基于信息技術(shù)的智慧虛擬通信實驗室建設(shè)思考

張錦龍

摘 要 針對現(xiàn)階段通信工程專業(yè)實驗教學的信息化需求，提出了基于信息技術(shù)的虛擬智慧實驗室建設(shè)的思考及虛擬智慧實驗室的規(guī)劃與建設(shè)，闡述了智慧虛擬仿真實驗室的建設(shè)價值，為信息技術(shù)時代高校通信實驗室建設(shè)提供了一種新的視角及思路。

關(guān)鍵詞 信息技術(shù) 虛擬實驗 通信工程實驗室

中圖分類號：TP391????????????????????????????????????文獻標識碼：A ???DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.07.086

Thinking?on?the?Construction?of?Intelligent?Virtual?Communication

Laboratory?Based?on?Information?Technology

ZHANG?Jinlong

（National?Experimental?Teaching?Demonstration?Center?of?Physics?and?Electronics，?Henan?University/School?of?Physics?and?Electronics，?Henan?University，?Kaifeng，?Henan?475004）

Abstract Aiming?at?the?informationization?requirement?of?experimental?teaching?of?communication?engineering?specialty?at?present，?this?paper?puts?forward?the?thinking?of?the?construction?of?virtual?intelligence?laboratory?based?on?information?technology?and?the?planning?and?construction?of?virtual?intelligence?laboratory，?expounding?the?construction?value?of?intelligent?virtual?simulation?laboratory，?providing?a?new?perspective?and?thinking?for?the?construction?of?University?communication?laboratory?in?information?technology?era.

Keywords information?technology;?virtual?experiment;?communication?laboratory

0?引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，越來越多的人通過互聯(lián)網(wǎng)享受網(wǎng)絡帶來的便捷服務，“基于網(wǎng)絡”，已經(jīng)成為一種生活和工作方式，而學習也正因互聯(lián)網(wǎng)而改變，不再受到時間和地點的限制，學習方式實現(xiàn)多樣化。實驗教學作為大學教育中的重要組成部分，是培養(yǎng)大學生創(chuàng)新、實踐能力的重要途徑，[1]但從目前來看，大部分高校的實驗設(shè)備及實驗環(huán)境與理論知識無法完全閉環(huán)，難以做到真正的“開放型實驗室”。

智慧虛擬仿真實驗室是以“互聯(lián)網(wǎng)+”為基礎(chǔ)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)、圖像識別技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)構(gòu)建“智慧”的實驗室環(huán)境，[2]通過虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建虛擬的儀器設(shè)備、實驗對象和實驗信息資源，為學習者提供一個生動、逼真學習環(huán)境的共享型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。

電子信息工程是一門以計算機等現(xiàn)代化技術(shù)為基礎(chǔ)，進行電子信息的控制及處理的學科，具有較強的系統(tǒng)性及復雜性。[3]而傳統(tǒng)實驗室難以滿足現(xiàn)代通信工程專業(yè)學生的實驗教學。以智慧教室為虛擬仿真實驗教學提供智慧應用服務的教室空間及其軟硬件裝備，在物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新興科技技術(shù)的推動下，更加有利于通信工程實驗室信息化建設(shè)的最新形態(tài)，突出應用驅(qū)動、資源共享，將實驗教學信息化作為高等教育系統(tǒng)性變革的內(nèi)生變量，以高質(zhì)量實驗教學助推高等教育教學質(zhì)量變軌超車，培養(yǎng)能夠適應和支撐信息社會發(fā)展的高素質(zhì)的應用型通信工程專業(yè)人才，助力高等教育強國建設(shè)。

1?通信工程實驗教學的信息化需求

1.1?創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求

開展實驗類課程旨于培養(yǎng)學生的自主創(chuàng)新及實踐能力，傳統(tǒng)的實驗教學大多偏重于驗證性實驗，一般是由老師先對實驗內(nèi)容進行講解及演示，使得學生對實驗內(nèi)容具有一定的了解，之后親自動手進行驗證。該教學模式的實驗操作訓練性不高，減少了學生觀察思考的機會，一定程度上禁錮了學生的思維，試驗操作過于流程化，造成學生缺少探索能力，對于人才的培養(yǎng)存在阻礙作用。

