新冠疫情背景下的通信原理实验教学改革探究

摘要：针对新冠疫情影响下，通信原理硬件实验不能正常开展，并结合在通信原理实验教学中存在的缺点和不足，设计了虚拟仿真和硬件视频教学相结合的教学方法。基于通信系统虚拟仿真软件System View，并以数字基带传输系统实验为例，介绍了System View虚拟仿真的实验流程，同时录制硬件教学视频辅助学生进行线上学习。一个学期的实验学习效果表明，System View虚拟仿真和观看硬件教学视频相结合的实验教学方法，能够有效地完成通信原理教学计划中的实验项目，加深通信理论知识的理解，培养学生自主设计研发综合性通信系统的能力。

关键词：通信原理;虚拟仿真;硬件教学视频

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）19-0132-02

通信原理是现代信息社会中的许多领域开展研究必备的理论基础。《通信原理》也是网络工程、通信、电子和自动化专业本科教学计划中的一门核心课程。通信原理的实践教学是实现高等学校人才培养理念和学院人才培养定位的重要手段之一[1，2]。

通信原理涉及的相关概念比较抽象、公式推导复杂，因此学生很难理解掌握。现有的硬件试验箱只能提供系统固有的实验，学生无法自主设计创新。目前，虚拟仿真和硬件实验相结合的方法成为实践教学的一种发展趋势，它能够提高学生的学习兴趣，根据理论知识自主设计实验系统，可以巩固通信理论并提高学生的创新能力[3-7]。今年更是受到新冠疫情的影响，虚拟仿真平台在通信原理的實验教学中起到了重要作用。本文将介绍基于System View 虚拟仿真平台的通信原理实验和硬件实验视频相结合的教学方法，并以数字基带传输系统实验为例，介绍System View虚拟仿真的实验流程。

1 传统的通信原理实践教学中存在的问题

教学手段方面，我校传统的通信原理实践教学采用湖北凌特电子技术有限公司的通信原理硬件试验箱来完成。在实验过程中，通常是老师先介绍实验原理;然后学生按照实验指导书提供的实验步骤连线，只要连线正确，示波器上就能输出波形;最后学生结合理论知识分析实验结果。这种盲目机械的实验教学容易挫伤学生的学习积极性。

实验内容方面，硬件实验平台模块化，实验内容之间往往相互独立，不利于学生对通信系统的综合理解;固定的实验内容限制了学生的自主设计和创新能力。

实验时间不灵活。由于硬件实验需要按照教学计划在规定的时间和地点使用，实验不能很好地配合理论知识学习。学生学习了理论知识后，需要在实验室之外的环境随时灵活地对感兴趣的内容进行实验，巩固理论知识的学习。

2 疫情下虚实结合的通信原理实验教学方法研究

2.1 基于System View 虚拟仿真平台的通信原理实验

基于System View 虚拟仿真平台进行通信原理实验，能够解决传统的硬件实验不能自由地设置参数并进行频谱分析的缺点，并且能够解决由于设备损坏导致实验结果有误的问题，降低了实验成本。学生自主设计通信系统，能够激发自主学习的热情，提高综合性系统的设计创新能力。下面以数字基带传输系统实验为例，对基于System View 虚拟仿真平台进行说明。

数字基带系统的基本结构如图1。发送滤波器将系统输入的基带脉冲转换为适合于信道传输的数字基带信号;数字基带信号在信道中传输，经常会由于信道特性的影响导致传输波形失真[8]。另一方面，数字基带信号在信道中不可避免地会遭受外界噪声的影响，可以通过眼图观察噪声对数字基带传输系统输出波形的影响;接收滤波器的主要作用就是接收信号，滤除带外噪声并均衡信道特性;抽样判决器在系统传输特性不理想的情况下，根据约定规则，对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，恢复数字基带信号。

首先，利用System view 平台建立数字基带传输系统仿真电路，如图2。

其次，设置电路中各模块的参数。系统的运行时间设为19999S，采样频率为1HZ。0号模块为加法器，1号模块为外界输入的加性高斯噪声，2号，5号，8号，13号，14号和16号模块为信号观察窗，3号模块能够实现逻辑异或功能，4号模块计算算术均值，6号模块实现增益为1的积分运算，9号模块输出为1HZ的2电平随机序列，11号和15号模块输出频率1HZ的采样信号，当7号模块接收数据大于100 时，停止系统仿真。在System view系统窗内运行该系统，然后转到分析窗观察各点的波形，分析窗各点输出波形如图3。在分析窗可以观察到接收滤波器输出波形的眼图，无噪声存在时输出波形的眼图和有噪声存在时输出波形的眼图分别见图4和图5，学生还可以随意设置噪声功率观察眼图的变化。在仿真过程中，学生可以灵活地改动实验参数，观察数字基带系统各个节点的波形变化，分析其原因，进一步理解该系统的工作特性。

