基于Web的通信系統教學平臺的構建

王 永， 許夢姣， 張 毅， 蔣 青

(重慶郵電大學 通信與信息工程學院， 重慶 400065)

基于Web的通信系統教學平臺的構建

王 永， 許夢姣， 張 毅， 蔣 青

(重慶郵電大學 通信與信息工程學院， 重慶 400065)

本文通過分析通信系統傳統實踐教學方式存在的問題，構建了一套基于Web的遠程仿真實驗平臺，該平臺采用Matlab Builder JA、JSP、Servlet和JavaScript技術開發。運行在遠程服務器中的Matlab仿真程序通過Web接受可變的參數，并采用WebFigure技術直觀的呈現仿真結果。該平臺對客戶端系統的軟件和硬件環境不做要求，因此學生可以通過任何安裝了標準瀏覽器的設備進行訪問。

實踐教學；Matlab Builder JA；遠程實驗

0 引言

在通信工程專業的課程設置中，實踐教學是不可或缺的重要環節，而對通信技術和鏈路進行仿真分析則是實踐環節中最為常用的教學手段[1]。各大高校也通過開設基于仿真的實踐課程，通過Matlab等仿真工具，幫助學生加深對通信技術中基本概念的理解，把握通信鏈路的結構，了解有關通信系統中的技術指標及改善系統性能的基本技術措施，為學生全面、系統地了解通信系統提供了重要的渠道。實踐課程的優化，可以增強學生的感性認識，實現由課本知識向實際能力的轉化，提高實踐動手能力[2]。

1 當前課程存在的問題

在當前通信系統實踐課程中，功能齊全的大型Matlab仿真系統已經成為實踐教學和訓練的有效方法和手段。但由于系統軟件有限的生命周期，硬件成本和維護成本高、學習場地、學習時間無法靈活制定，以及硬件數量有限等原因的限制，使得傳統教學方式存在著下列問題[3]：

(1)仿真工具運行環境單一。傳統的課程實驗基于單機，因此必須在所有開放實驗室的PC終端上安裝仿真工具，系統維護工作量大，難以保證環境一致性。此外，仿真工具支持的軟硬件平臺相對單一，僅能在安裝有Windows和Linux等系統的PC上運行，無法支持大量的移動掌上終端，不利于學生隨時隨地運行仿真代碼和查閱仿真數據。

(2)實踐時間地點固定。多數高校的實驗室并不能做到全天開放，學生使用相關設備需要按照課表安排或者提前預約。有限的實驗室資源增加了學生參與實踐所需花費的時間成本，同時也難以同學生自主學習的時間安排保持同步和一致。另外，學生在認識過程中，有大量“碎片化”的仿真需求，這些需求往往只需要花少量的時間，運行有限的幾個仿真流程即可鞏固認知，當前的實踐課程模式顯然無法滿足此類需求[4]。

(3)實驗設備維護工作量巨大。當前開放實驗室機房存放大量的終端，當學生進行課堂實踐后，需要將終端環境復位，以迎接下一批學生。雖然有相應系統軟件的支持，但是在實際運行過程中，由于系統軟硬件環境的復雜性，學生操作過程的隨意性和一些誤操作，導致課前、課后，維護人員都需要花費大量人力和時間來維護實驗環境。

(4)難以進行數據分析。在當前的課堂實踐課程中，每個學生在相對獨立的環境中編寫和調試代碼，指導教師通過集中講授和實時巡場的方式來提供指導。這種方式交互性強，靈活性高，能提供差異化的教學服務。但是，學生整體在實踐中的表現，普遍存在的難點，以及學生的學習熱點等統計數據僅能通過教師的主觀感受來獲得，導致數據不夠客觀，難以記錄，難以量化，從而無法進行大數據統計分析。

2 平臺的構建

鑒于上述現有的教學方式存在的諸多弊端，以及當前網絡技術尤其是移動互聯網技術的飛速發展，在現有課堂實踐的基礎上，將仿真實驗虛擬化、網絡化、Web化成為必然。

使用Matlab Builder JA和基于Java的Web后臺技術，我們可以將調制解調、信源編譯碼、信道編譯碼、加解密編碼、A/D轉換等等通信關鍵技術移植到網絡上[5]。學生在初學階段，可以暫時不去考慮繁瑣的代碼細節，通過Web頁面訪問預置的仿真流程，在頁面上填寫仿真參數，通過后臺實時運行，在瀏覽器中獲取仿真結果。通過該平臺，學生甚至可以在理論課的課堂上，迅速通過掌上終端運行仿真程序，從而在第一時間獲取對通信技術的感性認識，消除陌生感和恐懼感。在學習的高級階段，學生可以通過平臺修改仿真代碼，加入自己設計的算法，驗證理論分析的結果。從而滿足學生在不同學習階段，隨時隨地的仿真需求[6]。

