摘要：將工科學生的理論知識轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用能力，是各高等院校培養(yǎng)單位致力于實現(xiàn)的目標。在這樣的背景下，北京工業(yè)大學信息學部為高年級本科生設(shè)置了專業(yè)課程設(shè)計的相關(guān)課程，提升學生的理論應(yīng)用能力。在課程的具體安排中，設(shè)計了無人集群應(yīng)急通信虛擬仿真實驗，通過科學設(shè)定實驗目標、實驗器材及參數(shù)、具體實驗實施過程，以達到預期的教學目標。在虛擬實驗教學過程中遵循“虛實結(jié)合、開放共享、能實不虛”的教學理念，激發(fā)學生學習興趣，培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力，成為更符合現(xiàn)代社會需要的工科人才。

關(guān)鍵詞：專業(yè)課程設(shè)計虛擬仿真無人集群通信電磁場與電磁波

TeachingExplorationofCurriculumDesignforCommunicationandElectronicCircuitMajors

——TakingtheVirtualSimulationExperimentofUnmannedClusterEmergencyCommunicationasanExample

GAOJu

SchoolofInformationScienceandTechnology，BeijingUniversityofTechnology，Beijing，100124China

Abstract：Thegoalofvarioushighereducationinstitutionsistotransformthetheoreticalknowledgeofengineeringstudentsintopracticalapplicationabilities.Inthiscontext，InformationScienceDepartmentofBeijingUniversityofTechnologyhassetuprelevantcoursesonprofessionalcurriculum designforseniorundergraduatestudentstoenhancetheirtheoreticalapplicationabilities.Inthespecificarrangementofthecourse，avirtualsimulationexperimentforunmannedclusteremergencycommunicationwasdesigned.Byscientificallysettingexperimentalobjectives，equipmentandparameters，andimplementingspecificexperimentalprocesses，theexpectedteachingobjectiveswereachieved.Intheprocessofvirtualexperimentteaching，weadheretotheteachingphilosophyof"combiningvirtualandvirtuality，，opensharing，beingpracticalbutnotvirtual"，stimulatestudents'interestinlearning，cultivatetheirinnovativespiritandpracticalability，andbecomeengineeringtalentsthatbettermeettheneedsofmodernsociety.

KeyWords：Professionalcoursedesign;Virtualsimulation;Unmannedclustercommunication;Electromagneticfieldsandwaves

當前社會對復合型人才的需求增多，對學生的實踐能力和實際操作能力也越來越重視[1-4]。對于工科專業(yè)的本科生來說，將所學的理論知識轉(zhuǎn)化成具體實驗的能力就顯得尤為重要。所以，很多高校加入了一定數(shù)量的實驗課程、專業(yè)課程設(shè)計等，以期為學生提供相應(yīng)的能力儲備，為日后的專業(yè)領(lǐng)域工作打下堅實的基礎(chǔ)。

通信電子線路專業(yè)課程設(shè)計的受眾學生主要是電子信息工程專業(yè)、通信工程專業(yè)的高年級學生，基本上完成專業(yè)基礎(chǔ)課程的學習，亟須所學轉(zhuǎn)化成實際操作的能力，那么教師對于實驗的有效設(shè)計可以很好地引導學生利用所學開啟新的能力培養(yǎng)之路。本文以無人集群應(yīng)急通信虛擬仿真實驗為例，簡要介紹一些教學探索。

1無人集群應(yīng)急通信虛擬仿真設(shè)計

1.1試驗目標與選擇原因

該實驗綜合學習應(yīng)急場景下無人機集群中的天線組成以及工作原理，將實驗劃分為天線的工作原理認知、天線性能仿真、天線發(fā)送的電磁波信號分析、搭載天線系統(tǒng)的無人機仿真與無人機群通信仿真4個實驗模塊，使學生了解天線的工作模式、電磁場與電磁波的基本原理以及通信原理，學習饋線、同軸線、SMA轉(zhuǎn)換頭以及天線的連接方法，掌握天線結(jié)構(gòu)參數(shù)與輻射特性之間的對應(yīng)關(guān)系并應(yīng)用于應(yīng)急場景中的通信系統(tǒng)調(diào)節(jié)[5，6]。本實驗包括電磁場電磁波理論、偶極子天線、圓極化貼片天線、MIMO陣列天線以及主動縫隙天線的特性認知、特征參數(shù)認知及應(yīng)用設(shè)計[7，8]。通過對天線仿真環(huán)境和天線系統(tǒng)的搭建方式進行學習，熟練掌握四種典型天線的尺寸、阻抗匹配、增益以及方向圖特性，在不同的應(yīng)急通信場景中選擇合適的天線進行通信。本實驗主要涉及知識點如下。

