虚拟仿真技术在移动通信智慧课堂中的应用
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作者:张恋 陈坤定 范祖良 袁秀云
摘 要：文章针对移动通信技术的发展特点及人才培养方案和课程教学内容的需要，以为学生为中心，探索虚拟仿真技术在移动通信智慧课堂中的有效应用。课程涉及大量工程实践知识点，结合IUV仿真教学软件，在“现网”条件下，实现准确、形象、生动的实践融合智慧教学，明显提高教学质量和教学效果。
关键词：虚拟仿真;虚拟仿真在线平台IUV;移动通信;智慧课堂
随着“互联网+”“智慧城市”“行业信息化”的快速发展，万物互联的脚步加快，在中国制造2025战略规划的背景下，移动互联网正迎来井喷式发展，大数据、大流量、大连接成为移动网络的主要特点。2019年6月6日，我国工信部正式发放5G牌照，标志着我国5G元年的悄然到来，致使电信运营商在“数字洪水”的挑战下，为构建高效网络，开始在全国范围内紧锣密鼓地全面部署移动通信网络。
通信网络人才缺口急剧撕开，优秀的人才作为稀缺资源将受到行业的追捧。各类新兴技术和应用层出不穷，设备高速演进、更新换代快，这对学校移动通信技术人才培养方案及课程教学内容的时效性也提出了更高的要求。由于现代移动通信网络结构复杂、造价昂贵，高职院校在有关课程理实一体化方面，难以凭借自身力量去建立移动通信实验实训网络环境，另外，移动通信网络作为基础设施，运营商通常不允许直接向学校课程教学提供有关通信网络方面的实践机会。因此，“知行合一、产教融合”，以学生为中心借助虚拟仿真技术平台建设、构建智慧课堂，是解决目前信息和通信技术（Information and Communication Technology，ICT）产业人才培养方案受桎梏的有效手段。学校应积极引入行业的技术资源，更新当前人才培养知识体系结构，引入全新的基于虚拟仿真技术的信息化教育教学实训平台，使产教真正联动，培养出适岗、易用、可发展的人才。
1 “以学生为中心”的智慧课堂教学理念
传统教学“以教师为中心”，使教师成为课堂的焦点，引领全体学生将所有知识抓重点、分难点，采用一对多的教学模式，广泛又集中地向学生传授知识点。这种教学理念在本科院校对基础较好的学生能取得较好效果，但在高职院校，这些学生基础薄弱，学习及接受能力不高，具有一定的局限性。在智能化与信息化的进程中，高职教育环境发生了变化，“以学生为中心”的智慧课堂教学理念成为解决当前高职教育信息化难题的热门方法。与时代接轨，充分运用新一代移动通信技术（5G），进行高职教育人才培养的内涵建设，闽西职业技术学院提出“以学生为中心”的智慧课堂教学理念，着力培养一批“一技在手”的现代“阳光工匠”。坚持“以学生为中心”的智慧课堂，因材施教，可以为不同层次学生提供智能化的教学服务，允许学生按需学习，在任何时间、任何平台，以任何形式进行学习时，都可以获得优质、高效的学习服务[1]。
2 移动通信智慧课堂设计内容
4G网络在向未来网络演进的过程中，高速率、高带宽的业务需5G网络承载，而部分低成本、低速率、广覆盖的物联网业务则可由NB-IoT网络承载分流。现阶段国内运营商已基本完成非独立组网方案的试点，即在原有4G的核心网络上接入5G新空口。同时，5G独立组网也已全面铺开，Pre5G作为与4G并存的网络，完美助力4G网络向5G网络的平滑演进。4G&Pre5G网络的普遍试用以及NB-IoT，5G的大规模建设急需大量移动通信高技能人才，针对移动通信目前的发展状况，闽西职业技术学院引入虚拟仿真在线平台IUV仿真软件。
IUV-Pre5G与IUV-NB-IoT仿真软件的运行均采用客户机/服务（Client/Server，C/S）模式，高性能的服务器由IUV负责。在使用时，只需要在使用终端上下载并运行相应客户端，登录服务器即可参加相应的实验实训。IUV-Pre5G软件目前设有实训、测评和竞技3种模式;实验模式和工程模式两套环境;LTE，EPC和承载3大产品;无线接入网、IP承载网、光传输网和核心网4张网络;网络拓扑规划、容量规划、设备配置、数据配置和业务调试5个模块;告警、PING，TRACE、拨测、光路检测业务观察和切换/漫游模式7种工具[2]。该软件的设计参照电信运营商现网工程项目规划部署过程及实际运行维护情形，涵盖手机终端、基站（BBU+RRU/AAU）、光传输产品（Optical Transmission Products，OTN）、数据通信产品及核心网产品（HSS+MME+PGW+SGW）8类单元，覆盖3个城市中的17个实景机房，从无到有训练学生的全网规划部署能力，使学生全面掌握LTE&Pre5G全网拓扑规划、容量规划、设备部署、对接配置、全网联调等专业技能。而NB-IoT全网规划部署与应用仿真系统把握物联网最新发展趋势，以当前最新的NB-IoT网络为知识体系，从无线、核心网、IP承载网、光传输网等多个维度分层次设计课程内容，分6大模块，契合网络建设的不同阶段，帮助教师、学生全面了解及熟练掌握NB-IoT理论及实际网络应用知识。
