采用计算机仿真教学 提高通信工程实验教学水平

宁志刚　黄智伟　王 彦　邓贤君南华大学　湖南衡阳　421001



采用计算机仿真教学提高通信工程实验教学水平

宁志刚黄智伟王 彦邓贤君
南华大学湖南衡阳421001

摘要：计算机仿真教学能提高通信工程学生实践能力。分析了目前实验教学存在的问题，对实验教学体系改革和计算机仿真教学提出了相关对策。

关键词：计算机仿真；实验教学；通信工程

实验经费不足是实验教学薄弱的主导因素。随着办学规模不断扩大，高校需要把主要财力用于购买土地、兴建教学楼、实验楼、学生宿舍、购买图书等方面。购置实验仪器较少，实验经费不足，实验教学实验条件得不到改善，实验仪器设备台套数少，不能更新，实验运行经费紧张，因而学生必须进行的实验项目和实验时间得不到保障。如果要做到一人一组的实操训练，学校需要多投入经费，增加对实验教学仪器设备的购置。这是近阶段高校很难解决的一个难题，况且通信实验设备非常昂贵。

实验教学是教学当中不可或缺的重要环节。学生只有通过足够的验证实验和一定数量的综合性实验，才能真正理解和掌握该学科的理论知识，才能获得一定的综合实验能力。通信工程目前的实验条件很难满足在校学生实验的要求。实验室现有的计算机可重复使用，只要更新一些计算机仿真软件，就可以完成不同课程的实验。在目前已有实验设备的基础上，再添加一些通信仿真实验可基本满足通信工程专业实验教学的需求。计算机仿真实验，可以缓解高校实验条件不够这一压力。尤其是那些成本高、难度大的实验，利用计算机仿真技术可以获得事半功倍的效果。将每台单机互相联接形成网络，做到资源共享，不仅可以节省大量的实验经费，减少实验空间，降低实验成本，而且可以提高学生参与实验的主动性。学生通过这些仿真实验所获得的实验能力往往要比实际实验获得的要更多、更快一些。

1　实验教学体系改革

实验教学作为实践性很强的教学环节，应用性与工程性是其突出的特点。实验课程的任务是培养学生系统设计能力、工程设计能力、探索创新能力。增加实验课时、引进先进的实验手段、更新试验内容、建立独立的实验教学体系是实验教学改革的核心。

实验教学应摆脱依附、从属理论教学的状态，应建立一个独立的实验教学体系，与理论教学体系构成两个既相互联系又自成体系的系统。制定能充分体现实验的验证、综合、探索三大功能的实验教学标准、独立的教学大纲和教学计划。编写实验教材和实验讲义，加强实验课程体系建设。在实验项目和实验内容上，应删除陈旧过时的项目和内容，合并内容重复或类似的实验项目，减少验证性实验的比重，增加综合型、设计型、研究创新型实验的比重。实验项目注意少而精；实验教学要注意循序渐进和适度跳跃，要因材施教。

创建具有相对独立性的实验课程体系，构建体现“以学生为本”的现代实验教学理念的培养模式：将实验内容分为基础型、设计型、综合型3个层次；实验室对设计型和综合型实验项目开放、对专业设计开放、对课外科技活动开放；实行开放实验，包括内容开放、时间开放、元器件开放，让学生自由选择实验时间；实验教学的理论与实验相结合、虚拟实验与硬件实验相结合、第一课堂教学与第二课堂科技活动相结合。建立一个培养学生创新设计和工程实践能力的实践平台，最大限度地满足实验教学的需求，拓宽学生自主学习、主动学习实践的空间，大幅度地提高实验教学质量和水平。

