电子信息技术虚拟仿真实验教学平台的建设与实践

马学条, 程知群, 郑雪峰, 王永慧

(杭州电子科技大学 国家级电子信息技术虚拟仿真实验教学中心, 浙江 杭州 310018)

杭州电子科技大学电子信息技术虚拟仿真实验教学中心(下称中心)依托于国家级电工电子实验教学示范中心、电子科学与技术国家级优势特色专业、电子信息工程国家级优势特色专业和EDA技术国家级精品课程等教学科研平台，建设了包括集成电路与集成系统、EDA技术、现代数字技术、DSP与嵌入式系统应用等20多个虚拟仿真实验室，并于2014年入选教育部公布的首批100个国家级虚拟仿真实验教学中心[1]。

中心结合电子信息类专业特点,将现代信息技术运用到实验教学中,支持和鼓励师生自主研发各类虚拟仿真实验教学设备及教学项目[2]。中心本着虚实融合、优势互补的原则,开发和建设了基本实验教学、科研成果转化、企业合作共享三大类电子信息技术虚拟仿真实验教学平台。所构建的平台涵盖了17个系列的虚拟仿真实验项目,借助开放式虚拟仿真实验教学管理系统,每年面向校内外8 000多名学生开放,学生通过网络,远程调用云端服务器上的仿真软件,进行创新性实验设计。

1 虚拟仿真实验教学平台建设思路

充分利用虚拟仿真技术,解决高成本、长周期与不可及的实验教学难题,弥补受地域环境、仪器设备和安全因素等限制的现实问题,对于探索实验教学新模式、培养电子信息人才具有重要而深远的意义[3]。虚拟仿真实验教学平台的建设需要实现4方面功能。

(1) 体系化的分层次虚拟实验教学。电子信息类专业课程包括专业基础课、专业课和应用实践3个层次。虚拟仿真实验教学要覆盖5个阶段:(1)器件和电路,采用Pspice、Mulitisim、ADS等仿真软件,结合LabVIEW等工具软件,实现半导体物理与器件、集成电路基础、数字电路等实验设计；(2)信号和处理,结合Verilog、DSP builder、Matlab等工具软件,实现信号采集分析与处理；(3)传输和控制,结合Simulink、Opnet和GX Simulator等,实现通信传输和控制实验；(4)单元和系统,结合Proteus、Quartus Ⅱ等,实现功能单元和集成系统设计；(5)设计和应用,结合Protel、Orcad、Padscad等布线软件,实现从设计到应用级仿真。通过5个阶段的实验教学,学生可以将碎片化的电子信息知识连结起来,构建相对完整的电子信息理论体系。

(2) 科学研究与实践教学良性互动。坚持实验教学与科研相结合,以教促研,以研促学,实现教研相长。把部分科研案例、科研成果及先进的科研方法引入实验教学中,增强实验教学的生动性,开阔学生的视野和知识面。紧密跟踪学科发展,构建适应新技术发展的实验教学体系,以满足现代社会和业界对电子信息人才的需要[4]。此外,应吸收部分学生在业余时间参与科研项目的开发和实验室的建设,增强学生的实践动手能力、培养学生的创新精神。

(3) 自编教材、自制仪器与实验内容改革一体化建设。采用自编教材、自制仪器与实验内容改革一体化建设的方法,充分利用先进科学技术,采取多样化实验手段辅助实验教学,鼓励和支持实验教师自制实验教学仪器和自编实验教材,使实验内容、实验教材和实验仪器同步配套,保证实验教学紧密跟踪新技术发展。

(4) 教学资源优质化与可持续性。注重培养学生的创新创业能力,把虚拟仿真技术融入实验教学之中。从科研项目和解决工程实际问题出发,提炼综合设计型虚拟仿真实验项目。虚拟仿真实验教学案例库建设流程如图1所示,案例库项目首先用于实验教学,学生将实验教学项目进行功能拓展后可用于课外科技项目申报,课外科技项目进行持续优化后可进行产学合作孵化,成功孵化和培育的产学项目经过提炼回馈到实验教学案例库中。基于虚拟仿真实验教学平台,构建虚实融合的动态实验教学体系,实现开放共享的虚实融合实验教学模式。加强与国内外知名电子信息企业联合共建实验室与实训基地,研制和推广结合学科前沿、专业与行业特色鲜明的虚拟仿真教学设备,持续积累与更新实验教学案例库,确保教学资源的优质化性和可持续性[5]。

图1 电子信息技术虚拟仿真实验教学平台案例库建设流程

2 电子信息技术虚拟仿真实验教学平台设计

基于虚拟仿真实验教学平台,开发了一系列传统实验难以实现而有利于学生设计、综合和创新能力培养的虚拟仿真实验项目。应用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库、数字化设计、计算机仿真和网络通信技术,实现课内与课外、校内与校外、网上与网下、现实与虚拟的融合,致力于虚拟仿真实验和传统实验相结合的实验教学方法改革与创新。电子信息技术虚拟仿真实验教学平台包括基本实验教学、科研成果转化、企业合作共享三大类,平台组成架构如图2所示。