而通信專業(yè)知識點涉及面較廣，需要較好的數(shù)學、物理基礎(chǔ)以及較強的動手應用能力。一些課程，如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等屬于計算機類;另一些，如信號處理、高頻電路、電路原理等屬于電子類，還有本專業(yè)核心的通信原理、信號系統(tǒng)、光纖通信、移動通信等課程，這些課程原理抽象復雜，所學范圍比較寬，需要學生有較強的邏輯思維能力和想象力。傳統(tǒng)實驗教學存在實驗設(shè)備可靠性不足、配套資源單一、實驗現(xiàn)象不穩(wěn)定、與實驗設(shè)備配套的測試設(shè)備不完善等問題，導致觀察實驗結(jié)果手段太過于單一，影響理論的驗證和理解，使得學生現(xiàn)有的專業(yè)水平與國家的“創(chuàng)新型人才培養(yǎng)戰(zhàn)略”之間還存在著較大的落差，尚未形成成熟的創(chuàng)新人才培養(yǎng)的思維和模式。

1.2?教學及科研工作的需求

隨著我國教育事業(yè)的迅速發(fā)展，已然形成了一支規(guī)模較大，思想素質(zhì)及業(yè)務能力較高的教師隊伍。然而由于高校招生規(guī)模的逐年擴大，高校教師數(shù)量仍普遍處于不足的狀態(tài)，因此實驗教學一般采用大班授課的方式，教師很難對所有學生進行細致指導，教學質(zhì)量難以得到保障。

1.3?實驗系統(tǒng)建設(shè)及維護需求

隨著社會的進步，教學內(nèi)容不斷更新，相關(guān)實驗教學設(shè)備更新?lián)Q代，先進設(shè)備層出不窮。然傳統(tǒng)實驗室建設(shè)費用高昂，且維護工作繁瑣困難，從人力、財力、時間、空間等方面始終制約著實驗室的革新與建設(shè)，存在實驗設(shè)備陳舊落后，教學實驗項目一成不變，傳授知識具有滯后性，學生學習興趣大幅降低，教學效果大打折扣等問題。

2?智慧虛擬實驗室的規(guī)劃與建設(shè)

2.1?建立虛擬仿真實驗系統(tǒng)

虛擬仿真實驗系統(tǒng)是利用網(wǎng)絡技術(shù)、計算機技術(shù)及虛擬現(xiàn)實技術(shù)等搭建的功能系統(tǒng)，[4]用于完成在線虛擬仿真實驗的整個實驗流程，是整個系統(tǒng)平臺的核心功能組件?！疤摗辈皇呛唵蔚啬肕atlab、LabView作為虛擬仿真教學的全部，而是真正滿足現(xiàn)代通信實驗室的現(xiàn)實需求。

（1）通過虛擬仿真實驗平臺的建立構(gòu)建真實完整實驗對象的數(shù)學模型，使得實驗者在虛擬環(huán)境下感受到真實的實驗環(huán)境;（2）將實驗對象按知識體系切割為一個個獨立的模塊，可以按照實驗意愿將各模塊以不同的方式進行組合以搭建出不同的功能實體或系統(tǒng)，自由調(diào)節(jié)模塊相關(guān)參數(shù);（3）支持不同課程實驗仿真軟件的接入，實現(xiàn)仿真實驗的并發(fā)管理，完成多用戶同時實驗的負載與資源的調(diào)度處理;（4）通過管理平臺調(diào)起本地或遠程的虛擬仿真軟件，實現(xiàn)無縫對接，移動通信網(wǎng)絡優(yōu)化仿真軟件中的實驗操作數(shù)據(jù)能回傳到平臺，實現(xiàn)實驗過程中的數(shù)據(jù)分析、實驗報備的批閱、查看學生的實驗任務執(zhí)行情況并完成動作記錄功能;（5）通過仿真實驗的并發(fā)管理完成多用戶同時實驗的負載與資源的調(diào)度處理。

