應用型本科院校通信工程專業虛擬仿真實驗室的建設

陳 英，王路露，張竹嫻，周 遠，劉光燦

(長沙學院電子信息與電氣工程學院，湖南 長沙 410022)

近年來，信息通信技術進入快速發展階段，國家信息化建設、地方信息化建設都需要大批信息通信類人才[1,2].長沙學院通信工程和計算機技術等專業每學年進行信息通信技術實驗課的學生人數就達到近400人.傳統的實驗教學方式已經不能滿足新形勢下的教學要求.現有實驗教學中存在的主要問題包括：(1)高投入、高消耗實驗項目制約了實驗室建設與發展.各類通信設備更新換代很快，設備投入高，學校實驗室建設無法緊跟信息通信技術發展的腳步.同時通信系統設備在學生頻繁操作下容易損壞，維修費時費力，維修成本居高不下，為系統后期維護和管理帶來很大的壓力，嚴重影響了實驗室的建設、運行與使用[3].(2)實驗設備數目制約學生完成實驗實訓的效果.現有真實的實驗系統平臺受到設備數量的限制，在同一個時間段內僅能滿足部分學生的使用需求，這嚴重制約了學生實驗實訓的開展[4].(3)工程現場不可達，制約學生工程實踐能力的培養.我校的人才培養目標是“培養應用基礎實、實踐能力強，具有社會責任感，德智體美全面發展的高素質應用型人才”，對于通信工程專業學生，除要求掌握學科體系的基本原理之外，還要了解具體的工程實踐(如基站安裝、現場勘測等).這些實踐技能的培養要求學生在工程現場進行實地勘察，而現有的實驗室資源顯然無法滿足大量學生到達工程現場的需求.針對以上存在的問題，長沙學院成立了電子信息與電氣工程虛擬仿真實驗教學中心，主要目的是為了解決真實實驗教學中存在的問題，對工程現場不可達、高投入、高消耗(包括能源和實驗原材料)、不便共享的實驗、實訓項目進行虛擬仿真化, 充分發揮虛擬仿真實驗在工程應用型人才培養中的作用；同時將最新的信息技術充實實驗教學內容，更新學生知識結構，培養學生綜合設計及創新能力.

1 通信工程專業虛擬仿真實驗室建設原則

1.1 平臺建設的原則——科學性和可擴充性

虛擬實驗室建設是為了實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能.在建設過程中，我們切實遵循了“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則.將實驗課程的開設、實驗項目的規劃與本專業點的發展緊密結合起來，既參考了其他院校虛擬實驗室的建設經驗，也充分考慮了自身的實際情況，為建立科學的實驗教學體系提供了基礎.由于通信技術發展迅速，在虛擬實驗室建設過程中，我們還充分考慮了開設的實驗項目能后續進行擴展、更新等，為實驗室規格提升和可持續發展提供了空間.

1.2 體系建設的原則——綜合性和工程性，

在虛擬實踐教學體系建設的過程中，我們始終堅持虛擬實驗項目的綜合性和工程性，基本形成了“專業基礎層-專業核心層-工程仿真實訓層”的虛擬類實驗教學體系.實驗項目的建設統一布局、分層次，有重點，以滿足學生基礎理論的認知、專業核心課程的掌握和工程實踐能力的培養的要求.在基礎理論課程授課中，利用虛擬現實技術和仿真手段實現通信原理和技術的直觀呈現，提高授課的直觀性、新穎性和趣味性；在專業核心課程實驗中，充分利用各類先進的仿真工作和教學軟件，體現虛擬實驗的高精度、高效率特點.在工程實踐類課程實驗中，聯合通信知名企業開發了模擬現網運行的教學軟件，如數字程控交換、PTN分組傳輸網、CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA、FDD-LTE等，為鍛煉學生的工程實踐和應用開發能力提供了良好平臺.虛擬實驗項目跨越了不同難度層次(從基本概念提高到工程實踐和應用開發)，覆蓋了不同知識內涵(包括電、信息、儀器儀表等)，體現了多種教學實現方式(包括直觀認知、動手操作、應用開發設計等).

2 虛擬仿真實驗教學資源及教學效果

在建設虛擬實驗教學資源時緊密結合信息通信類應用型人才“原理級-系統級-應用級”的知識體系、已經基本形成了“專業基礎層-專業核心層-工程仿真實訓層”的虛擬類實驗教學體系.

