！兰兰 Ｑ ：兰望曼 ＣＮ１１—２０３４／Ｔ 第３４卷第５期２０１７年５月 Ｖｏ１．３４ Ｎｏ．５ Ｍａｙ．２０１７ ＤＯＩ：１０．１６７９１／ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｊｇ．２０１７．０５．０５５ 虚拟仿真实验教学中心建设 构建及管理 通信工程虚拟仿真实验教学 中心 武 一，周亚同，张 雯，张保敬，徐晓辉 （河北工业大学电子信息工程学院，天津３００４０１） 验ｍ 实㈨ｅｐ 摘 要：针对当前高校通信工程专业实验教学中存在的问题和改革形势，首先论述构建虚拟仿真实验教学中 心的必要性；然后介绍河北工业大学通信工程虚拟仿真实验教学中心的主体框架与层次，并以高频电子线 路、数字图像处理、光纤通信等课程为例，详细剖析一些典型虚拟仿真实验的内容、功能和效果；最后阐述在 技Ｌ兰 虚拟仿真实验教学中心管理制度建设方面的一些经验和体会。通信工程虚拟仿真实验教学中心的建设，丰 术＿鲁 富了本专业的实验结构体系，提升了学生的动手能力和学习兴趣。与 ｄ 关键词：通信工程；虚拟仿真；实验教学中心；实践教学 中图分类号：ＴＮ９１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－４９５６（２０１７）５－０２１８—０５ 管№ 蛆 理 Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｏｔ ｖｌ一 ● １ ● 工ｒｔｕａｌ１ ｓｉ● ｍｕｌａｔｉ１ ● ｏｎ ｅｘｐｅｎｍｅｎｔａ● １ｌ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｃｅｎｔｅｒ ｉｎ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｗｕ Ｙｉ，Ｚｈｏｕ Ｙａｔｏｎｇ，Ｚｈａｎｇ Ｗｅｎ，Ｚｈａｎｇ Ｂａｏｊ ｉｎｇ，Ｘｕ Ｘｉａｏｈｕｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００４０１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｆｏｒｍ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｎｅｃｅｓｓｉｔｙ ｏｆ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｖｉｒｔｕａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｃｅｎｔｅｒ，ａｎｄ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ａｎｄ ｈｉｅｒａｒｃｈｙ ｏｆ ｖｉｒｔｕａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｃｅｎｔｅｒ．Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｅｘａｍｐｌｅ ｏｆ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｄｉｇｉｔａｌ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｓｏｍｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｖｉｒｔｕａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａ１ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｖｉｒｔｕａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｃｅｎｔｅｒ ｅｎｒｉｃｈｅｓ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｓｔｕｄｅｎｔｓ’ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｌｅａｒｎｉｎｇ ｉｎｔｅｒｅｓｔ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｔｈｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｃｅｎｔｅｒ ａｂｏｕｔ ｒｅｌａｔｅｄ ｍａｊｏｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｖｉｒｔｕａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｃｅｎｔｅｒ；ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｔｅａｃｈｉｎｇ １通信工程实验教学面临的问题 国内很多高校都开设有通信工程本科专业，面对 通信技术的不断发展和通信系统的不断复杂化，传统 收稿日期：２０１６—１１—２３修改日期：２０１７—０１～０４ 基金项目：河北省教学改革项目（２０１５ＧＪＪＧ０１９）；教育部人文社会科学 实验教学方法已经不能满足新形势下的学习需求＿】］。 当前通信工程实验教学面临如下问题： （１）经费问题限制了实验设备的选购、维修和更 新换代，从而导致实验内容长期得不到更新，这与通信 工程技术更新快的特点不匹配。在实验内容过于单一 的情况下，实验教学目标难以达到，更不能达到学生广 研究规划基金项目（１５ＹＪＡ６３０１０８）资助 作者简介：武一（１９６４一），女，天津，博士，教授，河北工业大学电信学院 副院长，主管教学工作，长期从事电信学院本科生教学管理 和实验室建设等 泛参与设计型和创新型实验的目的。 （２）通信行业中的部分传统实验需要焊接过程和 强电设备支持，存在一定的危险性，学生在不会使用的 情况下容易发生危险，造成人身伤害。 （３）一些通信类实验过程相对复杂，使得实验效 通信作者：周亚同（１９７３一），男，湖北松滋，博士，教授，河北工业大学通 信工程系系主任，长期从事通信工程专业的教学管理、科学 研究及实验室建设等． Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｙｔ＠ｈｅｂｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ 率降低，实验效果得不到充分的保证。 （４）高校扩招和学生人数增加，导致部分高校通 武一，等：通信工程虚拟仿真实验教学中心构建及管理 信工程实验室条件在一定程度上不能满足学生的 需求。 上降低了实验教学成本，为更多学生提供了自主学习 的实验环境，缓解了实验设备后期维护压力，实验效果 更佳。 （２）中心给学生提供了可靠安全的实验方法，避 免了部分实验项目的高消耗［３］。不仅可提供大胆思路 给学生，而且在操作过程中学生不必担心接线错误和 任意改变元器件带来的危险。 ２通信工程虚拟仿真实验教学中心构建 ２．１虚拟仿真实验教学含义 虚拟仿真实验教学不局限于地点和时间，学生可 以通过通信工程虚拟仿真实验中心（下称中心）提供的 虚拟器材自己动手连接和调试实验模型，并可在此基 础上进行改进。虚拟仿真实验教学丰富了实物实验的 教学内容，能够在实物实验基础上提供相对复杂的实 验内容，增强学生的动手创新能力、提高学生学习的积 极性［２］。 ２．２构建中心的必要性 （３）中心使得实验更加方便和高效，缩短了实验 时间，达到学生自己动手实验的目的，教学目标更加明 确，提高教学效率，发散学生思维，积累实践经验，有利 于提高实物实验的成功率，使理论与实际更好地相结 合，更加符合高校开设实验教学课程的初衷。 ２．３中心主体框架 针对当前通信工程实验教学中面临的问题，我校 虚拟仿真实验教学的引入使目前传统的实验教学 体系上升到了更高水平和层级。图１是中心主体框 架。该框架包括通用软件虚拟仿真实验教学中心、通 信电子线路虚拟仿真实验教学中心、通信信号处理虚 拟仿真实验教学中心、通信传输模式虚拟仿真实验教 学中心、虚拟仿真实验教学管理中心等。 通信工程专业引人虚拟仿真实验教学内容，使得虚拟 仿真实验教学与实物实验教学相互结合和补充，进而 构建比以往更加完善的通信工程虚拟仿真实验教学 中心。 （１）中心不仅丰富了实验内容，而且在很大程度 通信工程虚拟仿真实验教学平台 通用软件虚拟仿真Ｉ Ｉ通信电子线路虚拟Ｉ ｌ通信信号处理虚拟Ｉ ｌ通信传输模式虚拟ｌ ｌ虚拟堕真实 教学 实验教学平台 『Ｉ仿真实验教学平台Ｉ ｌｆ方真实验教学平台ｌ Ｉ仿真实验教学平台ｌ 管理平台 ｌ摹『Ｉ ｆ喜『Ｉ萎『Ｉ霎ｆ ｆＩ蓦Ｉ ｆ萎ｌＪ 薹『ｌ雾 ｌＩ囊ｆ ｌｆ ｌｊ 图１ 河北工业大学通信工程专业虚拟仿真实验教学中心主体框架 ２．