目前的实验系统能够做的实验大多是一些验证性实验。增购仿真器等相关配套设备，编写程序，就能改变目前的实验内容，增加综合性与设计性实验的比例，提高学生对课程相关原理、相关软硬件的理解和实际运用能力。通信工程专业的教师可根据现有的条件，充分利用目前已有的计算机仿真软件，对现代通信原理、无线通信、宽带通信网、计算机网络、现代交换原理、光纤通信以及微波与天线等课程进行实验教学，开发尚缺的实验程序及编写实验指导书。对现有的通信工程专业实验进行分析、整合与优化，打造一个创新实践基地，为优秀学生提升能力创造条件，让他们早一些进入创新实践基地进行训练，培养学生的实践能力，以参加“电子设计竞赛”和“挑战杯”竞赛。

2　计算机仿真教学效果分析与措施

2.1 计算机仿真教学能优化教学效果

各种仪器设备更新换代的频率提高，而高校有限的实验经费又不可能及时、全面地更新实验仪器设备。在实验教学中采用仿真实验这一新的教学手段，通过不断更新软件，就可以让学生学会使用各种先进的仪器设备及电子芯片，学会使用由于价格昂贵而无法购买的各种精密仪器。在不增加学时和设备的情况下，提高实验室的利用率及学生实验的效率。通过提供不同的仿真软件，学生可以充分发挥自身的想象力和创造力，自由组合元器件，随时更新元器件参数，观察实验过程，实现自己的想法，达到自己的实验目的，提高自己的动手能力、思维能力和实践能力。若进行计算机仿真实验，比实际实验室至少多安排一倍的学员，而且可以同时开设多种实验，使实验课的开设循环加快。学员通过模拟实验，积累了实验的经验，有利于提高实际实验的成功率，减少了实验仪器设备的损坏率，降低实验消耗品的消耗，有利于在短时间内一定程度地改善实验教学的紧张状况。学员通过仿真实验，还可以提高自己的思考能力和创新能力，提高实验的兴趣。仿真实验的结论可以更好地指导实际实验操作，实际实验操作又可以验证仿真实验的效果，二者是实验教学的一个整体。

2.2 利用已有的仿真软件及编写仿真程序进行实验教学

2.2.1 电子设计常用软件

PSpice是一种强大的模拟和数字电路混合信号仿真软件。EWB主要用于模拟和数字电路的仿真。高版本的Multisim提供了万用表、示波器、信号发生器等虚拟仪器。Protel可进行电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印刷电路板设计。VHDL语言是ASIC设计和PLD设计的一种主要输入工具。

2.2.2 几款主流网络仿真软件

OPNET Modeler能够满足大型复杂网络的仿真需要。NS2是一种面向对象的网络仿真器。MatLab可对网络进行编程仿真。CASSAP仿真软件主要应用于数字信号处理和网络通信领域，可在概念、体系结构、算法3个层次上实现仿真。SPW通常应用于无线和有线载波通信、多媒体和网络设计与分析等领域。Atoll作为无线规划工具。

2.2.3 光纤通信系统仿真软件

Boss是一种光链路仿真软件，SCOPE是一种把系统的光电器件和光器件用两端口网络模型来模拟的非线性微波仿真软件。DEX SOLUS是基于Spice电路仿真软件的专用于光通信领域的信号分析软件。IBM的OLAP是一个把SYSTID和低级的光器件仿真软件综合起来应用的软件。IFROST，OptiSystem等是新的光通信系统模拟软件包。

2.2.4 射频通信和高速通信仿真软件

SystemView是功能强大的通信系统设计开发、仿真分析软件。Ansoft HFSS 是三维结构电磁场仿真软件，可分析仿真任意三维无源结构的高频电磁场，可直接得到特征阻抗、传播常数、S参数及电磁场、辐射场、天线方向图等结果。Ansoft Designer将先进的电路仿真和电磁场模型提取无缝地集成到一个自动化的设计环境中。Nexxim是针对射频/数模混合集成电路及高性能信号完整性等应用领域的新一代仿真软件。Agilent.RFDE2003C是射频微波集成电路分析工具。VisSim可以为复杂通信系统进行建模以及仿真操作。