2.1平臺的技術原理

創建遠程實踐平臺所需要的核心技術為Matlab Builder JA和Java Web服務端技術。Matlab Builder JA技術允許開發者將Matlab代碼編譯為Java代碼，創建基于Matlab的Java類，部署在服務器上接受遠程調用。這種方式可以充分利用Matlab在數值計算和圖像處理等工程技術領域的強大優勢和廣泛的資源，方便快捷的創建用于通信鏈路仿真的代碼。而編譯后的Java類則可以方便的被Java程序調用，從而利用Java在Web服務器端的強大技術優勢和各種通用框架，快速地構建服務端邏輯，搭建Web服務器。平臺的整體結構如圖1所示，Servlet接受用戶的仿真請求，并將請求分派給Matlab服務器的相應模塊；獲得返回值后，通過JSP頁面展示給用戶。

圖1 平臺整體框圖

搭建平臺的基本步驟如下：

1)創建Matlab代碼

創建用于通信關鍵技術仿真的Matlab代碼，對于已經開設仿真實踐課程的高校，這部分代碼是已有的，僅需將仿真函數的輸出轉化為WebFigure即可；

2)編譯仿真代碼

將仿真代碼通過Matlab Builder JA工具編譯為Java類，并打包為JAR文件；

3)編寫服務端Servlet

在Web服務端編寫Servlet，用于處理遠程用戶提供的參數，將網頁格式的參數轉換為符合Matlab函數調用要求的格式，并根據用戶的POST信息，調用正確的仿真函數。同時，該Servlet還需要解析Matlab函數的仿真輸出，將其中的數據和圖像通過表格或者WebFigure的形式投射到輸出頁面上；

4)編寫輸入端JSP頁面

提供用戶訪問仿真的入口，在此頁面上還需提供各種參數的輸入界面[7]；

5)編寫輸出JSP端頁面

編寫輸出頁面，將Servlet輸出的仿真結果合理且美觀的呈現給用戶；

6)編寫服務端高級調用接口

在服務端通過Java代碼，實現對用戶輸入、調用等行為的數據收集、處理并形成報表。提供用戶替換內置仿真程序的接口，讓學生有機會驗證自己設計的算法并與預置算法進行對比[8]。

2.2平臺實現的功能

該遠程平臺可以照顧不同基礎學生的能力和潛力，既讓所有學生有信心，又讓學生感到有挑戰性，并有助于教師掌握學生的學習過程。平臺將實現如下幾個方面的內容：

(1)平臺將提供模擬調制系統、信源編碼和信道編碼、數字信號基帶和頻帶傳輸、數字基帶眼圖等一系列經典實驗的代碼。對于初學者或基礎較薄弱的同學，只需輸入相關參數，即可得到仿真結果，無需輸入冗長復雜的實驗代碼。

(2)平臺同時提供標準接口，允許學生自主編寫模塊。在開發模式下，學生可以自主開發模塊并入平臺鏈路，觀察運行結果，并與預置結果進行對比。鍛煉了學生自己設計和獨立完成實驗項目的能力，符合現在開放性的管理教育模式和創新的新趨勢。

(3)平臺將提供學生實踐行為的大數據分析，通過搜集學生在使用平臺過程中的行為特征，結合大數據分析算法，平臺可以向主講教師提供學生在學習過程中的熱點和難點，幫助教師調整教學計劃。

2.3平臺示例

本節通過數字基帶信號的眼圖仿真，展示了該系統的使用方法。用戶通過手機瀏覽器訪問Web服務器的眼圖仿真模塊，在參數頁面填寫仿真參數，包括碼元速率、滾降系數和信噪比，如圖2所示。用戶提交參數后，服務器將在后臺運行仿真，并將仿真結果返回用戶的瀏覽器，如圖3所示。通過該示例可見，手機端無需安裝任何特殊軟件，即可訪問仿真平臺。

圖2 眼圖參數設置頁面截圖

圖3 眼圖仿真輸出頁面截圖

3 平臺的特色

教學手段和環境是教學過程中重要的教學要素之一，為了解決傳統教學方式存在的問題，我們搭建一套基于B/S架構的通信鏈路仿真平臺。該平臺融合了Web技術和Matlab仿真技術，旨在為教師和學生提供一種基于瀏覽器訪問的、輕量級的教學演示手段和實驗手段。通過該平臺，理論課教師授課時可以隨時通過瀏覽器運行仿真，直觀地展示結果，增強授課效果；學生課后可以隨時登錄平臺做實驗，鞏固知識，驗證猜想；實驗、實踐課上，學生可以自主編寫模塊來并入平臺鏈路，降低其學習難度，增強成就感，激發學習動力。因此，該平臺的實施具有以下好處：

