虛實(shí)結(jié)合分層遞進(jìn)的電子信息工程實(shí)驗(yàn)體系建設(shè)

周亞同, 武 一, 常和玲, 馬 杰

(河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 天津 300401)

虛實(shí)結(jié)合分層遞進(jìn)的電子信息工程實(shí)驗(yàn)體系建設(shè)

周亞同, 武 一, 常和玲, 馬 杰

(河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 天津 300401)

電子信息工程專(zhuān)業(yè)現(xiàn)有的實(shí)操型實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)型、拓展型、綜合型和創(chuàng)新型等4個(gè)逐步遞進(jìn)的層次。這種“分層遞進(jìn)”的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系具有設(shè)備費(fèi)用昂高、損耗大、污染嚴(yán)重等固有弱點(diǎn)。為此提出將實(shí)操型實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，通過(guò)研制開(kāi)發(fā)和引進(jìn)購(gòu)置虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K，構(gòu)建“虛實(shí)結(jié)合、分層遞進(jìn)”的全新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，達(dá)到這兩種實(shí)驗(yàn)室教學(xué)模式優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的目的。并給出兩個(gè)虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，以此展示新教學(xué)體系的優(yōu)勢(shì)。新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系將現(xiàn)代科技與傳統(tǒng)教學(xué)相融合，既增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和分析創(chuàng)新能力，又提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)效率，對(duì)工科專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究有一定參考價(jià)值。

電子信息工程； 虛實(shí)結(jié)合； 分層遞進(jìn)； 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

0 引 言

隨著京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要出臺(tái)，培養(yǎng)符合本區(qū)域電子信息工程類(lèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的復(fù)合型、應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才已成為當(dāng)?shù)馗咝５闹匾繕?biāo)之一[1]。在人才培養(yǎng)的整個(gè)環(huán)節(jié)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是很重要的一環(huán)。尤其對(duì)理工科院校培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力、開(kāi)發(fā)創(chuàng)新意識(shí)以及提升大學(xué)生綜合素質(zhì)等方面舉足輕重[2]。

河北工業(yè)大學(xué)作為河北省唯一“211”重點(diǎn)工科類(lèi)大學(xué)，秉承“工學(xué)并舉”的辦學(xué)傳統(tǒng)和特色，在為京津冀地區(qū)培養(yǎng)電子信息類(lèi)高等工程人才方面扮演著重要角色[3]。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，我校在原有電子信息工程實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)上不斷擴(kuò)充，購(gòu)置了大批先進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，培養(yǎng)了一批合格的實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍，開(kāi)拓了一些校企合作實(shí)驗(yàn)基地，初步形成了較為完備的實(shí)操型實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。在這套體系中，“分層遞進(jìn)”是其一大特色。即把所有實(shí)驗(yàn)分成基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)、拓展型實(shí)驗(yàn)、綜合型實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)等4個(gè)逐步遞進(jìn)的層次。但上面這種傳統(tǒng)實(shí)操型實(shí)驗(yàn)體系有其固有弱點(diǎn)，例如教學(xué)形式單一、受時(shí)間空間限制較大、部分實(shí)驗(yàn)成本較高等[4]。當(dāng)前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)已逐步走向成熟，如何有效將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)操型實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)建“虛實(shí)結(jié)合、分層遞進(jìn)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，是目前我校實(shí)驗(yàn)建設(shè)亟待解決的重要問(wèn)題。

1 虛實(shí)結(jié)合分層遞進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的必要性

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)旨在結(jié)合當(dāng)今高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過(guò)軟件模擬仿真技術(shù)達(dá)到真實(shí)的實(shí)驗(yàn)效果，是目前各高校高度重視的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系新模式[5-6]。它克服了傳統(tǒng)實(shí)操型教學(xué)實(shí)驗(yàn)暴露的一些缺陷和不足，如設(shè)備費(fèi)用昂貴、損耗大、污染嚴(yán)重等；解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式單一、受限于時(shí)間和空間等條件限制。但是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)同樣也存在不足:① 回避了實(shí)操型實(shí)驗(yàn)在理工科專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要地位[7];② 不能完全顯示實(shí)操型實(shí)驗(yàn)由于操作細(xì)節(jié)失誤及具體環(huán)境變化所導(dǎo)致的各種誤差的出現(xiàn)以及相應(yīng)的解決辦法，致使學(xué)生不能很好學(xué)習(xí)并處理實(shí)際問(wèn)題的能力等。因此實(shí)操型實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)和處理實(shí)際問(wèn)題的能力同樣不能忽視[8]。最佳辦法是將二者融合，形成“虛實(shí)結(jié)合”的新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

