产教融合背景下虚拟仿真实验对通信工程专业的教育教学作用探析

［摘 要］新一代信息技术与产业变革快速发展，产教融合成为通信工程专业培养高素质人才的重要途径。目前，“5G+工业互联网”的生产流水线具有现实不可及、建设成本高、效果无法直观呈现、过程不可逆等特点，难以通过真实环境开展大规模的“5G+工业互联网”实验教学，无法满足信息产业快速发展对高素质创新型人才的需求。文章以“5G+工业互联网”资源优化虚拟仿真实验为例，分析了产教融合背景下通信工程专业开展虚拟仿真实验的必要性，阐述了“5G+工业互联网”资源优化虚拟仿真实验系统的设计思路和特色，并进一步探讨了虚拟仿真实验对通信工程专业建设、人才培养和课程建设方面的促进作用。

［关键词］产教融合；虚拟仿真实验；通信工程；“5G+工业互联网”；人才培养

［中图分类号］G642 ［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2024）15-0117-05

目前，“5G+工业互联网”已成为全面实施“5G新基建”和“数字中国”建设的重要组成部分。在新时代国家发展重大战略需求的牵引下，通信工程专业需深入推进基于产教融合的高质量人才培养教学改革，让学生深刻了解我国通信技术的发展和变迁，感受5G技术给社会生产带来的巨大改变及其在国家高质量发展中的重要作用，增强学生信息报国的社会责任感和时代使命感，实现“三全育人”的目标[1-2]。在现实环境下，“5G+工业互联网”的生产流水线场景复杂多变、难以重构，平台建设成本高、难以搭建，资源配置性能多样动态、难以可视，且实际生产制造过程具有不可逆转、难以反复等特点，导致高校难以在真实环境中开展大规模的“5G+工业互联网”现场教学。在产教融合背景下，为了有效培养满足新一代信息产业快速发展需求的创新型专业技术人才，基于虚实结合的虚拟仿真实验开展“5G+工业互联网”实验教学势在必行[3-4]。

党的二十大报告指出，要深入推进教育数字化。虚拟仿真实验是数字化教学的重要组成部分，可以在一定程度上解决我国东中西部高等教育资源不均衡的问题。2013年，教育部发布了《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》，计划在高校建设一批国家级虚拟仿真实验教学中心。2019年，教育部发布了《关于一流本科课程建设的实施意见》，将虚拟仿真实验教学项目纳入国家级一流课程建设。截至 2023 年 6 月，教育部认定的国家级虚拟仿真实验教学一流课程已达1200门[5]，在工、医、理、文、法等多个学科建成了虚拟仿真实验课程，认定的各级各类示范课程数目达到数千门，课程覆盖面广、受益面大[6]。

目前，高校已对虚拟仿真实验课程建设和实践进行了初步探索。基于OBE（Outcome⁃Based Education，成果导向教育）理念，邱胜海等[7]从教学目标、内容、考核等多个一级指标出发，构建了虚拟仿真实验教学的项目化评价体系。卢艳丽等[8]从国家一流课程建设实际出发，总结了虚拟仿真实验中教学内容构建、教学过程设计和科学教学评价三方面的建设经验。张玉芳等[9]分析了虚拟仿真实验对移动通信等课程教学的促进作用等。为了满足硕士研究生创新能力和工程实践能力的培养需求，朱辰等[10]提出了5G移动通信虚拟仿真平台的具体建设方案。然而，现有研究鲜有从产教融合视角出发，基于行业头部企业的“5G+工业互联网”生产流水线建设虚拟仿真实验教学项目，难以获得“5G+工业互联网”虚拟仿真实验对通信工程专业人才培养的实践经验。

鉴于此，本文以南京邮电大学通信工程专业“5G+工业互联网”资源优化虚拟仿真实验为研究对象，阐述通信工程专业开展虚拟仿真实验教学的必要性，总结出“5G+工业互联网”资源优化虚拟仿真实验的设计理念和特色，并进一步论证虚拟仿真实验对通信工程专业教学设计、人才培养和课程建设三方面的促进作用。

