基于信息技术的智慧虚拟通信实验室建设思考
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作者:张锦龙
摘 要 针对现阶段通信工程专业实验教学的信息化需求，提出了基于信息技术的虚拟智慧实验室建设的思考及虚拟智慧实验室的规划与建设，阐述了智慧虚拟仿真实验室的建设价值，为信息技术时代高校通信实验室建设提供了一种新的视角及思路。
關键词 信息技术 虚拟实验 通信工程实验室
中图分类号：TP391 文献标识码：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
随着互联网的普及，越来越多的人通过互联网享受网络带来的便捷服务，“基于网络”，已经成为一种生活和工作方式，而学习也正因互联网而改变，不再受到时间和地点的限制，学习方式实现多样化。实验教学作为大学教育中的重要组成部分，是培养大学生创新、实践能力的重要途径，[1]但从目前来看，大部分高校的实验设备及实验环境与理论知识无法完全闭环，难以做到真正的“开放型实验室”。
智慧虚拟仿真实验室是以“互联网+”为基础利用物联网技术、人工智能技术、图像识别技术等现代化技术构建“智慧”的实验室环境，[2]通过虚拟仿真技术构建虚拟的仪器设备、实验对象和实验信息资源，为学习者提供一个生动、逼真学习环境的共享型虚拟现实系统。
电子信息工程是一门以计算机等现代化技术为基础，进行电子信息的控制及处理的学科，具有较强的系统性及复杂性。[3]而传统实验室难以满足现代通信工程专业学生的实验教学。以智慧教室为虚拟仿真实验教学提供智慧应用服务的教室空间及其软硬件装备，在物联网、云计算、大数据等新兴科技技术的推动下，更加有利于通信工程实验室信息化建设的最新形态，突出应用驱动、资源共享，将实验教学信息化作为高等教育系统性变革的内生变量，以高质量实验教学助推高等教育教学质量变轨超车，培养能够适应和支撑信息社会发展的高素质的应用型通信工程专业人才，助力高等教育强国建设。 1 通信工程实验教学的信息化需求
1.1 创新型人才培养的需求
开展实验类课程旨于培养学生的自主创新及实践能力，传统的实验教学大多偏重于验证性实验，一般是由老师先对实验内容进行讲解及演示，使得学生对实验内容具有一定的了解，之后亲自动手进行验证。该教学模式的实验操作训练性不高，减少了学生观察思考的机会，一定程度上禁锢了学生的思维，试验操作过于流程化，造成学生缺少探索能力，对于人才的培养存在阻碍作用。
而通信专业知识点涉及面较广，需要较好的数学、物理基础以及较强的动手应用能力。一些课程，如数据结构、操作系统、数据库等属于计算机类;另一些，如信号处理、高频电路、电路原理等属于电子类，还有本专业核心的通信原理、信号系统、光纤通信、移动通信等课程，这些课程原理抽象复杂，所学范围比较宽，需要学生有较强的逻辑思维能力和想象力。传统实验教学存在实验设备可靠性不足、配套资源单一、实验现象不稳定、与实验设备配套的测试设备不完善等问题，导致观察实验结果手段太过于单一，影响理论的验证和理解，使得学生现有的专业水平与国家的“创新型人才培养战略”之间还存在着较大的落差，尚未形成成熟的创新人才培养的思维和模式。
1.2 教学及科研工作的需求
随着我国教育事业的迅速发展，已然形成了一支规模较大，思想素质及业务能力较高的教师队伍。然而由于高校招生规模的逐年扩大，高校教师数量仍普遍处于不足的状态，因此实验教学一般采用大班授课的方式，教师很难对所有学生进行细致指导，教学质量难以得到保障。
1.3 实验系统建设及维护需求
随着社会的进步，教学内容不断更新，相关实验教学设备更新换代，先进设备层出不穷。然传统实验室建设费用高昂，且维护工作繁琐困难，从人力、财力、时间、空间等方面始终制约着实验室的革新与建设，存在实验设备陈旧落后，教学实验项目一成不变，传授知识具有滞后性，学生学习兴趣大幅降低，教学效果大打折扣等问题。
2 智慧虚拟实验室的规划与建设
2.1 建立虚拟仿真实验系统
虚拟仿真实验系统是利用网络技术、计算机技术及虚拟现实技术等搭建的功能系统，[4]用于完成在线虚拟仿真实验的整个实验流程，是整个系统平台的核心功能组件。“虚”不是简单地拿Matlab、LabView作为虚拟仿真教学的全部，而是真正满足现代通信实验室的現实需求。
（1）通过虚拟仿真实验平台的建立构建真实完整实验对象的数学模型，使得实验者在虚拟环境下感受到真实的实验环境;（2）将实验对象按知识体系切割为一个个独立的模块，可以按照实验意愿将各模块以不同的方式进行组合以搭建出不同的功能实体或系统，自由调节模块相关参数;（3）支持不同课程实验仿真软件的接入，实现仿真实验的并发管理，完成多用户同时实验的负载与资源的调度处理;（4）通过管理平台调起本地或远程的虚拟仿真软件，实现无缝对接，移动通信网络优化仿真软件中的实验操作数据能回传到平台，实现实验过程中的数据分析、实验报备的批阅、查看学生的实验任务执行情况并完成动作记录功能;（5）通过仿真实验的并发管理完成多用户同时实验的负载与资源的调度处理。
建设智慧虚拟实验系统平台，构建虚拟的实验环境、仪器设备、实验对象和实验信息资源，真正的为学习者提供一个生动、逼真学习环境的共享型虚拟现实系统。
2.2 建立虚拟仿真实验中心信息门户