3 虚拟仿真技术在智慧课堂中的应用
IUV虚拟仿真教学软件满足管理员、老师、学生的多方面使用要求，大大改善专业教学、实训的效果，具体应用如下。
（1）促使移動通信专业知识对学生而言变得可及、可控。移动通信系统内部信号的传送是抽象、看不见、摸不着且随机的，但通过应用虚拟仿真技术，将信号和流程开放出来，变得直观。现网中，移动通信网络建设至少要上亿元的投入，这对学校实训基地建设而言显然不现实，但借助虚拟仿真实训平台，既可解决场地和时间问题，又可供学生开发、使用，真正支撑起“以学生为中心”的学习需求[3]。因此，虚拟仿真技术的应用使得通信中抽象的知识学习过程变得生动、可控、直观，增加学生学习的兴趣，达到良好的实训学习效果。 （2）改变学生的学习方式，随时、随地地高效学习，满足智慧课程教学需要。利用虚拟仿真实训平台，可以使学生从以往固定时间做固定实验的情形，转换为利用网络平台随时、随地自主开展多种多样的实验项目;可以以学生个人或团队合作的方式开展设计及竞赛，自主选择学习周期，按不同学习进度完成学习内容，还可以反复学习，灵活度高，实现高效率学习。平台将学生的不同学习情况实时记录，供教师对学生的学习效果作出评价，满足智慧课程教学需要。同时，在各个课程网站及终端，教师提前发放教学相关材料供学生熟悉与了解，IUV在线开放平台也实时更新相关教学视频及材料，使学生可以在任何时间进入平台学习及提问，解决各种问题。另外，通过采用虚拟仿真实训的模式，开设独立的实训课程或操作环节，使远程如“二元制”的学生，直接通过网络就可以在虚拟仿真平台上进行实验操作练习，提升了实践教学的重要性，有力地提高了学生的实践操作能力。
（3）应用于课程实习实践，为课程教学保驾护航。IUV虚拟仿真软件涵盖的专业课程是我国通信产业中发展较快、较活跃的，其知识更新速度也非常快。高职院校的移动通信人才培养方案与课程设置也要与时俱进，跟随技术的发展进行动态调整。利用IUV虚拟仿真软件技术，可以开设下述相关的移动通信类课程。
“移动通信技术与基站工程”课程，包括移动通信的基本原理，基站的安装、设备接线与调测，勘测工具的使用等内容。
“计算机通信与网络”课程，包括网络接口协议，同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH），OTN，分组传送网（Packet Transport Network，PTN），RT原理及配置，通信网络规划与设计、工程硬件部署、工程软件部署、业务调试、网络维护等。
“移动通信故障分析与处理实训”课程，包括无线接入网、核心网及承载网各站点的配置，全网拨测、切换、漫游，无线接入网、核心网及承载网故障的排查、分析与处理等。
“移动网络测试优化”课程，包括网络Attach测试、Ping测试、小区重选测试、网络优化方法及调试、故障排查等。
进行毕业设计时使用该软件完成一項具体的全网建设工程项目，包括完成网络规划、容量规划、工程概预算、设备选型、设备连线、设备配置及调测和优化[4]。
（4）缓解移动通信系统大型实体设备更新压力。随着移动通信的发展，5G开始商用，由于ICT更新速度非常快，移动通信系统大型实体设备价格高昂。对高校而言，虚拟仿真实验平台采用软件版本更新的方式进行免费升级，不需要额外投入资金就可将课程无缝切换到未来网络的规划和设计中，因此，在建设成本、更新周期、实现手段以及新技术的快速引入等方面都具有显著的优势[4]。
4 结语
移动通信课程的教学及实训涉及移动通信多种网元设备、接口、协议、网络构架、移动性管理等内容，教学方式越来越注重理实一体化，但由于诸多条件限制，高职院校难以凭借自身力量为有关课程的教学建立真实的移动通信网络环境。针对该问题，本文以学生为中心，针对移动通信课程中所涉及的移动通信网络工程内容，探讨了可采用 IUV全网虚拟仿真教学软件，在“现网”条件下，采用准确、形象、生动的实践融合智慧教学方式，从而促使课程教学效果达到理论与工程实践完美结合的目的，提高教学质量和效果。
[参考文献]
[1]王兴伟，包莹莹.以学习者为中心探索智慧课堂环境下课堂教学改革[J].中小学信息技术教育，2019（5）：43-45.
[2]陈佳莹，张溪，林磊.IUV-4G移动通信技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2016.
[3]赵兴龙，许林，李雅瑄.5G之教育应用：内涵探解与场景创新—兼论新兴信息技术优化育人生态的新思考[J].电化教育研究，2019（4）：5-9.
[4]孙金霞，陈俊贤.深入分析中兴 IUV 4G仿真软件[J].价值工程，2018（28）：240-242.
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