目前我校的實(shí)操型實(shí)驗(yàn)采用“分層遞進(jìn)”體系，該體系具有明顯優(yōu)勢(shì)，在把實(shí)驗(yàn)分成基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)、拓展型實(shí)驗(yàn)、綜合型實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)等4個(gè)逐步遞進(jìn)的層次以后，基于不同年級(jí)學(xué)生的工程背景和知識(shí)體系引導(dǎo)學(xué)生循序漸進(jìn)地進(jìn)入各自的實(shí)驗(yàn)層次，完成相應(yīng)的實(shí)踐訓(xùn)練內(nèi)容[9]。在打好基礎(chǔ)之后，逐步推進(jìn)到更高層次的平臺(tái)學(xué)習(xí)，長(zhǎng)此以往勢(shì)必會(huì)提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的信心和興趣，逐步提高和鍛煉學(xué)生綜合分析和創(chuàng)新能力?；谝陨显?，電子信息工程專(zhuān)業(yè)提出將分層遞進(jìn)和虛實(shí)結(jié)合，構(gòu)建“虛實(shí)結(jié)合、分層遞進(jìn)”的完整實(shí)驗(yàn)體系。

2 現(xiàn)有分層遞進(jìn)的實(shí)操型實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

通過(guò)轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)教學(xué)觀念、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，電子信息工程專(zhuān)業(yè)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行了一系列改革與探索，完善基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)與畢業(yè)設(shè)計(jì)等各個(gè)環(huán)節(jié)，豐富基本訓(xùn)練、拓展訓(xùn)練、綜合提高、創(chuàng)新設(shè)計(jì)等不同層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，最終形成了分層遞進(jìn)的實(shí)操型實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系(見(jiàn)圖1)。具體分成基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)、拓展型實(shí)驗(yàn)、綜合型實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)等4個(gè)層次。其中基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)是讓學(xué)生掌握最基本的軟件應(yīng)用及硬件認(rèn)知；拓展型實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)學(xué)生能夠熟悉掌握最基本的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)技能；綜合型實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)學(xué)生在掌握基本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高綜合設(shè)計(jì)能力；創(chuàng)新型型實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)學(xué)過(guò)的所有技能進(jìn)行整合延伸，培養(yǎng)科學(xué)研究能力。

圖1 電子信息工程專(zhuān)業(yè)實(shí)操型實(shí)驗(yàn)的分層遞進(jìn)關(guān)系圖

2.1 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍建設(shè)

為了使上述分層遞進(jìn)的實(shí)操型實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系有效運(yùn)轉(zhuǎn)，電子信息工程專(zhuān)業(yè)不斷充實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍，匯聚了一批高水平的實(shí)驗(yàn)教師和工程技術(shù)人員。為進(jìn)一步調(diào)動(dòng)實(shí)驗(yàn)教師積極性，提高教學(xué)實(shí)驗(yàn)水平，更好地發(fā)揮技術(shù)人員在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用，還采用校外聘請(qǐng)企業(yè)科研人員參與實(shí)驗(yàn)的方式，將實(shí)驗(yàn)研究與社會(huì)應(yīng)用相結(jié)合，使畢業(yè)生更快適應(yīng)于社會(huì)企業(yè)的需要。另外從國(guó)內(nèi)外著名高校引進(jìn)年輕博士充實(shí)實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍，并為他們提供培訓(xùn)和進(jìn)修機(jī)會(huì)。

2.2 創(chuàng)建校企合作實(shí)驗(yàn)基地

在分層遞進(jìn)實(shí)操型實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中，生產(chǎn)實(shí)習(xí)、電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、畢業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新課題等環(huán)節(jié)，都離不開(kāi)校外企業(yè)支持和配合。根據(jù)學(xué)校所在地天津?qū)﹄娮有畔㈩?lèi)人才的需求，建立了學(xué)校與社會(huì)協(xié)同培養(yǎng)人才的新機(jī)制。聯(lián)合社會(huì)資源，利用社會(huì)力量，共建實(shí)驗(yàn)室與創(chuàng)新基地、實(shí)習(xí)和工程實(shí)踐基地等，向社會(huì)輸送更多迅速適應(yīng)市場(chǎng)需求的人才，提高學(xué)生就業(yè)率，增加學(xué)生的就業(yè)前景[10-12]。

