性，同时对通信系统中的编码、调制、信道、接收等功能模块给出分析和设计方案。

《通信原理》课程注重“信息传输”的理论与工程应用的紧密结合，使学生深入理解通信系统的内涵和实质，为深入学习研究各类现代通信技术打下坚实基础。然而，在《通信原理》课程教学中，信号、信道等概念抽象，既看不到也摸不着，学生在有限的课时内很难系统地领悟各个知识点及其相互联系。因此，充分利用信息化时代在线教学资源，将虚拟仿真实验应用到课程教学中，将抽象的概念具体化、可视化，有助于学生对通信系统架构和模块以及通信过程中重要环节的理解和分析，为将来进行通信系统和网络的设计规划奠定坚实的基础。

随着通信技术的快速发展，由于受到资金及实验场地、实验时间的限制，通信实验室设备的升级和换代明显滞后于通信技术的发展速度。结合时代发展的特征，满足不同学生随时随地自主学习，自主设计的不同需求，有必要将虚拟仿真实验应用到通信原理的教学中，建立虚拟仿真实验，可以提醒学生提前进行预习，明确实验目的、理解实验原理，在实验过程中加入一些提示和重复，加深学生对实验操作步驟的了解，顺利完成实验并提交实验报告;另外，虚拟仿真实验可以有效避免学生在实验中误操作而带来的实验设备和实验室安全问题。还可以将老师的一些科研项目与虚拟仿真实验结合，让学生可以及时跟踪现代通信技术的发展趋势，了解现代的通信设备及技术的基本原理，建立从局部实验模块到整体实验系统的直观感性认识;通过虚拟仿真实验，实现不同层次学生个性化和差异化的培养目标，有利于创新人才的培养。

2  通信原理虚拟仿真实验教学项目建设

2.1 模拟信号数字化模块

数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统，其已成为当代通信技术的主流[5]。与模拟通信相比， 数字通信具有：抗干扰能力强，噪声不积累;传输差错可控;便于使用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储，可以将来自不同信源的信号综合到一起传输;易于集成、使通信设备微型化、重量减轻;易于加密处理，保密性好等优点，使得数字通信的应用越来越广泛。在数字通信系统中，如果信源给出的是模拟信号时，需要由信源编码器将模拟信号转换成数字信号，实现模拟信号的数字传输。信源编码是数字通信系统（如图1所示）中的一个主要组成模块，其有两个基本功能：一是通过压缩编码技术提高信息传输的有效性;另一个就是完成模/数（A/D）转换。在接收端的信源译码是信源编码的逆过程。

通过模/数转换中采样实验模块的虚拟仿真实验建设，学生可以通过个人终端远程进行模拟信号数字化的虚拟仿真实验操作。实验前，可以通过预习了解实验目的和基本原理。

在实验过程中，学生需要进行实验参数设置和实验操作（如图2所示），如果参数设置不合理或实验操作不正确，系统将对学生进行相应的提示和警告，并重复实验步骤，帮助学生完成实验，并加深对模拟信号数字化中采 样定理的理解。完成实验操作后，学生在网上填写和提交电子实验报告。由实验开课教师进行电子实验报告的批 改和成绩审定。模拟信号数字化采样实验的虚拟仿真实验教学项目的建设，探索了线上线下、虚实结合的通信原 理虚拟仿真实验方法，为后续的通信系统的虚拟仿真实验教学以及通信原理在线课程的开展奠定了基础。

2.2 通信系统的虚拟仿真实验

通信系统中有一些模块及实验是实际中难以实现的，比如高速的数字信号处理、不同条件下的真实信道、高速通信网络中的实时性能监测等。

通过虚拟仿真实验，模拟难以实 现的高速数字信号处理功能模块、运用不同条件下的信道模型和系统架构， 结合真实的信号传输实验，融合科研创新的成果，实现现代通信系统的实验教学，有利于创新人才的培养。

（1）基于不同信道模型的可见光通信定位系统。

发光二极管（Light Emitting Diode，LED）在用于照明的同时，还可以用于实现可见光通信定位，由于它工作在未授权频段，具有安全性高和抗电磁干扰强以及定位精度高等优点，在室内通信定位应用中引起了人们的广泛关注。

一个实用的室内可见光照明系统如图3所示，其中的信道包括了不同位置的LED的电力线信道和不同LED到接收端的可见光信道。分别采用不同的电力线信道模型和可见光信道模型，结合高速的数字信号处理技术，实现了高速且定位精度高的可见光通信

定位系统的虚拟仿真实验[6-7]。在大学生创新计划项目中，让学生自己设计实现，亲身体验了现代电力线通信和可见光通信定位融合技术在语音通信和定位系统中的应用。

（2）基于虚拟仿真光纤通信系统的实时光信噪比监测。

光纤通信正朝着高速、智能化和动态服务的全光网络方向发展。光信号在光纤中传输时会遭受到各种损伤， 实时的光性能监测对于光网络来说非常重要。光信噪比（Optical Signal-to- Noise Ratio，OSNR）是衡量光路性能的重要指标，传统的带外光信噪比的监测方式已不能满足光性能监测技术的发展要求。在大学生莙政基金项目中运用现代信息技术，基于虚拟仿真光通信系统，进行高速光纤通信系统中光信噪比的不同监测方法分析比较，其结果如图4所示[8]。