建設(shè)智慧虛擬實驗系統(tǒng)平臺，構(gòu)建虛擬的實驗環(huán)境、儀器設(shè)備、實驗對象和實驗信息資源，真正的為學習者提供一個生動、逼真學習環(huán)境的共享型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。

2.2?建立虛擬仿真實驗中心信息門戶

建立以實驗室為中心的虛擬實訓信息門戶，將虛擬實訓中心信息門戶作為實訓中心各學科在線及實體實驗室的信息入口，將最關(guān)鍵、最重要以及學生最關(guān)心的信息內(nèi)容呈現(xiàn)在門戶網(wǎng)站上，方便指導學生的日常虛擬實驗學習。提供整體全景漫游，全景漫游時能夠到達具體實訓設(shè)備，展示當前實驗設(shè)備的介紹說明，實現(xiàn)在漫游設(shè)備上直接發(fā)起的虛擬仿真實訓，滿足學生對于設(shè)備的直觀認識，方便學生進行參觀及設(shè)備操作的學習，同時能夠進行原理及技能方面的實訓。

2.3?建立實驗室信息管理系統(tǒng)

通過實驗室信息管理系統(tǒng)的建立實現(xiàn)對教室內(nèi)設(shè)備的統(tǒng)一控制與管理，包括投影幕升降、設(shè)備開關(guān)機、音響調(diào)整、空調(diào)控制、燈光控制、窗簾開合等智能控制。同時建立虛擬仿真實驗預約系統(tǒng)，以滿足自主開放實驗教學體系模式，經(jīng)老師確定開放實驗資源及教務部門的教學資源情況審核，實現(xiàn)學生獲得自主開放實驗練習訓練的機會。系統(tǒng)自動對有限的仿真實驗資源進行開放共享管理，可有效解決資源使用沖突的問題，最優(yōu)化的提高資源利用率。

2.4?建立教學任務管理系統(tǒng)

建立教學任務管理平臺，將支持教師實驗課程的各類基礎(chǔ)資源如視頻、指導手冊、教案、學習參考資料、實驗仿真軟件進行統(tǒng)一的存儲管理，提供資源分享功能，并可按內(nèi)容類型進行分類管理，支持在線云盤管理、開發(fā)共享等參數(shù)特性。同時開發(fā)任務布置功能，指定執(zhí)行任務的對象，時時查看每個學生的任務完成情況及實驗過程數(shù)據(jù)，在線批閱學生上傳提交的實驗報告。

2.5?建立教學資源管理系統(tǒng)

建立教學資源管理系統(tǒng)，并將其作為統(tǒng)一的系統(tǒng)訪問入口，接入各個虛擬仿真實驗項目，為師生的實驗教學流程提供全程的“預約——實驗——監(jiān)控——評估”閉環(huán)管理，構(gòu)建先進的科研環(huán)境、全程的教學管理和動態(tài)的評價模式，到滿足師生教學實驗的需要。同時創(chuàng)建虛擬仿真實驗考核系統(tǒng)，實現(xiàn)隨機組卷，自動批卷，試卷分析統(tǒng)計自動化等功能，提高閱卷效率，避免人工閱卷誤差。

3?智慧虛擬仿真實驗室建設(shè)價值

3.1?構(gòu)建高效的學習環(huán)境

創(chuàng)造“智慧”的教學環(huán)境，建設(shè)通信技術(shù)智慧虛擬仿真實驗室，開發(fā)具備虛擬仿真實驗功能的網(wǎng)絡化實驗教學平臺，形成虛實結(jié)合的通信網(wǎng)絡與技術(shù)實驗教學體系，能夠很方便地讓師生與設(shè)備網(wǎng)絡交互，直觀地呈現(xiàn)和動態(tài)評估實驗操作的過程及結(jié)果，有效解決新實體設(shè)備更新壓力、實驗場地小與學員數(shù)量多的矛盾、實驗條件重復建設(shè)但利用率不高等問題。此外，借助虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)，實現(xiàn)學員全天候?qū)W習模式，讓學員自主選擇學習進度、學習時間和學習內(nèi)容，實現(xiàn)高效率學習。

