杨会

宿迁学院信息工程学院 江苏宿迁 223800

0 引言

随着互联网技术的快速发展和普及，互联网已经融入社会和生活的各个方面，也为高等教育的发展带来了新的挑战和机遇[1]。教育部提出深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合，不断加强高等教育实验教学优质资源建设与应用，着力提高高等教育实验教学质量和实践育人水平[2]。在高校实验教学改革和实验教学项目信息化建设的基础上，开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作，倡导线上+线下混合式教育模式，促进优质在线课程资源应用，提高课堂教学质量，激发学生兴趣[3]。

针对新冠疫情对高校教学造成的不利影响，教育部要求各高校做好“停课不停教、不停学”组织部署工作，降低疫情对教学及学生学习的影响[4]。怎样解决当前实验教学中存在的实验模式固定、实验时间受限、实验设备与场地利用率不高、学生不能随时随地随兴实验等问题，各高校都在尝试探索实验教学模式的改革，线上实验作为实验教学改革的重要支撑点，已成为未来高校实验室建设和改革的趋势。

1 通信原理实验线上+线下混合式教学模式

通信原理课程作为通信工程、电子信息工程等专业的核心课程，在课程体系中起着承上启下的重要作用。该课程理论性、综合性较强，相关的理论知识较抽象，因此，作为理论联系实践的实验课程就显得尤为重要[5-6]。为了提高学生的学习兴趣，使学生对晦涩难懂的理论知识能够很好地理解和掌握，采用线上+线下混合式教学模式对实验课程教学进行改革，具体是：首先采用线上仿真平台对实验项目进行预习，然后线下到实验室用实验箱进行实验操作，最后采用线上仿真平台对实验进行补充，流程如图1所示。

图1 实验流程图

1.1 线上仿真平台实验预习

当前的实验课大多是学生直接到实验室操作实验箱进行一些验证性的实验，有的学生一无所知就到实验室进行线下实验，由于不熟悉相关的理论知识造成对实验现象无从解释的，由于不熟悉仪器操作对仪器误操作造成损坏的，由于不熟悉实验步骤导致实验结果出不来的比比皆是。因而要求学生在线下实验课之前登录线上仿真平台完成实验课的预习任务就很有必要，一方面可以使得学生在线下课之前了解本次实验课所涉及的相关理论知识；另一方面学生可以提前熟悉实验箱的各个模块以及操作方法和操作的注意事项，从而胸有成竹地进行线下实验箱的操作。

1.2 线下实验箱实验操作

线下实验箱与线上仿真平台上的实验项目、实验模块、实验操作、实验步骤等都是一致的，因此，通过线上仿真平台的预习可以使学生对所要做的实验了然于胸，在进行线下实验箱操作的时候不会慌张错乱、无从下手，能够很顺利地完成教学目标中要求的验证性实验。除此以外，学生还能够带着预习中的问题有目的地进行一些实验探索并自己总结出一些实验结论，从而能有效地反哺理论课中未吃透的概念和定理。

1.3 线上仿真平台实验补充

由于实验学时的限制，学生在有限的时间内未必能很好地完成相关的实验内容，而线上仿真平台具有不受时间、地点、设备等限制的优点，学生可以随时随地地进行实验，一方面可以补做未完成的实验内容，另一方面可以对已做的实验数据进行再修正和再完善。另外，根据通信原理课程教学大纲，实验学时一般为12 ～16 学时，仅仅这些课时对于理解通信原理复杂而繁冗的理论知识远远不够。例如，在数字频带传输系统中，笔者仅做了ASK 调制解调这个实验项目，而对于FSK 调制解调、PSK 调制解调、DPSK 调制解调、QPSK 调制解调、DQPSK调制解调等实验项目没有足够的课时让学生逐个完成，但是线上仿真平台就解决了这一问题，使得对相关知识感兴趣的学生可以利用线上仿真平台自己去探索，为学生的主动学习提供了平台支撑。线上仿真平台还支持FPGA 以及MATLAB 的二次开发，内置基于FPGA 的二次开发单元，内嵌EP4CE6 处理器、32 MHz 采样率的8 位AD 和8 位DA 芯片、16个IO，可以通过Verilog HDL、MATLAB 语言编程自主设计通信系统以及系统中的各个模块。