圖1 構建的虛擬仿真實驗教學體系示意圖

(1)專業基礎層的實驗課程主要包含《模擬電子技術實驗》、《數字電子技術實驗》.在上述兩門課程的實驗中，我們主要采用虛實結合式的教學手段，虛擬仿真軟件包括Altium Designer、Multisim、Proteus等，所開設的實驗項目有場效應管放大電路、LC選頻放大與LC正弦振蕩電路、積分與微分電路、低頻功率放大器-OTL功率放大器、兩極交流放大電路、互補對稱功率放大電路、集成運算放大器的基本應用-有源濾波器、由D觸發器構成的扭環計數器、異步計數器、中規模時序集成電路-移位寄存器的應用、序列信號發生器的設計、脈沖分配器的設計等.學生通過仿真實驗學習后，再結合實物搭建實際的模擬電路系統，完成對仿真設計的實驗驗證.

教學效果：在計算機上用上述的虛擬教學軟件，可以方便地搭建各種電路以及對電路進行修改、測試等，這很好地解決了傳統實物實驗教學中存在的設備緊張、儀器陳舊、元器件損耗等問題，同時其直觀、可視化的特性也能激發學生的學習興趣.實踐證明以Multlsim等為代表的EDA軟件，在電子技術實驗教學中發揮了重要的作用，這種新穎的實驗方式是電路實驗教學的一種很好的輔助手段，同時，它在改進實驗教學方法，提高實驗教學效果，培養學生實踐能力、創新能力等方面發揮了非常重要的作用[4].

(2)在專業核心層課程(如《通信原理》、《信號與系統》、《數據通信與計算機網絡》等)的實驗教學過程中，我們利用Multisim、Matlab、Labview等仿真教學軟件，構建了100余種常見的電子元器件(電阻、電容、運算器、濾波器等)和30余種常見的通信器材(信號源、調制器、解調器、信號分析器、路由器等).虛擬仿真平臺模擬真實實驗中用到的器材和設備，提供與真實實驗相似的實驗環境[5,6].例如在通信原理的實驗課程中，我將虛擬仿真實驗做為硬件實驗的輔助教學手段，要求學生在課前進行自主學習，開設的實驗項目有AMI/HDB3編譯碼過程實驗、眼圖觀察測量實驗、2FSK調制與解調實驗、抽樣定理與PAM通信系統實驗、PCM脈沖編譯碼實驗、數字同步技術實驗等.

教學效果：學生通過仿真實驗學習后，能夠加深對通信中的基本原理的理解，特別是對掌握通信系統架構有非常重要的幫助.學生可以方便的在校園內進入虛擬實驗教學平臺，通過構建虛擬的通信系統，提高了實驗效率，為開設提高學生實踐能力的綜合性、設計性實驗提供了盈余的時間，同時也進一步降低了設備損耗和實驗耗材成本.

(3)工程實訓仿真層的課程包括《SDH原理與技術》、《現代交換原理》、《通信仿真實訓》、《通信系統綜合實訓》等.學生在通信原理、數據通信等基礎知識后，就可以依托工程實訓仿真平臺進行更高層次的實驗、實訓.該平臺包含現網運行的數字程控交換、PTN分組傳輸網、CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA、FDD-LTE等虛擬仿真實驗教學系統等[7].學生在平臺上進行虛擬仿真訓練后，再到中心已經建設好的現網運行4G移動通信實驗室、軟交換實驗分室上進行數據排隊上傳驗證.通過上述訓練，學生能掌握現代通信技術工程實踐(如基站安裝、網絡優化、機房規劃等)的基本能力.例如LTE工程仿真教學軟件以高仿真商用設備機房為背景，基于售后工程師工作內容設計，融合真實LTE站點工程、天饋、傳輸時鐘、網管方案的要素，再現了LTE eNodeB系列設備的組網、硬件結構、軟硬件工程安裝、開通調試等過程.學生首先完成網絡拓撲設計，部署商用機房設備及安裝連線，接著進行網管軟件安裝，站點版本升級、網管數據配置及導入、故障排查等工作，最后完成LTE終端的撥號連接和業務測試工作，FDD-LTE仿真實驗系統的功能結構如圖2所示，虛擬機房的觀察如圖3所示.