通信仿真软件群多，大多通信技术专业基础和专业课程都可以选取相应的系统级或链路级仿真软件进行强化实践教学，重新组织教学内容，修订和编写新的教学计划和教学大纲。除此之外，我们还可以指导学生利用Visual C++，LabView，MatLab等语言开发仿真程序，满足个别课程的个别实验要求。这样可提高学生实际编程能力和参与实验的兴趣。

2.3 构建虚拟实验室和网络虚拟实验室

在当前学校经费有限的情况下，若配置常规仪器，学校财力难以支付。随着测试仪器的数字化、计算机化的发展趋势，传统测试仪器有被渐渐取代的趋势。如果运用虚拟仪器技术，以微机为基础，构建集成化测试平台，代替常规仪器、仪表，大大提高了设备利用率，降低了实验室构建成本。网络虚拟实验室是通过计算机网络系统，学生将不受时空的限制，随时随地与同行协作，共享仪器设备，共享数据和计算资源，得到教师的远程指导以及与同行相互研讨。通过网络虚拟实验室能够实现仪器设备远程共享，甚至远程控制，满足科研教学对分布式实验系统的要求，同时解决了棘手的教学资源紧张问题。利用虚拟实验进行实验教学时，应遵循与信息技术课程整合的原则，利用信息技术，优化实验教学。采用Java技术、ActiveX控件、VRML技术、ASP技术等虚拟现实开发工具，利用校园网和Internet网络构建网络虚拟实验室。采用Visual Basic ，Delphi，HP VEE， LAB Windows/CVI 和LABVIEW编写可视化应用程序。利用虚拟实验进行实验教学时，应遵循虚拟教学与现实教学相结合的原则，将虚拟仿真实验与实际动手实验相结合，做到虚实结合、虚实互动，即：(1)虚拟元器件与实际元器件结合，提供元器件实物样品和元器件手册供学生观察查阅；(2)虚拟仪器仪表与实际仪器仪表的结合，对照实际仪器仪表，掌握仪器仪表的操作、使用方法；(3)虚拟实验与具体实践相结合，具体的系统采用虚拟实验和仿真实验仿真后，需要进行具体实践。让学生运用所学的知识解决实践中碰到的问题，促使学生的综合素质和动手能力的提高。在充分利用现有的实验设备基础上，将虚拟实验、仿真实验和实物实验有机地结合，建立虚拟实验室、网上虚拟实验室，打造一个创新实践平台，为学生参加“电子设计竞赛”“挑战杯”竞赛提供方便，解决目前学生毕业设计、课程设计实验条件不够这一窘态，为师生营造一个研发创新的实验环境。

参考文献

[1] 初汉芳,朱燕空.创业虚拟仿真实验教学中心的实践与探索[J].实验室技术与管理,2014,31(12):97-100.

[2] 鹿晓阳,李明弟,李轶. 创新实验教学体系的研究与实践:国家虚拟仿真实验教学中心和国家实验教学示范中心建设[J].山东高等教育,2015,16(3):42-46.

Improving Experimental Teaching of Communication Engineering Through Computer Simulation Teaching

Ning Zhigang , Huang Zhiwei, Wang Yan, Deng Xianjun
University of South China, Hengyang, 421001, China

Abstract:Computer simulation teaching can improve practical abilities of students of communication engineering. Current existing problems of experimental teaching were analyzed, and some relevant suggestions were brought forward for the reform of experimental teaching system and computer simulation teaching.

Key words:computer simulation; experimental teaching; communication engineering

基金项目：湖南省教育厅教改课题项目“电子信息类卓越工程师产学研结合培养模式实践探索”(编号：湘教通〔2013〕223号，序号216)；南华大学船山学院2015年教改课题“独立学院电子信息类教学科研多维一体化创新型人才培养模式研究”(编号：2015CZ001)。

作者简介：宁志刚，博士，副教授。

收稿日期：2015-07-13