2 通信原理实验线上+线下平台

2.1 线上实验平台的架构

线上平台使用学校与南京润众有限公司共同研发的“互联网+通信技术在线实验平台”，该平台是基于真实硬件电路的在线实验平台，平台提供的实验项目都由对应的硬件资源实现，而非单纯的软件仿真，实验系统配置与线下实验箱相同，用户的所有操作均映射到可远程控制的实验对象和测量仪器上。该在线实验平台由硬件平台和软件平台两部分组成。

2.1.1 硬件平台架构

硬件平台采用3U 标准机箱式结构，由在线实验板卡、机箱、服务器、网络交换机和机柜等组成，如图2所示。

图2 硬件平台架构

在线实验板卡是整个硬件系统的核心部分，由实验电路、智能仪表、数据采集卡、网络传输组成。实验电路与RZ9681 型现代通信技术实验箱内的实验模块是一样的，所能完成的实验与线下实验箱也是一致的；智能仪表是用来实现线下实验中信号源、稳压源、万用表、示波器、逻辑分析仪、误码仪等仪器仪表的功能；数据采集卡是用来采集硬件操作完成后得到的实验数据，并通过网络传输部分上传至服务器。

在线实验板卡装配于3U 标准机箱中，每个机箱可内置20 个在线实验板卡，机箱安装于机柜中，机箱之间可以进行级联。服务器承载整个“互联网+通信技术在线平台”的管理与服务，网络交换机用于整个“互联网+通信技术在线平台”的网络通信与交换，机柜用于安装3U 的机箱、服务器和网络交换机等设备。

2.1.2 软件平台架构

软件平台基于B/S（浏览器/服务器）架构，由服务端网管平台和客户端实验平台两部分组成，通过校园网或者互联网进行互联互通，在线实验平台的网络拓扑结构如图3所示。该平台在服务端网管平台和客户端实验平台的支持下，能够实现在客户端浏览器上实时搭建和控制硬件电路，配置实验电路激励参数，选择测试点，实现虚拟仪器实时测量实验数据。

图3 在线实验平台网络拓扑图

网管平台是互联网+实体实验的保证，用户类型分为教师用户和学生用户。教师用户分为管理教师与普通教师；管理教师可以管理远程虚实一体实验室的一切日常事务，包括用户管理、课程管理、实验室配置、实验内容编辑、实验时间安排、公告管理等功能；普通教师可以发布管理公告（APP）、设置学生实验权限（APP）、辅导学生实验（APP）、批改实验报告；学生用户能够预约实验时间、调阅实验课件、进行实验操作、实验结果测试、上传实验报告和查看成绩。

实验平台是基于浏览器设计的，当用户点击进入实体操作实验时，系统会自动分配给用户硬件资源，当用户通过浏览器运行提供的实验软件时，软件会连接服务器，服务器通过记录的IP 地址判断连接用户身份，用户在客户端的操作会直接发送给服务器，服务器判断用户身份后转发给对应的实验平台，实验平台将测量数据实时发送给服务器，服务器会根据保存的设备使用记录将数据转发给对应的客户端。

2.2 线下实验平台

线下平台使用南京润众有限公司研发的RZ9681型现代通信技术实验平台，如图4所示。该平台是为适应当前通信理论教学及实验教学的发展趋势，精心研发的新一代现代通信技术实验平台。该平台不仅具备完成常规实验的功能，还结合了当前教学技术发展的几大趋势，即：实验教学的工程化、实验设备的网络化、课堂教学的智能化。系统具备方便的软硬件升级功能及二次开发功能，可以方便地解决高校在购买实验设备后进行实验内容的扩展及升级的问题。

图4 RZ9681 型现代通信技术实验平台

在使用该平台进行实验课程开展时，摆脱了早期实验内容设置单调，仅仅是完成实验连线，然后测量波形的这种模式。在RZ9681 型实验平台上完成实验时，按照理论预习、实验交互、课堂测评、二次开发的流程进行实验。