3.2?實現(xiàn)教師的高效教學管理

智慧虛擬仿真實驗室綜合采用虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡通信等現(xiàn)代技術(shù)，聚焦通信工程專業(yè)的核心課程：通信原理、信號系統(tǒng)、光纖通信網(wǎng)、移動通信網(wǎng)的實驗教學需求，構(gòu)建虛實結(jié)合的、高度仿真的虛擬實驗環(huán)境，支撐“通信工程”等專業(yè)學生通過線上與線下相結(jié)合的相關(guān)課程實驗。同時能夠?qū)⒕W(wǎng)絡、遠程控制、虛擬化技術(shù)等把實驗環(huán)節(jié)帶到理論課堂，把實驗的課前預習、課中指導和課后復習放到線上，減少教師教學中的重復工作，高效管理實驗教學資源，讓教師專注于實驗內(nèi)容的建設(shè)。

3.3?豐富教學資源，實現(xiàn)教學效果最大化

實驗室的線上線下統(tǒng)一管理能夠?qū)嶓w實驗設(shè)備資源、虛擬仿真軟件進行管理，并通過統(tǒng)一的實驗教學活動導入，將線上、線下資源納入實驗教學流程，提供一致的使用體驗。

虛擬仿真實訓平臺基于底層通信虛擬仿真引擎，融合虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，學生在虛擬環(huán)境中開展實驗，達到教學大綱所要求的教學效果，達到虛實結(jié)合、相互補充的目的，并兼具擴展性、兼容性和前瞻性。

3.4?實現(xiàn)實驗室開放自由

減輕了實驗教學過程中對于實驗室及實驗儀器的依賴，解決了高校實驗場地和實驗儀器不足的問題，為創(chuàng)新性科研及實驗競賽提供物質(zhì)保障，減小了實驗室管理難度，一定程度上實現(xiàn)了實驗自由及人員管理自由。

3.5?降低實驗教學成本，綠色環(huán)保安全

開展智慧虛擬實驗的過程中，相關(guān)耗材及實驗儀器損耗基本為零，且隨著實驗內(nèi)容的更新，只需更換相應程序軟件，不必更換相關(guān)硬件實驗器材，在保證實驗教學的先進性的同時大大降低了實驗教學經(jīng)費，減少了實驗儀器的更換造成的廢物廢料。

4?結(jié)語

在互聯(lián)網(wǎng)不斷地在改變?nèi)藗兊纳詈凸ぷ鞣绞降男蝿菹拢瑢W習也因互聯(lián)網(wǎng)而改變，通信工程專業(yè)課程教育建設(shè)應把握住時代的機遇，將專業(yè)課程內(nèi)容和教學方式與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，改變教師的教學模式、學生的學習方式。利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與信息化課程相融合的形式建設(shè)智慧虛擬實驗室將形成一種新型的溝通機制，讓學生在學習過程中遇到的問題得到及時解決，使學習不再是單向輸出形式，而是雙向互動形式，解決傳統(tǒng)“灌輸式”教學中學習者被動學習、缺乏創(chuàng)新等問題，實現(xiàn)個性化主動教學，真正發(fā)揮“互聯(lián)網(wǎng)+”的優(yōu)勢，促進優(yōu)質(zhì)教學資源的共享，提高專業(yè)教學質(zhì)量，同時響應國家號召，創(chuàng)新性地發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+”職業(yè)教育模式，建設(shè)“智慧校園”、“智慧課堂”。

參考文獻

[1] 白秀娟.高校傳統(tǒng)實驗教學模式改革的必要性[J].高校實驗室工作研究，2018（02）.

[2] 王志高.基于網(wǎng)絡虛擬實驗室的臨床生物化學與檢驗實踐教學體系構(gòu)[J].科教導刊，2018（7）.

[3] 鄭靜.通信工程和電子信息工程的發(fā)展和應用[J].信息與電腦，2017（21）.

[4] 萬桂怡，崔建軍，張振果.高校虛擬實驗平臺的設(shè)計及實踐[J].實驗室研究與探索，2011（03）.