（1）天線的仿真環(huán)境。天線的工作頻率（上下截止頻率）；天線的饋源：波導、同軸線、離散源；天線邊界條件：開放邊界條件、周期邊界條件、電壁邊界條件、磁壁邊界條件。（2）偶極子天線。掌握50歐姆同軸線與SMA連接器的連接方法，將偶極子天線作為主要輻射單元，學習增益和方向圖對信號傳輸?shù)挠绊?。主要知識點：偶極子天線的連接方法、方向圖。（3）圓極化貼片天線。圓極化天線可以抑制雨霧干擾和多徑效應(yīng)，適合應(yīng)用于環(huán)境不穩(wěn)定的救援場景。圓極化天線的實現(xiàn)條件是要激勵起兩個極化方向正交、幅度相等的、相位相差90°的線極化波。根據(jù)圓極化波的特性，模擬圓極化天線的應(yīng)用場景。主要知識點：圓極化貼片天線的結(jié)構(gòu)、垂直正交線極化波的激發(fā)原理、貼片天線的輻射方向圖和增益。（4）MIMO陣列天線。MIMO陣列天線是一種提高信道容量的天線，是現(xiàn)代通信的基礎(chǔ)。利用多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和發(fā)射天線功率的前提下，充分利用空間資源，成倍提高系統(tǒng)信道容量，提高通信質(zhì)量。主要知識點：MIMO的概念、MIMO系統(tǒng)的特點。（5）主動縫隙天線。主動縫隙天線也叫漏波天線，是一種在波導上開縫或開槽的雷達天線，使其具有向外輻射能量的功能，具有結(jié)構(gòu)簡單、低成本、頻率掃描等特點。由于其工作波長的特性，兼具穿透性和成像精度，適合用于檢測救援場景中被砂石掩埋的人或物。主要知識點：波導的工作原理、趨膚深度的概念、主動縫隙天線的輻射方向圖和增益。通過實驗，可以幫助學生更好地理解前面學習過的重要的基礎(chǔ)理論。

選擇這個主題進行虛擬仿真的原因有以下幾個方面。第一，無人集群設(shè)備價格昂貴。無人集群系統(tǒng)需要對多種類型無人平臺的協(xié)同管控能力、協(xié)同管控效果提供試驗驗證手段，提供萬臺并發(fā)的無人系統(tǒng)集群測試驗證能力。受到成本約束、人力需求、實施難度、試驗風險等因素制約，試驗必然采用虛擬仿真和實物相結(jié)合的方法，試驗過程面臨硬件在環(huán)協(xié)同仿真、大規(guī)模時空關(guān)聯(lián)測試數(shù)據(jù)管理、智能無人集群系統(tǒng)的任務(wù)管理等關(guān)鍵技術(shù)難題。第二，應(yīng)急通信場景無法真實布局。應(yīng)急通信主要應(yīng)用于出現(xiàn)自然的、人為的突發(fā)性緊急情況的場景，如發(fā)生地震災害、地質(zhì)災害、海洋災害、氣象災害等自然災害，或區(qū)域內(nèi)舉辦大型活動時通信數(shù)據(jù)量劇增的情況。這類場景無法真實布局，只能通過虛擬仿真形式進行模擬。第三，電磁場微波物理本質(zhì)與天線輻射特性無法直觀展示。本實驗項目涉及無人機集群中天線組成以及工作原理分析，對于天線的工作原理、天線輻射特性、天線發(fā)送的電磁波信號等均無法直觀展示，需采用虛擬仿真方式來展現(xiàn)天線的電磁輻射特性及電磁場分布特性等[9-12]。

1.2實驗器材及參數(shù)

1.2.1實驗設(shè)備

實驗過程中主要會運用到如下的實驗儀器設(shè)備（裝置或軟件等），如圖1至圖4為實驗會用到的實驗設(shè)備。

1.2.2幾種天線模型結(jié)構(gòu)及參數(shù)

（1）偶極子天線及其參數(shù)。

仿真所采用的偶極子天線模型如圖5所示。

（2）圓極化天線及參數(shù)。

天線工作在C頻段，中心頻點3.82GHz左右，能夠?qū)崿F(xiàn)圓極化性能。圖6和表1所示為其示意圖與詳細參數(shù)。

（3）MIMO天線。

天線工作在Ku頻段，工作帶寬達到了4GHz左右，能夠?qū)崿F(xiàn)寬角掃描。圖7和表2所示為MIMO天線陣列的示意圖及詳細參數(shù)。

1.3實驗的實施過程及預期效果

1.3.1實驗系統(tǒng)的設(shè)計

本實驗項目的系統(tǒng)由課程實驗仿真平臺和虛擬實驗教學管理系統(tǒng)兩部分組成。仿真平臺采用虛擬技術(shù)仿真實驗中用到的器材和設(shè)備，提供與真實實驗相似的實驗環(huán)境；虛擬實驗教學管理系統(tǒng)提供全方位的虛擬實驗教學輔助功能，包括：實驗前的預習、實驗的開課管理、典型實驗庫的維護、實驗教學安排、實驗過程的指導、實驗結(jié)果的批改、實驗成績統(tǒng)計查詢等功能，為實驗教學環(huán)境提供服務(wù)并開展應(yīng)用。