(1)便于進行碎片化學習。該平臺對于用戶的終端軟硬件平臺沒有任何限制，只需能運行瀏覽器即可，降低了運行仿真的門檻和時間成本，為學生學習提供了極大的便利。學生甚至可以通過手機、平板等掌上設備來運行仿真，符合移動互聯時代學生“碎片化”的學習習慣。移動網絡使隨時、隨地運行仿真成為可能。

(2)提供更簡便的操作體驗。Web化的平臺，將給學生帶來更簡便的操作體驗，學生只需進行登錄操作，就可以進行Matlab代碼的仿真實驗，該平臺會將服務器反饋結果呈現在學生的操作界面上。

(3)有利于學生構建整體的知識體系。學生可以運行單模塊的仿真，把握通信系統中的關鍵技術；也可以運行鏈路仿真，構造完整的知識體系，讓學生很好地建立起對通信系統整體的概念，有利于學生從全局角度把握通信系統。

(4)具有極高的開放性和交互性。該平臺對于進入平臺學習的用戶沒有限制，只需注冊賬號或者用學生賬號進行登錄即可。平臺根據用戶的操作進行快速的反饋，并搜集學生的仿真行為進行后臺分析。

(5)支持多用戶。該平臺可以支持多個用戶訪問，同時運行多個任務并將不同的結果呈現給不同的用戶，實時性好，靈活性高，功能強大而穩定。

(6)實現遠程實驗教學。學生可以自主開發模塊并入平臺鏈路，觀察運行結果。通過不同模式的切換，該平臺在學生學習的不同階段提供了難度不同的學習輔助手段，培養學習興趣，增強學習效果，也將大大減少了對教育資源的消耗。

4 結語

本文介紹的基于Web的虛擬仿真平臺無論是在遠程教學過程中，還是在校園數字化建設以及課程建設中，它的重要性都日益突出。虛擬仿真實踐教學，加深了學生對課堂知識的理解，提高了學生的專業興趣和創新思維，有助于培養與加強學生的工程實踐能力。在實驗平臺上學生可以隨時隨地進行實踐，而教師則可以便捷的進行過程和行為管理，為教學相長提供了理想途徑。 同時該平臺也降低了辦學成本，提高了教學資源的利用率[9]。

[1] 樊昌信，曹麗娜．通信原理(第六版)[M]. 北京:國防工業出版社, 2006年9月.

[2] 劉宏波, 李麗華, 劉琴濤. .Matlab在通信原理課程教學中應用案例[J]. 北京:實驗技術與管理, 2009,26(10)： 87?89.

[3] 鐘麗輝，呂丹桔.基于Matlab的通信原理實驗教學改革[J]. 西安:電子設計工程, 2012(6): 76-78.

[4] 馬冬梅, 朱正偉. 通信原理實驗教學的改革與探索[J]. 實驗室科學，2010(4): 17-19.

[5] 高博, 楊燕, 胡建軍. 基于Matlab的QPSK系統設計仿真[J]. 北京:科學技術與工程, 2010, (5): 1124-1127．

[6] 楊達亮,盧子廣,杭乃善. 電力電子技術實驗改革與實踐創新平臺建設[J]. 北京:實驗技術與管理, 2013,30(8)：171-174.

[7] David Flanagan. JavaScript權威指南第6版[M]. 北京:機械工業出版社, 2012年10月.

[8] 杭海梅. 基于Web的網絡化虛擬儀器技術及應用[J]. 蘇州:企業技術開發, 2010, (11): 10-12．

[9] 田瑩，盧金玉，劉宴濤．基于Matlab/Simulink的通信原理虛擬仿真實驗教學方法研究[J]. 西安:現代電子技術,2015(14):28-30.

ConstructionofTeachingPlatformofCommunicationSystembasedonWeb

WANGYong,XUMeng-jiao,ZHANGYi,JIANGQing

(SchoolofCommunicationandInformationEngineering，ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications，Chongqing400065，China)

Based on the problems existing in the practice teaching of communication system, a Web-based remote simulation system about communication experiment is developed, by using the tools of Matlab Builder JA, JSP, Servlet and JavaScript. By running parameters changeable Matlab program on the remote web server, the experimental result is simulated and displayed in the browser by WebFigure. The client is hardware and software independence, so that the students can visit the remote server by any device with standard web browser.

practice teaching; Matlab Builder JA; remote experiment

2016-10-09;

2017-01-09

基于網絡的通信原理虛擬實驗仿真平臺的設計與實現(CIE-JG2015-0104)

王 永(1979-)，男，碩士，講師，主要從事無線移動通信系統和通信軟件開發的教學和研究工作，E-mail：wangyong@cqupt.edu.cn

G434

A

1008-0686(2017)05-0142-04