４中心的层次 如图２所示，中心主要分为４个层次，分别为设计 型实验、综合型实验、基础型实验和演示型实验。４种 实验类型相互结合、相互补充，形成了完整的虚拟仿真 实验教学中心，从认知能力、动手能力、思维能力和创 新能力等各方面提升学生的素质。 ３典型的通信工程虚拟仿真实验设计剖析 中心包涵有大量的虚拟仿真实验，涵盖了本专业 的大部分相关课程，本文挑选几个典型实例进行剖析。 ３．１高频电子线路虚拟仿真实验 图２ 河北工业大学通信工程虚拟仿真实验层次图 传统高频电子线路实验主要包括场效应管谐振放 一大器、高频谐振功率放大器等典型实验。中心可以交 叉构建相关的电路原理图［４］，对实验进行设计、仿真和 些能够实现的传统电路的实验结果，将２种实验方 式的结果进行对比和分析 。学生可以在短时间内深 调试，并且可在传统实验基础上进行改进，还可以结合 刻体会到电路中信号的变化情况，教学效果得到显著 提高，以基极调幅电路为例阐释。 ３．１．１ 实验项目：基极调幅电路 （３）了解电路的输出波形为何失真和一些消除失 真的办法。 ３．１．２ 实验功能和效果 （１）熟悉高频电子线路仿真方法，理解基极调幅 电路的实现原理，了解并熟悉电路工程分析法。 在虚拟仿真中心工作区中搭建基极调幅电路，要 （２）熟悉调幅波中的各个参数定义以及测量方 法，了解每个电压量对于电路的影响，综合考虑载波输 求晶体管工作处于欠压状态，即偏置电压设定在一定 范围内，不能太大，并分析晶体管工作特性曲线。图３ 入电压和调制输入电压值。 为基极调幅电路虚拟仿真效果图。 曼！竺！：竺 ： ！竺！ Ｉ】■［］●Ｌ ＝＝二二，［— ！一—］ 二＿二三二二＿＿二—－二 二 Ｂ 壮轴 Ｊ￥ｃｕ，山 邮。 ■ 帅 。 －匝 ■龟ｑ皇ｇ 户日翻● ・田－＿口口 ．－．Ｅ巫 Ｉ．二二二］ｔ …． — ｉ 一Ｊ ■｜｜■●・ 图３ 高频电子线路课程的基极调幅电路仿真效果图 ３．２数字图像处理虚拟仿真实验 数字图像处理虚拟仿真中心可以广泛应用于图像 增强、编码、分割等相关实验中，针对用户对图像效果 提出的不同要求，分别实现图像的不同处理操作，以数 字图像恢复虚拟仿真为例阐释。 ３．２．１ 实验项目：数字图像恢复 数字图像恢复是图像处理的一个重要分支，对畸 变或退化后的图像进行恢复处理，包括图像复原或修 复等处理手段 。主要是为了改善视觉效果，以最大 的保真度恢复原来的图像。图像恢复质量不仅根据主 观感受来判断，而且也根据一些客观的衡量标准进行 判断。 ３．２．２ 实验功能和效果 在虚拟仿真实验中心上对退化图像建立退化数学 模型，最大限度恢复图像的本来面目。在提取的图像 特征上做进一步分析和理解，根据得到的图像颜色和 图．‘ 图像复原和修复虚拟仿真效果图 纹理等特征，进行图像恢复工作。图像恢复虚拟仿真 效果如图４所示。 一，等：通信Ｔ 晡拟ｆ『Ｊ 蚧教 ：ＩｆＩ心构北及僻 ３．３光纤通信虚拟仿真实验 光纤通信实验本身成本比较高，而且发展速度快， 很适合用于虚拟仿真实验操作 ］，以光波分复用及光 时分复用为例进行阐释。 ３．３．１ 实验项目：光波分复用和时分复用 （１）在光复用器与解复用器搭建多个信道的光波 分复用系统基础上，研究基于直接调制与间接调制方 法传输多路高速率信号的光波分复用系统［８］。 （２）根据间接调制原理，采用光复用器、解复用器 及光时延器搭建多个信道的光时分复用系统。 （３）研究光复用器间隔及光纤参数系统的影响对 通信容量和信息网络建设的意义。 ３．３．２ 实验功能和效果 在光直接调制以及间接调制原理的基础上，理解 搭建的光波分复用及光时分复用光纤通信系统，并比 较２种复用方式的区别和特点。通过系统总体方案设 计、模型搭建、仿真结果的对比，得到最优的光波分复 用及时分复用通信系统。图５和图６分别为光波分复 用和时分复用系统虚拟仿真框图。 图５ 光波分复用系统虚拟仿真框图 ｒ应一＝ 一引 ｒ 一＝ 匣一 ～翱 ～厂＝ 一 ｒ＝ 图６ 光时分复用系统虚拟仿真框图 实验技术与管理 ４通信工程虚拟仿真实验中心的管理 ４．１实验教师队伍建设 学校的政策规定。 （５）实验教师定期更新虚拟仿真中心中的实验内 容，定期讨论实验教学内容，实验教学做到全面开放。 （６）学生可以通过虚拟实验中心交流心得体会， 教师通过中心进行难点答疑和实验结果批阅，并且答 疑和批阅要制度化。 与实物实验不同，虚拟仿真实验对于实验教师队 伍的教学能力要求更高。