虚拟仿真技术在电子信息专业信号处理类课程中的教学改革探索

蒋乐勇，邹 孝，郑之伟

（湖南师范大学物理与电子科学学院，湖南 长沙 410081）

0 引言

近些年来，随着计算机软硬件以及信息技术快速发展，电子信息类课程的教学方法也发生了革命性的变化，虚拟仿真技术逐渐应用在教学领域中，形成一种新的教学模式，即虚拟仿真教学。虚拟仿真教学作为一种新兴的技术在高校教学中迅速崛起，在课程教学信息化中发挥了越来越重要的作用，如MATLAB Simulink、SystemView、keil、Labview、Multism、Proteus、Protel99se等虚拟仿真软件在各类专业课程教学中发挥的作用越来越不可替代。在上述诸多虚拟仿真软件中，MATLAB Simulink、Labview软件由于具备独特的优势使得其在信号处理类相关课程中尤其显得有优势。虚拟仿真技术在信号处理类课程中的教学应用中逐步得到重视，各种相关的教改成果也大量涌现，但在国内有些大学，特别是对于师资教学能力和资金投入不够的学校，需要进一步加强实践与探索。

1 虚拟仿真技术应用于信号处理类课程的教学改革方案

1.1 改革目标

（1）研究电子信息类专业信号处理类课程内容和特点，建立一套基于虚拟仿真的课程教学课件，加深学生对于教学理论的理解，以便学生分析和解决信息技术中的实际问题。

（2）在课堂教学中，提高学生的兴趣和理解程度，丰富课堂教学内容，改善课堂教学效果和质量。

（3）以学生为本，利用虚拟仿真将教学和实验实践、理论和应用很好结合，引导学生创新意识、培养学生创新能力，开拓学生思路，发挥其创造性，增强学生对课程学习的信心。

1.2 实施内容

图1 基于虚拟仿真平台的信号处理类课程改革框架

（1）以《通信原理》、《信号与系统》、《数字信号处理》、《Matlab及应用》等课程为核心，研究课程内容和契合点，选择和确定虚拟软件及虚拟仿真应用的课程知识点。

（2）改进课堂教学环节，将虚拟仿真技术引入课堂，在课堂理论授课过程中利用虚拟仿真将信号的工作状态和信息传输状态进行演示，将抽象的理论知识直观化、形象化，便于学生的理解和教师的讲授。

（3）适当调整现有专业实验教学方案，在专业实验前增加虚拟仿真预计实验现象和实验结果，在实验结束后，增加一些基于虚拟仿真的实验思考，在验证性实验基础上增加设计性实验，加强对课程内容的实际运用。

（4）在电子信息专业的课程设计和毕业设计中，由于基于虚拟仿真的系统不受实验器材品种、规格、经费的限制，因此将拓宽课题的选择范围；提供一些趣味性、综合性、创造性强方案，与工程实践相关联的课题供学生选择。

（5）逐步开展线上虚拟仿真教学，在实际教学过程中采用“线上-线下”虚实结合的教学模式，从而有利于学生根据自身学习情况和兴趣在课内外自学。

2 虚拟仿真技术应用于信号处理类课程的实施过程

（1）调整电子信息类专业信号处理类课程课程内容，简化理论内容，增加虚拟仿真课程内容和实践时间。以Matlab Simulink、Labview作为虚拟仿真软件开发工具，在这些课程教学内容上实现知识体系和虚拟仿真体系的初步融合。

（2）在课堂教学中，插入理论知识的实际运用案例，并利用虚拟仿真演示问题解决过程和解决效果。通过在教学模式方面的改进创新，灵活运用多种先进教学方法，有效的调动学生的学习积极性，促进学生的积极思考，激发学生的潜能，注重对学生理论知识运用的能力考查。

（3）在实验教学中，依托虚拟仿真实验教学平台让学生预习并进行虚拟验证，并诱导学生利用虚拟仿真预判实验过程和结果；在实验教学结束后，在内容相关基础上增加设计性问题，培养学生利用所学理论知识和验证性实验解决问题能力和创新意识。每个虚拟仿真项目实验项目按照“入门项目——基础项目——提升项目——综合项目”的递进步骤展开。

①学生自主进入虚拟仿真系统“入门项目”学习各种虚拟仪器的基本原理、结构分析、操作演示和应用范围，并进行在线考核。

②学生通过入门模块的学习后进入系统的“基础项目”，完成相应的学习和操作，记录仿真实验数据，并与参考结果比较。

③学生进入系统的“提升项目”，自主选择模块进行学习与仿真，并撰写相应的实验报告。

（4）学生通过系统提升模块中的任一学习模块可以进入到“综合项目”的学习，学生可根据实际需要进行开发创新性的项目，并利用虚拟仿真让学生将课堂理论知识真正应用到具体实践项目中。

（5）开发课程虚拟仿真平台网络平台，利用互联网搭建24小时开放的网络环境，构建自由探讨、团队合作、开放设计的虚实结合实验教学模式。教师在线答疑、评价，师生在线交流等。

3 虚拟仿真技术应用于信号处理类课程的成效

（1）丰富了教学内容，提高了学生的学习兴趣和主动性。在课堂教学中，利用虚拟仿真能够生动反映信息处理的流程、工作状态和相应的动作，将枯燥的内容转变为“看得见、摸得着”，让学生能够深层次把握教材的重要理论概念和专业基础知识。

（2）创新了实验模式，提高了学生实践性技能。通过实验教学与虚拟仿真结合、自主实验与创新拓展相结合、知识传授与创新能力培养相结合的教学设计，这种新模式既适合于学生课外的自主学习，又有利于学生进行创新性的自主实验，从而激发学生学习欲望，深化知识理解。

（3）节省了时间、空间和硬件成本资源。只要具备个人计算机和相应软件，虚拟仿真实验和实践活动可以在任何时间进行，不受实验室空间限制，所有操作都在计算机上虚拟完成，节省了硬件焊接、安装等工序时间，缩短了项目开发周期，发挥了虚拟仿真时效、经济的优势。

（4）实现了虚拟仿真技术资源的共享。“线上-线下”结合的虚拟仿真实验资源，既可以用于电子信息类专业的综合实验教学，还可扩展到不同专业、不同高校与不同省份。

4 结束语

将虚拟仿真技术应用到信息类相关课程教学环节中，实现了课程理论学习、实验教学和实践活动的有机结合。一方面克服了传统实验室先进仪器设备不足，使学生在课内外都可以学习课程相关的知识点，解决了信息处理课程教学中的难；另一方面利用虚拟仿真平台进行功能扩展型、综合应用型和创新型等多种形式的针对性训练，培养学生的分析、应用和创新能力。因此，虚拟仿真技术对于电子信息类专业信号处理类课程教学是非常有帮助和有意义的。