圖2 FDD-LTE虛擬仿真實驗系統功能圖

圖3 虛擬機房觀察

教學效果：通過虛擬仿真模塊的實踐操作，學生能真實、直觀、全面熟悉了通信應用場景、網絡架構、標準的站點建設、安裝、開通調試、測試等全功能，深入掌握了通信工程現場規范；而且學生對設備接口、功能、板件、配置、對接等有了全面的了解，而這一部分內容幾乎是行業內通用的.仿真教學系統還原了真實的通信網絡系統，貼合了當前運營商對畢業生的要求，為學生高質量就業打下了堅實的基礎.

3 虛擬實驗室建設的特色與成效

學院堅持“虛實結合，提升學生工程素質，培養信息工程類應用型人才”的實踐教學理念，將虛擬化、數字化實驗室的建設作為實驗教學建設與改革的重要方向，在實驗平臺建設過程中不斷創新，逐漸形成了自己的特色[8, 9].特色之一：大學四年全過程覆蓋，領引學生從基礎課程向實踐創新邁進.中心現已基本形成了“專業基礎層-專業核心層-工程仿真實訓層”的實踐教學體系，覆蓋了專業基礎課程、專業核心課程和高年級學生綜合實訓、課外科技創新活動.我院學生從大一開始就可接觸虛擬仿真實驗平臺，直到學科競賽、畢業設計、科技創新等活動，學生都可自如運用這一平臺從事虛擬仿真設計，以驗證自己所設計電路和作品的有效性，為學生科技創新提供了良好的實踐平臺，有力地推動了我院學生科技創新活動和提升了學生的實踐創新能力.特色之二：校企合作共建虛擬仿真項目，保證了實驗項目的先進性和創新性[10].例如學院與中興通訊企業合作共建虛擬仿真實驗室，將先進的通信仿真軟件引進到實驗室，使建設的每套虛擬軟件都能單獨完成“電信網絡”中某一層次、某項功能的仿真工作.尤其在3G、4G等專業課程的教學環節，引入了中興通訊針對企業客戶技術培訓開發的最新虛擬仿真系統，通過網上虛擬推演和軟件仿真，勘察通信場地、機房，配置基站、天線等參數，進行信令跟蹤，業務驗證，突破了無線通信等在時間、空間、環境等條件的種種約束和限制，完成真實實驗不可及或難以實現的教學功能，該類實驗項目具備模擬工程實訓功能，有效提升了通信技術應用型人才培養質量和畢業生的就業質量.

已取得的建設成效：利用中央財政與地方共建實驗室資金資助，2013年學院與中興通訊合作建設了目前省內最為齊全的通信類虛擬仿真教學平臺，從固網的程控交換仿真平臺，到移動通信網的3G、4G仿真平臺以及互聯網通信的數據通信仿真平臺.學院積極宣傳已有的虛擬實驗室建設資源與建設成果，在提高教學資源的共享率、利用率的同時，也提升了學校的影響力.虛擬實驗室主要承擔了通信工程，電子信息工程、光電信息工程等專業的課程實驗、通信綜合實訓等教學任務，年均服務學生人數300人左右.校際共享方面，國防科技大學電子科學與工程學院通信工程系的學生在我院實驗室開設了《通信綜合實訓》課程，共享了3G、4G虛擬仿真平臺.此外，學院還與湖南郵電職業技術學院進行了通信實驗教學資源的共享.企業共享方面，學院與上海智翔集團共建了校內校企合作基地，可實現教育軟、硬件資源共享，產業化項目資源共享以及人力資源共享等.學生、中心教師、企業工程師可共享上海智翔信息科技股份有限公司與各企業和高校(包括本校)共建的“一飛網”，在網上自由學習、討論并承接合作企業發布的外包項目.

平臺建設方面，學院現建有長沙學院-智翔集團校企合作人才定制化培養基地和長沙學院-中興通訊校企合作人才培養基地，其中前者2013年被立項為“湖南省電子信息類專業校企合作人才培養示范基地”.2015年，長沙學院電子信息與電氣工程虛擬仿真實驗教學中心立項為“湖南省虛擬仿真實驗教學中心”建設單位.