观察实验结果并对实验结果进行分析，讨论输出结果与数字基带传输系统工作原理是否吻合，利用眼图进一步研究不同功率谱密度的噪声对该系统失真程度的影响。通过本实验，学生可以很好地理解数字基带传输系统的构成和信号传输的物理过程，通过每个功能模块的输出波形理解相关模块的作用，理解噪声通信系统传输质量的影响。

2.2 提前录制相关硬件实验的视频资料

由于疫情期间，学生无法进入实验室进行硬件实验的操作。在上实验课之前，教师提前进入实验室，录制相关硬件实验的视频资料，分享到学习群。学生可以提前观看视频资料进行预习，形成相关实验的感性认识，有助于增强学生对虚拟仿真实验的理解。教师可以在实验视频教学中融入通信相关的前沿知识和科研成果，提高学生的学业水平。另外，学生还可以通过网络交流工具直接与教师沟通实验的原理、步骤以及实验过程中遇到的问题，实现理论与实验知识相结合，真正提高学生应对问题的能力。

3 虚实结合的通信原理实验教学方法的优势

基于System View 虚拟仿真平台的通信原理实验可以完成教学大纲要求的所有实验项目，并且能够完成系统级的综合性实验。学生可以构建从信源到信宿的完整的模拟通信系统和数字通信系统，了解各模块的工作原理、功能以及各模块之间的关系，使课堂所学理论知识得以实际应用。学生可以根据自己的理解进行系统搭建和模块的设置，可以在调试系统过程中不断试错而不用担心损坏实验设备。实验过程简单直观，可以更大程度地调动学生自主思考的积极性，提高自主设计的热情。

另一方面，学生课前观看硬件实验的教学视频作为线上实验的补充。即使无法进入实验室，学生也可以实现软硬件相结合，使两种实验方式相互补充，相辅相成，使学生能够深入理解通信系统中的基本原理，提高綜合设计和自主创新的能力。

4 结论

虚拟仿真实验是国家教育发展的大趋势，本文针对疫情期间线上实验教学的特点，引入了基于System View 的虚拟仿真平台，学生可以自主设计分析通信系统，显著提高了学生自主学习的能力和对综合性系统设计研发的兴趣。录制硬件实验的教学视频作为虚拟仿真实验补充，增加学习方法的多样性。实践表明，虚拟仿真平台和硬件教学视频结合的教学方案能够提升传统实验教学的质量，提高学生的学习积极性和兴趣，提高学生对通信系统的综合理解和设计能力。

参考文献：

[1] 王茜.“通信原理”课程实践教学探讨[J]. 电气电子教学学报，2013（8）：114-116.

[2] 王海华. Matlab/Simulink 仿真在“通信原理”教学仿真中的应用研究[J]. 湖北理工学院学报 ，2015，31（3）：67-70.

[3] 王欣，展慧.基于LabVIEW的通信原理实验平台设计和教学体系研讨[J].教育现代化，2019，6（96）：204-205.

[4] 戴桂平.“虚实结合”的“通信原理与实践”实验教学研究[J].苏州市职业大学学报，2019，30（1）：83-88.

[5] 王冬梅，王秀芳，阚玲玲. 基于虚拟仿真平台的通信原理实验教学改革研究[J]. 科技经济导刊，2019，27（31）：133-134.

[6] 周娟，胡珍珍. 通信原理实验教学实践的思考[J]. 科技经济导刊，2019，27（36）：169.

[7] 赵春波，谭雪霏，徐娟娟.新工科背景下通信原理课程教学改革探索与实践[J].教育现代化，2019，6（71）：90-91.

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

收稿日期：2021-09-17

基金项目：曲阜师范大学实验技术研究项目（SJG201912）

作者简介：代凌云（1979—），女，山东昌邑人，研究生，曲阜师范大学副教授，研究方向：通信信号处理，数据挖掘。