2.3 虚拟仿真实验教学平台

为了能够更好地推进现代信息技术与实验教学项目的深度融合，拓展实验教学内容的深度和广度，延伸实验教学的时间和空间，提升实验教学的质量和水平，苏州大学电子信息学院与苏州普源精电科技有限公司合作，基于Visual Studio集成开发环境，以C#为核心开发语言设计开发了虚拟仿真实验教学平台 UltraLab，其实验课流程如图5所示。在此平台上，老师可以发布不同的虚拟仿真实验教学内容，合理进行实验教学的设计与安排;学 生可以根据自己的时间自主进行实验 的预约、操作和完成实验，从学生的需求出发，有利于调动学生参与实验教学的积极性和主动性。

3  基于虚拟仿真实验的通信原理教学改革

3.1 虚拟仿真实验教学与传统实验教学的比较

传统的通信原理实验教学，由于 受到实验场地、实验时间以及实验设备的限制，仅开设了一些验证型实验，不能完全模拟实际的通信系统且学生必须根据教学安排到实验室进行硬件 实验，无法满足现代信息时代学生随 时随地自主学习和设计的需求。另外，传统实验教学的考核主要依赖学生的实验报告，由于受到实际教学资源和条件的限制，对于学生的实验操作过 程无法进行准确的评估和个性化指导，难以激发学生的兴趣和自主创新意识。

通过虚拟仿真实验教学平台，可以方便教师和学生之间的沟通。老师可以根据教学内容设计虚拟仿真实验， 并在虚拟仿真实验教学平台上定期发布;学生可以根据自己的时间预约，并在预约时间内完成实验，从学生的需求出发，注重对学生社会责任感的培养，激发學生自主学习的兴趣，调动学生的积极性和主动性。而且，虚拟仿真实验平台可以根据学生的操作步骤和过程进行实时的评分和针对性指导，并在此基础上进行信息统计分析，从而优化实验内容，改进实验教学方法和考核机制，使实验教学从原来的验证型向设计型、综合型、研究创新型方向发展，实现对不同层次、不同学生的个性化和差异化指导和培养。

3.2 虚拟仿真实验教学与在线开放课程相结合

大规模在线开放课程，即慕课（Massive Open Online Course， MOOC）是“互联网+教育”的产物。大力推动在线开放课程，是实现中国高等教育质量特别是人才培养质量“变轨超车”的关键一招。作为一种新型教学模式，它一方面打破了传统教育的时空界限，推倒学校的“围墙”，实现了优质教育资源的开放共享;另一方面，推动了信息技术与教育教学的深度融合，有效推进了高等教育在教学理念、教学方 法、教学模式等方面的变革，促进了教与学的创新。

《通信原理》课程是理论性和工程性都很强的学科，将在线开放课程和虚拟仿真实验教学应用到《通信原理》课程的教学中，进一步推动信息化环境下教学方法和教学手段的改革与创新，促进优质教育资源的应用与共享，有助于知识传授、能力培养、素质提高的协同实施。

4  结语

根据《通信原理》课程的特点，以模拟信号数字化为切入点，本文阐述了“通信原理”虚拟仿真实验教学项目建设，将通信原理课程中抽象的概念具体化和可视化，改善教学效果，并在此基础上探索基于虚拟仿真实验的通信原理教学改革思路与方法。充分发挥信息技术的优势，开展虚拟仿真实验教学项目建设，与通信原理在线开放课程结合，适应现代大学生成长的新特点、信息化时代教育教学的新规律，以提高学生实践能力和创新精神为核心，以电子信息专业类急需的实验教学信息化内容为指向，积极探索线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式，有利于提高课程的信息化水平和教学质量，为创新人才培养奠定基础。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 教育信息化十年发展规划（ 2011—2020）. 教技[2012] 5 号， http：//old.moe.gov.cn/publicfiles/business/htm lfiles/moe/s3342/201203/xxgk_133322.html.

[2] T.A. Fjeldly， M.S. Shur. Lab on the Web. Wiley-IEEE Press，2003.

[3] 张轶斌.开放教育资源开发与应用研究——以卡耐基梅隆大学的开放学习项目（OLI）为例[J].中国远程教育，2011（5）：56-53.

[4] 中华人民共和国教育部.教育部办公厅关于2017-2020 年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知.教技[2017]4号，http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s79 46/201707/t20170721_309819.html.

[5] 樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].7版.北京：国防工业出版社，2012.

[6] 丁俊杰.实用室内可见光通信连续干扰的消除[J].光通信研究，2017（4）：22-25.

[7] 陈浩哲.可见光通信定位集成系统仿真研究[J].光通信研究，2019（2）：15-18.

[8] 陈梦迟.光纤通信系统中光信噪比的监测分析[J].通信技术，2014，47（12）：1464-1468.