1.3.2實驗項目的設(shè)計實施

本項目的設(shè)計目標是完整地仿真學習通信系統(tǒng)的工作過程，并直觀感受電磁波的發(fā)射、傳播以及接收的過程。本虛擬仿真實驗涵蓋通信電子線路基礎(chǔ)、通信原理、電磁場與電磁波、信號與系統(tǒng)等基本理論知識點，將所要教授的知識點，生動準確地傳達給學生。同時，學生能夠動手操作練習所教授的內(nèi)容，并且加入考核。

（1）教學。

將天線設(shè)計的過程拆分和細化，從材料的選擇、工作頻帶、邊界條件到天線的工作諧振模式、輻射特性，形象地將天線的工作原理以及對應(yīng)的調(diào)控方式傳遞給學生。整個天線系統(tǒng)的搭建以及在不同應(yīng)急場景下天線種類的選擇，涉及通信電子線路、通信原理等通信領(lǐng)域的基本知識點，使學生更生動直觀地了解信號的產(chǎn)生、傳遞、接受的過程。

（2）練習。

教學內(nèi)容中，拆分的細節(jié)，都可反復自由操作和練習，如有錯誤應(yīng)有相應(yīng)的提示。

（3）考核。

檢驗學生的學習成果，在無任何提示的情況下，在該系統(tǒng)內(nèi)完成一個應(yīng)急場景下無人機基站的搭建，對整個操作過程有記錄和考點設(shè)計機制，通過對記錄和考點操作的統(tǒng)計，能夠形成分值和報告。

1.3.3實驗項目設(shè)計

（1）設(shè)備與輔材認知。

將所有系統(tǒng)中涉及的設(shè)備、輔材、工具單獨建模，分別能夠進行360°全方位的展示，并搭配文字說明，用于教學，讓學生達到認知的效果；所有模型應(yīng)在該模塊的主界面中平鋪顯示，平鋪顯示的效果應(yīng)該是圖片加名稱，點擊某個圖片進入該對應(yīng)模型的具體展示。

（2）天線輻射方式教學演示。

該模塊是對不同類型天線的認知以及調(diào)控方式的學習。首先，進入天線設(shè)計界面，對天線的工作上下截止頻率、天線材料、邊界條件以及饋源位置和方式進行設(shè)定。其次，在天線結(jié)果界面中的輻射結(jié)果中看該設(shè)計參數(shù)下天線的輻射方式，整個天線認知過程伴隨有文字解說。

（3）系統(tǒng)搭建教學演示。

該模塊是按照順序演示一個無人機基站從無到有的搭建過程，要求首先按照需求場景中對輻射特性的需求選擇合適的天線種類，依次按照指定順序，調(diào)節(jié)天線的輻射方向圖和工作頻率。將射頻器件逐個連接，安裝在無人機上。通過調(diào)整天線的俯仰角度和無人機位置，完成無人機基站的搭建，過程中伴隨有文字解說。

1.3.4預期效果

本實驗項目彌補了目前通信電子線路課程中無射頻前端工作原理演示的缺陷，通過對各種天線的仿真環(huán)境和輻射方式的認知，使學生了解掌握通信信號的發(fā)射、傳遞、接收的過程；通過無人機基站的實景搭建，了解在實際特定場景需求中通信設(shè)備的工作方式以及工作模式。不僅使學生加深了理論知識，而且也掌握了整個通信鏈路中各設(shè)備的安裝與實際操作方式。經(jīng)過虛擬實驗加深了學生對各類天線輻射特性的了解，深刻掌握了不同天線的應(yīng)用場景，并且通過設(shè)計實驗使得學生具備了更強地解決實際工程問題的能力。

2結(jié)語

通過上述實驗，可以幫助學生以更直觀的形式回顧已學習的通信電子線路基礎(chǔ)、通信原理、電磁場與電磁波、信號與系統(tǒng)等專業(yè)基礎(chǔ)課和選修課只是，對基本理論知識有更深入地了解。借助搭建的實驗平臺提升學生的理論知識實際應(yīng)用能力，為學生之后的工作或深入理論研究奠定更堅實的基礎(chǔ)。這樣的虛擬仿真實驗教學就是依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，達到教學大綱要求的教學目標。因此，可以在虛擬實驗教學中遵循“虛實結(jié)合、開放共享、能實不虛”的教學理念，激發(fā)學生學習興趣，培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力。

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