電子信息技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)與實(shí)踐

馬學(xué)條, 程知群, 鄭雪峰, 王永慧

(杭州電子科技大學(xué) 國家級(jí)電子信息技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心, 浙江 杭州 310018)

杭州電子科技大學(xué)電子信息技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心(下稱中心)依托于國家級(jí)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、電子科學(xué)與技術(shù)國家級(jí)優(yōu)勢(shì)特色專業(yè)、電子信息工程國家級(jí)優(yōu)勢(shì)特色專業(yè)和EDA技術(shù)國家級(jí)精品課程等教學(xué)科研平臺(tái)，建設(shè)了包括集成電路與集成系統(tǒng)、EDA技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)、DSP與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用等20多個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，并于2014年入選教育部公布的首批100個(gè)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心[1]。

中心結(jié)合電子信息類專業(yè)特點(diǎn),將現(xiàn)代信息技術(shù)運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,支持和鼓勵(lì)師生自主研發(fā)各類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備及教學(xué)項(xiàng)目[2]。中心本著虛實(shí)融合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的原則,開發(fā)和建設(shè)了基本實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研成果轉(zhuǎn)化、企業(yè)合作共享三大類電子信息技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。所構(gòu)建的平臺(tái)涵蓋了17個(gè)系列的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,借助開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng),每年面向校內(nèi)外8 000多名學(xué)生開放,學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò),遠(yuǎn)程調(diào)用云端服務(wù)器上的仿真軟件,進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)思路

充分利用虛擬仿真技術(shù),解決高成本、長(zhǎng)周期與不可及的實(shí)驗(yàn)教學(xué)難題,彌補(bǔ)受地域環(huán)境、儀器設(shè)備和安全因素等限制的現(xiàn)實(shí)問題,對(duì)于探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式、培養(yǎng)電子信息人才具有重要而深遠(yuǎn)的意義[3]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)需要實(shí)現(xiàn)4方面功能。

(1) 體系化的分層次虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)。電子信息類專業(yè)課程包括專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課和應(yīng)用實(shí)踐3個(gè)層次。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)要覆蓋5個(gè)階段:(1)器件和電路,采用Pspice、Mulitisim、ADS等仿真軟件,結(jié)合LabVIEW等工具軟件,實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體物理與器件、集成電路基礎(chǔ)、數(shù)字電路等實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；(2)信號(hào)和處理,結(jié)合Verilog、DSP builder、Matlab等工具軟件,實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集分析與處理；(3)傳輸和控制,結(jié)合Simulink、Opnet和GX Simulator等,實(shí)現(xiàn)通信傳輸和控制實(shí)驗(yàn)；(4)單元和系統(tǒng),結(jié)合Proteus、Quartus Ⅱ等,實(shí)現(xiàn)功能單元和集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)；(5)設(shè)計(jì)和應(yīng)用,結(jié)合Protel、Orcad、Padscad等布線軟件,實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到應(yīng)用級(jí)仿真。通過5個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)教學(xué),學(xué)生可以將碎片化的電子信息知識(shí)連結(jié)起來,構(gòu)建相對(duì)完整的電子信息理論體系。

(2) 科學(xué)研究與實(shí)踐教學(xué)良性互動(dòng)。堅(jiān)持實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研相結(jié)合,以教促研,以研促學(xué),實(shí)現(xiàn)教研相長(zhǎng)。把部分科研案例、科研成果及先進(jìn)的科研方法引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的生動(dòng)性,開闊學(xué)生的視野和知識(shí)面。緊密跟蹤學(xué)科發(fā)展,構(gòu)建適應(yīng)新技術(shù)發(fā)展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,以滿足現(xiàn)代社會(huì)和業(yè)界對(duì)電子信息人才的需要[4]。此外,應(yīng)吸收部分學(xué)生在業(yè)余時(shí)間參與科研項(xiàng)目的開發(fā)和實(shí)驗(yàn)室的建設(shè),增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。

(3) 自編教材、自制儀器與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改革一體化建設(shè)。采用自編教材、自制儀器與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改革一體化建設(shè)的方法,充分利用先進(jìn)科學(xué)技術(shù),采取多樣化實(shí)驗(yàn)手段輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué),鼓勵(lì)和支持實(shí)驗(yàn)教師自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器和自編實(shí)驗(yàn)教材,使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教材和實(shí)驗(yàn)儀器同步配套,保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊密跟蹤新技術(shù)發(fā)展。