增强教师队伍在虚拟教学实 验操作方面的水平，是优秀实验教师队伍建设的核心。 具体可采取如下措施： （１）集中校内外丰富的教育资源，优化实验教学 教师队伍，积极探索实验教师培训机制和管理新 ５ 结语 结合我校通信工程专业实验教学现状，构建虚拟 体制 。 （２）充分发挥优秀实验教师的带头作用，在所涉 及的教学内容和课程体系基础上，进行学术讨论和经 验交流，以此带动整个教师队伍水平口。。。 （３）建立和完善奖励和鼓励办法，进一步探索专 职实验室教师聘用新方式，进一步健全实验室学生助 管制度。 （４）促进实验教学和科学研究结合，激励更多的 研究型教师参与到实验教学工作中来。 ４．２通信工程虚拟仿真实验研发能力培养建设 虚拟仿真实验研发能力的培养建设还需要进一步 提升。建设方向主要涵盖以下几个方面： （１）研究型教师将有代表性的科研成果引入到仿 真中心，给实验内容注入创新思维［１ 。 （２）学生在电子设计大赛中获奖的作品，以及平 时在电子科协完成的实验成果引入到虚拟实验中心 中，作为实验资源提供给学生作为学习教材，从而激发 更多学生自主学习的积极性。 （３）通过和通信行业的不同科技公司合作，共同 研究和探索通信工程相关虚拟实验项目，将联合研发 的部分内容引入到实验中心，丰富相关实验内容，使学 生能够了解到目前最新的最具代表性的应用型实验内 容［１ ，更好地做到理论知识和实际应用相结合。 ４．３通信工程虚拟仿真实验室制度建设 实验室制度建设是虚拟仿真实验教学中心管理过 程中相当重要的一部分。考虑到通信工程实物实验和 虚拟仿真实验是互为补充的，因此制度建设需要从各 方面进行综合规划。具体制度建设包括： （１）保证实物实验室的安全和实验室定期开放， 实验教师做到定期检查ｒ１引。 （２）实验室仪器设备需要定期检验和维护，对出 现问题的设备和仪器定期维修和更新，贵重实验仪器 设备要重点维护。 （３）教师和学生科研活动要尊重实验室以科研和 学习为目的和前提，鼓励实验探讨和演示操作。 （４）虚拟和实物实验仪器经费预算比例需要符合 仿真实验中心并进行有效管理是一种全新的改革和创 新，在很大程度上激发了学生对实验的兴趣，从而提高 了整体教学质量。本文介绍了我校通信工程虚拟仿真 实验教学中心的主体框架与层次，并以高频电子线路、 数字图像处理、光纤通信等课程为例，详细剖析了虚拟 仿真实验的内容、功能和效果。最后阐述在中心管理 制度建设方面的一些经验和体会。当前中心的一个不 足是部分研制开发的虚拟实验模块水平高低不一、少 数引进的实验模块所涉知识范围和我校理论教学内容 不匹配等。未来会根据学校的实际情况不断改进，在 实践中不断摸索进步。 参考文献【Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ） Ｅ１］余筱洁，周存山，符庆功，等．开放式虚拟实验中心构建及其管理模 式［刀．安徽农学通报，２０１１，１７（２２）：１１９—１２０． ［２１李安，周南润，王玉嗥．通信工程国家级特色专业虚拟实验室建设与 实践口］．实验室研究与探索，２０１３，３２（１）：１５０—１５４． ［３］沈建华，李飞，程崇虎，等．通信与信息网络国家级虚拟仿真实验教 学中心建设与实践［Ｊ］．实验室研究与探索，２０１５，３４（Ｏ１）： １６１－１６４． ［４］耿艳香，朱根生，刘志盼，等．基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ高频电子线路实验中心 设计的探讨口］．２０１２，１５（３）：１１７—１１９． ［５］韩钰，郑金亮，李剑．高频电子线路虚拟实验室建设方案初探［Ｊ］．中 国科学信息，２０１３（２４）；５１—５２． Ｅ６］孟昕．运动模糊图像的处理与恢复研究［Ｄ］．合肥：安徽大学，２００７． ［７１李萍．高频电子线路教学中仿真软件的应用研究［Ｊ］．无线互联科 技，２０１３（１２）：２４４—２４５． ［８］杨絮，朱一峰，陈桂芬．光纤通信系统仿真技术在实验教学中的应用 口］．中国科教创新导刊，２００９（３４）：４８． ［９］徐文云．实验与仿真在光纤通信教学改革中的应用研究［Ｊ１．重庆邮 电大学学报（社会科学版），２００７（６）：１８３—１８６． ［１０］郭晓菲，王雷全．通信工程专业开放式虚拟实验中心构建口］．计算 机教育，２０１４（１Ｏ）：９０—９３ 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