3 虛實(shí)結(jié)合分層遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系探索

為了充實(shí)完善上述分層遞進(jìn)的實(shí)操型實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，電子信息工程專(zhuān)業(yè)研制開(kāi)發(fā)和引進(jìn)了一些虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K，初步形成了虛實(shí)結(jié)合的新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系(見(jiàn)圖2)。從縱向看體現(xiàn)的是分層遞進(jìn)，從橫向看體現(xiàn)的是虛實(shí)結(jié)合。學(xué)生在虛擬環(huán)境中可以通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)原理框圖，調(diào)節(jié)虛擬儀器參數(shù)，模擬真實(shí)的電路實(shí)驗(yàn)過(guò)程。通過(guò)對(duì)各種虛擬儀器設(shè)備表觀察電路仿真的結(jié)果，學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)操作，把課本知識(shí)聯(lián)系起來(lái)，鞏固所學(xué)知識(shí)增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣，提高設(shè)計(jì)和實(shí)踐動(dòng)手能力[13]。接下來(lái)再在實(shí)物儀器設(shè)備上進(jìn)行操作，這樣既熟悉了實(shí)驗(yàn)原理；又避免了實(shí)驗(yàn)器材因不合理使用而造成成本的增加[14-15]。

圖2 我校電子信息工程虛實(shí)結(jié)合分層遞進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系圖

虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系避免實(shí)操型實(shí)驗(yàn)的時(shí)空限制，通過(guò)虛擬平臺(tái)設(shè)計(jì)搭建仿真，結(jié)合實(shí)物硬件配置調(diào)試。虛實(shí)結(jié)合優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，既彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)操型實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)大量投入、實(shí)驗(yàn)器材損耗大的不足，又改善了學(xué)生僅做過(guò)于理想化虛擬實(shí)驗(yàn)而無(wú)法處理排除真實(shí)環(huán)境產(chǎn)生的各種故障和誤差的能力。教師在整個(gè)實(shí)驗(yàn)體系中起到演示講解、啟發(fā)指導(dǎo)、幫助探究的作用，學(xué)生則通過(guò)認(rèn)證觀摩老師講解，再反復(fù)練習(xí)，熟悉深化掌握，達(dá)到綜合分析、自行創(chuàng)新的能力。從而逐步引導(dǎo)學(xué)生由基礎(chǔ)、提高再深化到科學(xué)研究能力。該實(shí)驗(yàn)體系還很容易實(shí)現(xiàn)科教互哺，讓本科生提前進(jìn)入教師課題組參加科研項(xiàng)目，由導(dǎo)師指導(dǎo)學(xué)生完成一些綜合型實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。導(dǎo)師也可以將科研成果應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)科研與教學(xué)互促進(jìn)，提升學(xué)生的科學(xué)研究和科技創(chuàng)新能力[16]。

4 虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例剖析

4.1 案例1：電子線路虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)舉例

電子信息工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生在開(kāi)展電子線路課程(非線性部分)實(shí)驗(yàn)時(shí)，涉及的元器件非常多，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在正式進(jìn)行實(shí)物操作前，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)既可以熟悉電路搭建又可以有效減少元器件在實(shí)操型試驗(yàn)中的損耗。以互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器實(shí)驗(yàn)為例：圖3為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及仿真調(diào)試結(jié)果，圖4所示為實(shí)操型實(shí)驗(yàn)使用的電路板等相關(guān)硬件元件。

圖3 互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器電路虛擬仿真效果

圖4 互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大器電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在具體實(shí)驗(yàn)中首先結(jié)合教材給出的電路圖。然后利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電路設(shè)計(jì)和仿真功能以及電路參數(shù)調(diào)節(jié)的靈活性，建立OTL低頻功率放大電路仿真并確定直流工作點(diǎn)，測(cè)量放大器的功率性能指標(biāo)，弄清自舉電容在電路中的作用，利用仿真平臺(tái)自帶的虛擬儀器進(jìn)行測(cè)試。最后在電路板上進(jìn)行真實(shí)實(shí)現(xiàn)，并對(duì)實(shí)際電路進(jìn)行各種測(cè)試，將虛擬仿真結(jié)果和實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析。