一、通信工程专业开展虚拟仿真实验教学的必要性

“5G+工业互联网”在实际应用中呈现行业特色明显、资源形态复杂、应用需求迥异等特点。针对不同的应用场景，“5G+工业互联网”资源优化的目标与视角各不相同，如果只依靠理论教学的方式来讲授“5G+工业互联网”场景下的系统建模和资源优化配置等专业知识，则无法让学生掌握真实环境下5G网络资源优化的操作技能，难以培养学生解决实际生产过程中复杂工程问题的能力。在产教融合背景下，基于通信企业的“5G+工业互联网”生产流水线开展实验教学，引入实际流水线工作流程中工业互联网资源优化配置问题进行真题真做，能够有效提升学生对“5G+工业互联网”场景下资源优化问题的理解能力和实践水平，有助于培养学生对工业互联网资源的优化设计能力。

然而，现实环境下的“5G+工业互联网”生产流水线不能完全用于开展实验教学。究其原因，主要有以下几点。第一，实际生产环境难以支撑实验教学。实装工业互联网生产线多为全自动、半无人的场景，生产过程自动化程度高，生产步骤之间衔接紧密，产能与企业效益直接相关，生产过程涉及大量企业内部机密和核心研发内容，不能完全用于开展高校实验教学。第二，高校搭建“5G+工业互联网”场景成本高。5G通信网络技术发展速度快，设备生命周期有限，购置和升级设备需要大量的经费投入，部分设备仪器还需要专业团队进行维护，普通高校难以负担如此高昂的建设成本。第三，网络优化效果无法直观呈现。“5G+工业互联网”生产流水线的网络运维依靠全数字化管理平台，网络资源配置引起的业务传输效果在实际生产线中体现为通信设备间的显式或隐式反馈，存在优化结果无法直观呈现的问题，难以实现对网络资源优化全过程的沉浸式学习，造成“5G+工业互联网”资源优化实验教学浮于表面，教学效果不佳。第四，生产流水线运行过程不可逆。实验实践教学过程需满足学生反复操作和多次试错等要求，但企业在实际生产过程中，以最大生产效率和最优良品率为目标进行流水线流程设计，出于成本、效益、时间、安全等方面考虑，实装生产线不适合开展实验教学。

由此可见，利用“5G+工业互联网”生产流水线开展实验教学存在诸多限制，目前通信工程专业难以面向大批学生开展该方向的现场实验教学，从而出现通信理论与实践脱节的问题，急需开发“5G+工业互联网”资源优化虚拟仿真实验平台，解决“5G+工业互联网”资源优化方法等教学难点，满足通信工程专业培养学生创新实践能力的要求，帮助学生深入理解“5G+工业互联网”生产场景中的复杂网络优化问题。

二、“5G+工业互联网”资源优化虚拟仿真实验设计思路与特色

南京邮电大学通信与信息工程学院（以下简称我院）始终坚持“以学生为中心”，依据通信工程国家一流专业的人才培养要求，搭建了“5G+工业互联网”资源优化虚拟仿真实验教学系统，并依托通信技术综合实验核心实践教学课程，开展了虚拟仿真实验教学，从而有效解决了“5G+工业互联网”资源优化在真实环境中存在的诸多问题，突破了传统认知型为主、结果趋同化严重的实验范式。同时，通过创新实验设计、开放实验结果，充分引导学生开展研究性和创新性学习。

（一）虚拟仿真实验教学设计

我院按照基础认知、任务实践、自主探究三个层次，结合由浅入深、循序渐进、问题导向的路线进行虚拟仿真实验教学设计（见图1），“5G+工业互联网”的时隙分配和帧结构设计体现了教学内容的创新性，生产流水线中小车和机械臂的时频资源联合配置体现了教学内容的高阶性和挑战度。虚拟仿真实验分为3个模块、14个实验步骤，采用直观演示、引导探究等教学方法，利用达成度函数对学生的操作结果进行打分，同时支持自主设计与探究，达到“一人一解、自主探究、持续改进”的教学目的。

第一阶段：基础认知，包含3个实验步骤。通过“‘5G+工业互联网’基础认知”模块，提供实验目的、生产流水线实验场景和实验流程等认知内容，使学生通过自主学习了解实验相关的背景知识。此外，提供“5G+工业互联网”的性能指标、传输速率计算公式、链路损耗模型、小区切换流程等实验引导资料，使学生通过阅读文字、观察图像和三维实景等方式，完成对“5G+工业互联网”时频资源配置和实验操作等内容的学习，为接下来完成虚拟仿真实验任务作准备。