2.1 基本实验教学资源虚拟仿真教学平台

该平台包含电子设计、系统设计和工程应用3部分虚拟仿真实验内容,注重学生基本技能的培养。

电子设计包括“数字电路系统设计与仿真实验”“模拟电路系统设计与仿真实验”“集成电路设计与仿真实验”和“基于开源模块的片上系统虚拟实验”。

系统设计包括“基于NetFPGA的参考路由器”“程序设计仿真实验”“远程计算机控制技术仿真”和“系统集成虚拟设计”。

工程应用包括“运动控制应用仿真实验”“机器人虚拟现实仿真实验”“流程工业拟实仿真实验”和“炸药生产线拟实仿真实验”。

2.2 科研成果转化资源虚拟仿真教学平台

该平台由“高度仿真环境下的虚拟现实平台”和“云计算与应用软件共享实验平台”两部分组成,注重学生新技术及应用能力的培养。依托我校电子科学与技术、电子信息工程等国家级优势特色学科,将科研成果转化为实验教学资源,科研反哺实验教学,以高素质人才培养作为科研工作的出发点与落脚点,将学科建设的成果转化为人才培养优势。

2.3 校企合作共享资源虚拟仿真教学平台

该平台主要由校企共建的“大学生科技创新虚实结合实验平台”、校企合作开发的“信息化实验教学平台”和“物联网虚拟实验平台”3部分组成。平台注重学生工程应用能力和综合创新能力的培养,从解决实际工程问题出发,采用工程通用仿真软件进行电路仿真设计、虚实结合调试、产学研项目开发等逐级深入的实践培养环节；与行业应用实现无缝对接,满足电子信息技术人才培养需要。利用此平台,让学生达到在实验室所学所见即工业现场所用,在建立现代工业自动化的宏观概念同时,实现仿真系统、真实过程控制系统的组态调试[6-7]。

图2 电子信息技术虚拟仿真实验教学平台组成架构

3 开放式虚拟仿真实验教学管理系统

中心根据教育信息化发展规划,结合教学实际,探索和推广以实验资源网络化、实验活动远程化、实验管理信息化为特征的实验教学模式；联合相关专业公司,开发了开放式虚拟仿真实验教学管理系统[8]。

3.1 系统架构

以深化实验室教学改革为指导,以实验室管理流程和基本事务管理为核心,以规范实验室管理信息化为准则。开放式虚拟仿真实验教学管理系统采用B/S结构,实现了集虚拟仿真实验教学、实验室管理、门户网站管理等功能于一体。如图3所示,学生只需连接网络,通过该教学管理系统,即可在寝室、实验室或教室等区域共享实验教学资源,无限制地进行虚拟仿真实验操作,远程提交仿真结果,达到处处能学、时时可学的泛在化学习[9]。

图3 远程虚拟仿真实验教学流程图

3.2 实验教学管理

实验教学管理包括实验预习管理、实验考勤管理、实验准备管理、实验过程考核、实验报告管理、实验成绩管理等(见图4)。实验教学管理模块的功能实现,能够确保实验教学的质量和秩序[10]。

图4 实验教学管理系统功能架构

通过实验教学管理系统,教师在实验前将根据教务处的开课计划进行实验库的维护、实验安排、上传实验资源等；在实验中能够利用该系统进行考勤管理、查看学生实验进展、现场给学生实验打分,实验后能够在线查看学生的实验报告、批改实验结果、导出实验报告,并能够统计并发布实验成绩。

通过该系统,学生在实验前根据任课教师的要求,进行实验前的预习,并记录自己的预习情况,通过考核后进入实验室进行实验；在实验过程中,能够借助系统的智能指导和互动交流功能获得实验帮助,提升实验设计能力。

4 示范性虚拟仿真实验教学项目建设

依托电子信息技术虚拟仿真实验教学平台,进行了电子信息技术虚拟仿真示范性实验教学项目的建设。教学项目包括基本电子技术验证性仿真实验、简单电子系统仿真实验、复杂电子系统仿真实验和虚实结合实验等与电子技术相关的实验案例。实验教学采用工程仿真软件进行复杂电子系统设计,解决了高成本与不可及的实验难题,开发了调幅通信系统仿真、任意波形信号发生器设计和射频微波远程实验等软件共享、仪器共享和远程控制3类虚拟仿真实验。这些虚拟仿真实验对接行业应用,满足了电子技术人才培养需要。在线虚拟仿真实验教学流程如图5所示。

图5 在线虚拟仿真实验教学流程

5 结语

中心始终坚持以学生为主体,以培养学生综合能力为目标,坚持实验教学与科研相结合,坚持虚实融合的实验教学模式,使学生在自主创新设计、工程协作、及表达写作等方面得到有效训练。中心坚持多样化实验手段辅助实验教学,通过教学的启迪和大量有创意的实验项目训练,使学生在基础理论、实践能力和创新精神三方面得到同步收获[11-12]。

在整合校内实验资源的基础上,中心充分发挥了电子信息特色与虚拟仿真实验教学优势,与兄弟院校开展广泛的交流和合作,加强实验教学平台的共建共享,以此带动周边学校和浙江省其他高校虚拟仿真实验平台的建设和发展。中心积极联合周边院校共同研究探索有利于虚拟仿真实验教学项目开放共享的教学绩效考核激励机制,建立并试点运行高教园区内互认的虚拟仿真实验考核评价机制。