4.2 案例2：信號(hào)與信息處理虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)舉例

電子信息工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)通信原理課程時(shí)，做“單邊帶調(diào)幅的波形及頻譜分析”實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫榱俗寣W(xué)生掌握單邊帶調(diào)幅信號(hào)的波形并對(duì)其進(jìn)行頻譜分析，同時(shí)研究信道噪聲對(duì)調(diào)幅信號(hào)的影響。如圖5所示，首先讓學(xué)生使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方式構(gòu)建簡(jiǎn)單的仿真系統(tǒng)，了解實(shí)驗(yàn)電路原理，觀察仿真實(shí)驗(yàn)的效果。接下來(lái)在圖6所示的通信原理綜合試驗(yàn)箱上實(shí)際操作，結(jié)合示波器觀察輸出波形的變化。最后將虛實(shí)兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，并對(duì)二者的誤差進(jìn)行分析總結(jié)。

圖5 單邊帶調(diào)幅波形及頻譜虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

圖6 在通信原理實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行單邊帶調(diào)幅實(shí)物實(shí)驗(yàn)

上述虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)方式集單邊帶調(diào)幅信號(hào)分析、處理、仿真、調(diào)試于一體，使電子信息工程的學(xué)生對(duì)常見(jiàn)調(diào)幅信號(hào)的時(shí)頻域特征有比較清楚的認(rèn)識(shí)，對(duì)調(diào)幅信號(hào)通過(guò)通信系統(tǒng)進(jìn)行處理、傳輸?shù)幕痉椒ㄓ斜容^好地掌握，同時(shí)對(duì)于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方法、特點(diǎn)、技巧以及軟硬件的結(jié)合有比較系統(tǒng)了解，做到學(xué)以致用的同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

5 結(jié) 語(yǔ)

電子信息工程專(zhuān)業(yè)在多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中，形成了分層遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，但是該體系在實(shí)際運(yùn)行中暴露出不少缺點(diǎn)。為此提出將實(shí)操型實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，通過(guò)研制開(kāi)發(fā)和引進(jìn)購(gòu)置虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K，構(gòu)建“虛實(shí)結(jié)合、分層遞進(jìn)”的全新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。該體系使得學(xué)生可以先在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上預(yù)習(xí)設(shè)計(jì)，大膽進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)操作，放心修改調(diào)試，無(wú)需顧慮器件浪費(fèi)以及硬件整體的破壞，減少因?yàn)椴僮鞑划?dāng)而損壞實(shí)驗(yàn)設(shè)備。然后在實(shí)操平臺(tái)上進(jìn)行配置調(diào)試，總結(jié)由于環(huán)境因素造成的各種誤差及錯(cuò)誤。實(shí)驗(yàn)教學(xué)表明，新的教學(xué)體系開(kāi)闊了學(xué)生的視野，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和分析創(chuàng)新能力，同時(shí)，也提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的不斷更新，為工科專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究提供參考。

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Construction of Experiment System for Electronic Information Engineering Based on Virtual-real Combination and Graduated Progress

ZHOUYatong,WUYi,CHANGHeling,MAJie

(School of Electronic and Information Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China)

The practical operation experiment system is composed four hierarchically levels structure for electronic information engineering in our school, i.e., the basic type, expanding type, the comprehensive level and the innovative model. Because the traditional experimental teaching system of "layered progress" has its inherent weakness, such as higher equipment cost, larger waste and serious pollution, we propose to combine physical experiments with virtual simulation experiments by developing and purchasing virtual simulation module. It then forms a new experimental teaching system of virtual-real combination and graduated progress. The new system achieves the purpose of complementary advantages of two laboratory teaching modes. To show the advantages of this new teaching system, we demonstrate two experiment teaching cases based on the virtual-real combination. Through blending modern technology and traditional experiment teaching, we not only enhance students the interest in learning and the ability in innovation or analysis, and also improve the experimental teaching quality and students learning efficiency. Thus, it has certain reference values for construction of engineering professional experiment teaching system.

electronic information engineering; virtual-real combination; graduated progress; construction of experiment platform

2016-08-22

教育部人文社會(huì)科學(xué)研究規(guī)劃基金(15YJA630108); 河北省教學(xué)改革項(xiàng)目(2015GJJG019)資助

周亞同(1973-)，男，湖北松滋人，博士，教授，通信工程系系主任，長(zhǎng)期從事通信工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)管理、科研及實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等。

Tel.:18649020811; E-mail:zyt@hebut.edu.cn

G 642

A

1006-7167(2017)05-0093-04