(4) 教學(xué)資源優(yōu)質(zhì)化與可持續(xù)性。注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力,把虛擬仿真技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中。從科研項(xiàng)目和解決工程實(shí)際問題出發(fā),提煉綜合設(shè)計(jì)型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例庫建設(shè)流程如圖1所示,案例庫項(xiàng)目首先用于實(shí)驗(yàn)教學(xué),學(xué)生將實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目進(jìn)行功能拓展后可用于課外科技項(xiàng)目申報(bào),課外科技項(xiàng)目進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化后可進(jìn)行產(chǎn)學(xué)合作孵化,成功孵化和培育的產(chǎn)學(xué)項(xiàng)目經(jīng)過提煉回饋到實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例庫中?；谔摂M仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),構(gòu)建虛實(shí)融合的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,實(shí)現(xiàn)開放共享的虛實(shí)融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。加強(qiáng)與國內(nèi)外知名電子信息企業(yè)聯(lián)合共建實(shí)驗(yàn)室與實(shí)訓(xùn)基地,研制和推廣結(jié)合學(xué)科前沿、專業(yè)與行業(yè)特色鮮明的虛擬仿真教學(xué)設(shè)備,持續(xù)積累與更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例庫,確保教學(xué)資源的優(yōu)質(zhì)化性和可持續(xù)性[5]。

圖1 電子信息技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)案例庫建設(shè)流程

2 電子信息技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),開發(fā)了一系列傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)而有利于學(xué)生設(shè)計(jì)、綜合和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫、數(shù)字化設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)仿真和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),實(shí)現(xiàn)課內(nèi)與課外、校內(nèi)與校外、網(wǎng)上與網(wǎng)下、現(xiàn)實(shí)與虛擬的融合,致力于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革與創(chuàng)新。電子信息技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)包括基本實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研成果轉(zhuǎn)化、企業(yè)合作共享三大類,平臺(tái)組成架構(gòu)如圖2所示。

2.1 基本實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)

該平臺(tái)包含電子設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用3部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,注重學(xué)生基本技能的培養(yǎng)。

電子設(shè)計(jì)包括“數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真實(shí)驗(yàn)”“模擬電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真實(shí)驗(yàn)”“集成電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)驗(yàn)”和“基于開源模塊的片上系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)”。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括“基于NetFPGA的參考路由器”“程序設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)”“遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)仿真”和“系統(tǒng)集成虛擬設(shè)計(jì)”。

工程應(yīng)用包括“運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用仿真實(shí)驗(yàn)”“機(jī)器人虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)”“流程工業(yè)擬實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)”和“炸藥生產(chǎn)線擬實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)”。

2.2 科研成果轉(zhuǎn)化資源虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)

該平臺(tái)由“高度仿真環(huán)境下的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)”和“云計(jì)算與應(yīng)用軟件共享實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”兩部分組成,注重學(xué)生新技術(shù)及應(yīng)用能力的培養(yǎng)。依托我校電子科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程等國家級(jí)優(yōu)勢(shì)特色學(xué)科,將科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,科研反哺實(shí)驗(yàn)教學(xué),以高素質(zhì)人才培養(yǎng)作為科研工作的出發(fā)點(diǎn)與落腳點(diǎn),將學(xué)科建設(shè)的成果轉(zhuǎn)化為人才培養(yǎng)優(yōu)勢(shì)。

2.3 校企合作共享資源虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)

該平臺(tái)主要由校企共建的“大學(xué)生科技創(chuàng)新虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”、校企合作開發(fā)的“信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)”和“物聯(lián)網(wǎng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”3部分組成。平臺(tái)注重學(xué)生工程應(yīng)用能力和綜合創(chuàng)新能力的培養(yǎng),從解決實(shí)際工程問題出發(fā),采用工程通用仿真軟件進(jìn)行電路仿真設(shè)計(jì)、虛實(shí)結(jié)合調(diào)試、產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目開發(fā)等逐級(jí)深入的實(shí)踐培養(yǎng)環(huán)節(jié)；與行業(yè)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接,滿足電子信息技術(shù)人才培養(yǎng)需要。利用此平臺(tái),讓學(xué)生達(dá)到在實(shí)驗(yàn)室所學(xué)所見即工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)所用,在建立現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的宏觀概念同時(shí),實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)、真實(shí)過程控制系統(tǒng)的組態(tài)調(diào)試[6-7]。

圖2 電子信息技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)組成架構(gòu)

3 開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)