第二阶段：任务实践，包含9个实验步骤。通过对“5G+工业互联网”时频资源设计流程进行梳理和重组，共设置三类实验项目：小车切换配置、小车/机械臂频域资源配置、小车/机械臂时域资源配置。每一类实验项目都有明确的教学目标和任务。小车切换配置项目教学目标是帮助学生掌握5G小区切换的实施原理与流程，需要学生在生产流水线运行过程中完成小车切换位置的配置，促进学生对“5G+工业互联网”下越区切换和多站点协同的深度理解。小车/机械臂频域资源配置项目教学目标是让学生依次完成小车和机械臂工作子载波的选择与调配，提高学生对“5G+工业互联网”频域资源参数进行优化设计的能力，培养学生解决复杂工程问题的综合能力。小车/机械臂时域资源配置项目教学目标是结合上一个任务的操作结果，让学生根据网络性能需求和时频参数间的关系，完成时域参数的优化配置，在反复试验与引导探索过程中，锻炼学生的工程设计能力，培养学生精益求精的大国工匠精神。

第三阶段：自主探究，包含2个实验步骤。全面开放“5G+工业互联网”时频资源联合配置过程，便于学生进行自主探究设计。以“小车及机械臂时频资源联合优化配置”任务为驱动，为学生提供开放性设计环境，结合探究性实验的要求，开展更具挑战度、探索性和高阶性的实验任务，培养学生的创新思维与综合设计能力，激发学生科技报国的使命担当。通过开展自主探究性综合实验任务教学，达到使学生掌握“5G+工业互联网”时频资源联合优化配置方法的教学目的。

（二）虚拟仿真实验教学方法

我院针对各个实验任务的具体特点，综合采用观察法、比较法、控制变量法、自主设计法等实验方法开展教学（见图2），使学生理解与掌握不同时频资源优化配置方式对网络性能的影响规律，帮助学生从不同视角科学有效地完成虚拟仿真实验。

观察法主要应用于“5G+工业互联网”基础认知和频域资源配置阶段。学生通过仔细观察，实现对“5G+工业互联网”结构的直观认识，通过依次观察生产流水线中各个设备节点，学习相关的5G通信理论知识，掌握完成“5G+工业互联网”资源优化实验所需的基础知识。

比较法主要应用于“5G+工业互联网”小车切换实验任务阶段。在小车沿生产流水线行驶过程中，学生通过滑块操作调整小车的切换位置，比较不同切换位置处接收信号强度的大小，根据切换流程的设计原理，确定最佳切换位置及切换信号门限，加深学生对“5G+工业互联网”越区切换技术的理解。

控制变量法主要应用于“5G+工业互联网”时域资源配置实验任务阶段。学生需确保通信性能指标符合生产流水线正常运行的要求，通过上下行时域资源分配以满足“5G+工业互联网”的传输时延要求。在时隙分配过程中，先根据上行传输需求确定所需的时域资源，然后在上行时隙确定的条件下，优化配置下行传输所需的时域资源。

自主设计法主要应用于“5G+工业互联网”时频资源联合优化模块阶段。学生以优化网络时延性能为设计目标，对生产流水线场景中的上下行时隙及子载波进行自主设计，得到不同设计方案所需的传输时延。如果参数设置错误，系统会弹出警告，并给出提示以引导学生修改时频资源分配方案，经过反复尝试得到满足设计目标要求的资源配置方案。

（三）虚拟仿真实验教学特色

针对通信企业的“5G+工业互联网”工程实践任务需求，虚拟仿真实验教学可有效培养学生解决复杂工程问题的综合能力。本实验将前沿科技成果转化为虚拟仿真教学资源，实现了科教融合。面向“5G+工业互联网”资源优化性能需求，引入国家自然科学基金工业互联网重大集成项目、国家自然科学基金面上项目的研究成果“网络建模和资源优化方法”，并将其转换为教学资源，精心构建了基于能力培养的分层次、模块化实验教学体系，实现了科研反哺教学。同时，本实验重构了“5G+工业互联网”生产流水线真实场景、实测数据和实际模型，有效实现了产教深度融合。结合中兴通讯南京滨江5G全球智能制造基地的生产流水线真实场景与实际生产任务、集成标准的工业互联网协议、实验系统中采用的性能指标与实际工业生产流水线要求一致等，引导学生实现对5G通信技术的深入学习和灵活运用。同时，将实验教学过程中的学生探究结果反向应用于实际的“5G+工业互联网”生产流水线，提高了通信企业的生产效率，实现了虚实结合。