1）理论预习。实验箱系统自带交互式预习系统，通过实验框图、文字说明、理论波形等内容，结合配套的实验教材，完成对当前课时实验理论的预习。

2）实验交互。在进行实验时，结合形象化的实验框图，可以选择性地控制各个模块的时钟，测量点输出的数据等内容，将实验过程的中间测量点展现出来，方便学生对实验理论的理解。

3）课堂测评。通过配套的手机APP 软件，教师可以在学生进行实验时，对实验系统进行一定的加错设置，学生根据自己的理解，判断错误并纠正错误。

4）二次开发。实验模块具备网络加载的功能，可以方便地完成二次开发，摆脱了早期二次开发连接下载器的模式，并且系统具备断电恢复功能，二次开发不会对系统造成影响。

3 通信原理实验线上+线下混合式教学案例

3.1 线上平台抽样定理实验

抽样定理是通信原理中最基础的理论知识，学生在学习这部分内容时，大多数只记住了抽样信号的频率是原始信号频率的2 倍，但是为什么就不甚了解了，因此，教师有必要通过更形象的手段从时域、频域来对这一定理进行更深入的分析和讲解。我们就以抽样定理这一实验项目为例，对线上线下相结合的教学模式进行详细的讲述。

抽样定理线上仿真平台的实验框图如图5所示，A2 单元完成信号抽样，A7 单元完成信号恢复，模拟信号和抽样脉冲由信号源产生，信号波形、频率、幅度均可调节，抽样脉冲频率和占空比可调节，恢复滤波器带宽可设置。

图5 抽样定理实验框图

我们选择不会发生频谱混叠的抽样过程，设置模拟信号为正弦波信号、频率为2 kHz、幅值为30，抽样信号的频率是8 kHz，占空比是1/2，恢复滤波器的截至频率是3 kHz，经过线上仿真实验可以通过示波器观测得到时域的波形，如图6所示，以及频域的波形如图7所示。

图6 抽样定理时域波形图

图7 抽样定理频域波形图

图6 中，1 通道是原始模拟信号，2 通道是抽样脉冲信号，3 通道是抽样后信号，4 通道是抽样恢复信号，波形结果表明满足抽样定理，故可以无失真的恢复原模拟信号。图7 中左上图是模拟信号的频谱，右上是抽样信号的频谱，左下是抽样后信号的频谱，右下是抽样恢复信号的频谱，从波形结果可以看出，抽样的过程就是对原模拟信号频谱搬移至抽样信号频谱两侧的过程。

通过抽样定理实验，学生能够分别从时域和频域分析和理解奈奎斯特抽样定理的内容，另外通过线上仿真平台还可以帮助学生理解理想抽样定理和实际抽样的差别，理解抽样信号频率，脉宽（占空比）对恢复信号的影响，掌握自然抽样、平顶抽样特性，理解低通滤波器幅频特性对恢复信号的影响，了解混叠效应产生的原理等。

3.2 线下平台抽样定理实验

经过线上仿真平台预习以后，学生带着问题到实验室采用线下实验箱完成抽样定理实验，实验过程如图8所示。打开实验箱和示波器，找到抽样定理实验项目，连接导线和探头，设置相应的参数，调节示波器显示界面，得到的波形结果如图9所示。

图8 线下平台实验过程

图9 波形结果

图9 中，1 通道是原始模拟信号，2 通道是抽样脉冲信号，3 通道是抽样后信号，4 通道是抽样恢复信号，从波形结果可以看出与线上仿真平台的波形结果是一致的，因此，线上平台作为线下平台的预习和补充是可行的。另外，由于线下平台中示波器对于频域观测结果不是特别理想，而线上平台正好对线下平台的这一缺憾作了补充，可以从频域上对抽样定理的概念进行分析，又加深了学生对这一抽象概念的理解。

4 结束语

通信原理实验采用线上虚拟仿真与线下实验箱相结合的教学形式，采用线上仿真平台预习—线下实验箱操作—线上仿真平台补充的教学模式，解决了单纯实验箱教学的单一性和不完善性问题，使枯燥无味的实验课变得更加生动有趣，大大提高了学生的学习兴趣，丰富了实验课的教学资源，拓展了实验课教师的教学手段。经过几轮通信原理实验课程教学，学生反响不错，使得在疫情防控期间非但没有影响实验课的教学，还取得了明显的效果。