中心根據(jù)教育信息化發(fā)展規(guī)劃,結(jié)合教學(xué)實(shí)際,探索和推廣以實(shí)驗(yàn)資源網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)驗(yàn)活動(dòng)遠(yuǎn)程化、實(shí)驗(yàn)管理信息化為特征的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式；聯(lián)合相關(guān)專業(yè)公司,開發(fā)了開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)[8]。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

以深化實(shí)驗(yàn)室教學(xué)改革為指導(dǎo),以實(shí)驗(yàn)室管理流程和基本事務(wù)管理為核心,以規(guī)范實(shí)驗(yàn)室管理信息化為準(zhǔn)則。開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了集虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)室管理、門戶網(wǎng)站管理等功能于一體。如圖3所示,學(xué)生只需連接網(wǎng)絡(luò),通過該教學(xué)管理系統(tǒng),即可在寢室、實(shí)驗(yàn)室或教室等區(qū)域共享實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,無限制地進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作,遠(yuǎn)程提交仿真結(jié)果,達(dá)到處處能學(xué)、時(shí)時(shí)可學(xué)的泛在化學(xué)習(xí)[9]。

圖3 遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程圖

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理

實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理包括實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)管理、實(shí)驗(yàn)考勤管理、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備管理、實(shí)驗(yàn)過程考核、實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理、實(shí)驗(yàn)成績(jī)管理等(見圖4)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理模塊的功能實(shí)現(xiàn),能夠確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和秩序[10]。

圖4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)功能架構(gòu)

通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng),教師在實(shí)驗(yàn)前將根據(jù)教務(wù)處的開課計(jì)劃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)庫的維護(hù)、實(shí)驗(yàn)安排、上傳實(shí)驗(yàn)資源等；在實(shí)驗(yàn)中能夠利用該系統(tǒng)進(jìn)行考勤管理、查看學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)展、現(xiàn)場(chǎng)給學(xué)生實(shí)驗(yàn)打分,實(shí)驗(yàn)后能夠在線查看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告、批改實(shí)驗(yàn)結(jié)果、導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)報(bào)告,并能夠統(tǒng)計(jì)并發(fā)布實(shí)驗(yàn)成績(jī)。

通過該系統(tǒng),學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前根據(jù)任課教師的要求,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí),并記錄自己的預(yù)習(xí)情況,通過考核后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；在實(shí)驗(yàn)過程中,能夠借助系統(tǒng)的智能指導(dǎo)和互動(dòng)交流功能獲得實(shí)驗(yàn)幫助,提升實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

4 示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)

依托電子信息技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),進(jìn)行了電子信息技術(shù)虛擬仿真示范性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)。教學(xué)項(xiàng)目包括基本電子技術(shù)驗(yàn)證性仿真實(shí)驗(yàn)、簡(jiǎn)單電子系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)、復(fù)雜電子系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)和虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)等與電子技術(shù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)案例。實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用工程仿真軟件進(jìn)行復(fù)雜電子系統(tǒng)設(shè)計(jì),解決了高成本與不可及的實(shí)驗(yàn)難題,開發(fā)了調(diào)幅通信系統(tǒng)仿真、任意波形信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)和射頻微波遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)等軟件共享、儀器共享和遠(yuǎn)程控制3類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。這些虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)接行業(yè)應(yīng)用,滿足了電子技術(shù)人才培養(yǎng)需要。在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程如圖5所示。

圖5 在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程

5 結(jié)語

中心始終堅(jiān)持以學(xué)生為主體,以培養(yǎng)學(xué)生綜合能力為目標(biāo),堅(jiān)持實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研相結(jié)合,堅(jiān)持虛實(shí)融合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,使學(xué)生在自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)、工程協(xié)作、及表達(dá)寫作等方面得到有效訓(xùn)練。中心堅(jiān)持多樣化實(shí)驗(yàn)手段輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué),通過教學(xué)的啟迪和大量有創(chuàng)意的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目訓(xùn)練,使學(xué)生在基礎(chǔ)理論、實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神三方面得到同步收獲[11-12]。

在整合校內(nèi)實(shí)驗(yàn)資源的基礎(chǔ)上,中心充分發(fā)揮了電子信息特色與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)勢(shì),與兄弟院校開展廣泛的交流和合作,加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的共建共享,以此帶動(dòng)周邊學(xué)校和浙江省其他高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)和發(fā)展。中心積極聯(lián)合周邊院校共同研究探索有利于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目開放共享的教學(xué)績(jī)效考核激勵(lì)機(jī)制,建立并試點(diǎn)運(yùn)行高教園區(qū)內(nèi)互認(rèn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)考核評(píng)價(jià)機(jī)制。