建立以实验室为中心的虚拟实训信息门户，将虚拟实训中心信息门户作为实训中心各学科在线及实体实验室的信息入口，将最关键、最重要以及学生最关心的信息内容呈现在门户网站上，方便指导学生的日常虚拟实验学习。提供整体全景漫游，全景漫游时能够到达具体实训设备，展示当前实验设备的介绍说明，实现在漫游设备上直接发起的虚拟仿真实训，满足学生对于设备的直观认识，方便学生进行参观及设备操作的学习，同时能够进行原理及技能方面的实训。
2.3 建立实验室信息管理系统
通过实验室信息管理系统的建立实现对教室内设备的统一控制与管理，包括投影幕升降、设备开关机、音响调整、空调控制、灯光控制、窗帘开合等智能控制。同时建立虚拟仿真实验预约系统，以满足自主开放实验教学体系模式，经老师确定开放实验资源及教务部门的教学资源情况审核，实现学生获得自主开放实验练习训练的机会。系统自动对有限的仿真实验资源进行开放共享管理，可有效解决资源使用冲突的问题，最优化的提高资源利用率。
2.4 建立教学任务管理系统
建立教学任务管理平台，将支持教师实验课程的各类基础资源如视频、指导手册、教案、学习参考资料、实验仿真软件进行统一的存储管理，提供资源分享功能，并可按内容类型进行分类管理，支持在线云盘管理、开发共享等参数特性。同时开发任务布置功能，指定执行任务的对象，时时查看每个学生的任务完成情况及实验过程数据，在线批阅学生上传提交的实验报告。
2.5 建立教学资源管理系统
建立教学资源管理系统，并将其作为统一的系统访问入口，接入各个虚拟仿真实验项目，为师生的实验教学流程提供全程的“预约——实验——监控——评估”闭环管理，构建先进的科研环境、全程的教学管理和动态的评价模式，到满足师生教学实验的需要。同时创建虚拟仿真实验考核系统，实现随机组卷，自动批卷，试卷分析统计自动化等功能，提高阅卷效率，避免人工阅卷误差。
3 智慧虚拟仿真实验室建设价值
3.1 构建高效的学习环境
创造“智慧”的教学环境，建设通信技术智慧虚拟仿真实验室，开发具备虚拟仿真实验功能的网络化实验教学平台，形成虚实结合的通信网络与技术实验教学体系，能够很方便地让师生与设备网络交互，直观地呈现和动态评估实验操作的过程及结果，有效解决新实体设备更新压力、实验场地小与学员数量多的矛盾、实验条件重复建设但利用率不高等问题。此外，借助虚拟仿真实验教学系统，实现学员全天候学习模式，让学员自主选择学习进度、学习时间和学习内容，实现高效率学习。 3.2 实现教师的高效教学管理
智慧虚拟仿真实验室综合采用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等现代技术，聚焦通信工程专业的核心课程：通信原理、信号系统、光纤通信网、移动通信网的实验教学需求，构建虚实结合的、高度仿真的虚拟实验环境，支撑“通信工程”等专业学生通过线上与线下相结合的相关课程实验。同时能够将网络、远程控制、虚拟化技术等把实验环节带到理论课堂，把实验的课前预习、课中指导和课后复习放到线上，减少教师教学中的重复工作，高效管理实验教学资源，让教师专注于实验内容的建设。
3.3 丰富教学资源，实现教学效果最大化
实验室的线上线下统一管理能够对实体实验设备资源、虚拟仿真软件进行管理，并通过统一的实验教学活动导入，将线上、线下资源纳入实验教学流程，提供一致的使用体验。
虚拟仿真实训平台基于底层通信虚拟仿真引擎，融合虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的教学效果，达到虚实结合、相互补充的目的，并兼具扩展性、兼容性和前瞻性。
3.4 实现实验室开放自由
減轻了实验教学过程中对于实验室及实验仪器的依赖，解决了高校实验场地和实验仪器不足的问题，为创新性科研及实验竞赛提供物质保障，减小了实验室管理难度，一定程度上实现了实验自由及人员管理自由。
3.5 降低实验教学成本，绿色环保安全
开展智慧虚拟实验的过程中，相关耗材及实验仪器损耗基本为零，且随着实验内容的更新，只需更换相应程序软件，不必更换相关硬件实验器材，在保证实验教学的先进性的同时大大降低了实验教学经费，减少了实验仪器的更换造成的废物废料。
4 结语
在互联网不断地在改变人们的生活和工作方式的形势下，学习也因互联网而改变，通信工程专业课程教育建设应把握住时代的机遇，将专业课程内容和教学方式与互联网结合，改变教师的教学模式、学生的学习方式。利用互联网技术与信息化课程相融合的形式建设智慧虚拟实验室将形成一种新型的沟通机制，让学生在学习过程中遇到的问题得到及时解决，使学习不再是单向输出形式，而是双向互动形式，解决传统“灌输式”教学中学习者被动学习、缺乏创新等问题，实现个性化主动教学，真正发挥“互联网+”的优势，促进优质教学资源的共享，提高专业教学质量，同时响应国家号召，创新性地发展“互联网+”职业教育模式，建设“智慧校园”、“智慧课堂”。
参考文献
[1] 白秀娟.高校传统实验教学模式改革的必要性[J].高校实验室工作研究，2018（02）.
[2] 王志高.基于网络虚拟实验室的临床生物化学与检验实践教学体系构[J].科教导刊，2018（7）.
[3] 郑静.通信工程和电子信息工程的发展和应用[J].信息与电脑，2017（21）.
[4] 万桂怡，崔建军，张振果.高校虚拟实验平台的设计及实践[J].实验室研究与探索，2011（03）.
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