電子信息技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)與實踐

李夢然 韓繼東

摘 ?要：目前，我國許多高校均開設(shè)了電子信息工程專業(yè)，該專業(yè)涵蓋了豐富的知識，涉及到了計算機(jī)技術(shù)、信息通信和電子科學(xué)等諸多內(nèi)容，屬于應(yīng)用型學(xué)科，對于實踐性的要求較高，教學(xué)目的在于培養(yǎng)學(xué)生的實際操作能力，為社會提供高專業(yè)素養(yǎng)的人才。我國于2013年啟動了虛擬仿真實驗教學(xué)的建設(shè)工作，首次提出將虛擬仿真技術(shù)引入高校的實驗教學(xué)中，虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)和實踐，是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力和創(chuàng)造能力的重要途徑之一。該文對電子信息技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)和實踐進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：電子信息技術(shù) ?虛擬仿真實驗教學(xué)平臺 ?教育教學(xué) ?設(shè)計建設(shè) ?實踐

中圖分類號：G434 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）06（c）-0028-02

近年來，大數(shù)據(jù)、云計算、3D打印、智能家居在各個領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用，加上仿真式、開放式、碎片化知識點的寓教于樂教學(xué)資源等新概念不斷涌現(xiàn)，這些新媒體和新技術(shù)均豐富了信息的獲取途徑，同時改變了人們對傳統(tǒng)教學(xué)理念和方式的理解，強(qiáng)調(diào)學(xué)生掌握實踐的能力[1]。

1 ?虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)思路

以往，高校電子信息工程專業(yè)的實踐教學(xué)常常局限于課堂，受到了儀器設(shè)備的影響，加上對安全因素和地域因素的考慮，導(dǎo)致教學(xué)效率低下，不利于學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。利用虛擬仿真技術(shù)搭建實驗教學(xué)平臺，可突破地域、設(shè)備和安全等因素的局限，拓展電子信息工程專業(yè)實驗教學(xué)的模式與途徑，有利于專業(yè)人才的培養(yǎng)。電子信息技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的功能建設(shè)包括以下內(nèi)容。

1.1 分層次的虛擬仿真實驗教學(xué)

高校所開設(shè)的電子信息工程專業(yè)課程主要包括專業(yè)課、專業(yè)基礎(chǔ)課和應(yīng)用實踐課3種類型，虛擬仿真實驗平臺則需覆蓋課程教學(xué)的5個階段，即器件與電路階段、信號與處理階段、傳輸與控制階段、單元與系統(tǒng)階段、設(shè)計與應(yīng)用階段，對應(yīng)為：（1）采用ADS、Mulitisim和Pspice等軟件，結(jié)合一系列的工具軟件，如LabVIEW等，實現(xiàn)數(shù)字電路、集成電路基礎(chǔ)、半導(dǎo)體物理與器件等實驗設(shè)計。（2）應(yīng)用工具軟件，如DSP、Matlab、Verilog等，對信號進(jìn)行采集、分析和處理。（3）應(yīng)用Opnet、Simulink和GX Simulator等軟件，實現(xiàn)通信傳輸和控制實驗。（4）應(yīng)用Quartus Ⅱ和Proteus等軟件，實現(xiàn)集成系統(tǒng)設(shè)計和功能單元設(shè)計。（5）應(yīng)用Padscad、Protel等布線軟件，實現(xiàn)由設(shè)計轉(zhuǎn)化為仿真[2]。以上5個階段的實驗教學(xué)，有助于將碎片化的專業(yè)知識進(jìn)行整合和歸納，便于學(xué)生的學(xué)習(xí)和探究，幫助學(xué)生構(gòu)建理論體系，進(jìn)而提高學(xué)生的實踐能力。

1.2 實踐教學(xué)與科學(xué)研究的互動

在電子信息工程教學(xué)中，高校應(yīng)積極探索實驗教學(xué)與科學(xué)研究的結(jié)合路徑，以實驗教育促進(jìn)科學(xué)研究的發(fā)展，同時以科學(xué)研究促進(jìn)實踐教學(xué)的提升。在電子信息技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺中，涵蓋了諸多科研方法、案例和成果，學(xué)生在操作中可了解更多的專業(yè)知識，進(jìn)而拓展知識面，增強(qiáng)實驗教學(xué)的效果。讓實驗教學(xué)緊密跟蹤學(xué)科的發(fā)展動向，構(gòu)建出適應(yīng)新技術(shù)、新媒體發(fā)展的實驗教學(xué)體系，從而滿足現(xiàn)代社會對于專業(yè)型人才的需求。

1.3 自制儀器、自編教材和實驗內(nèi)容的體系化建設(shè)

在電子信息技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的功能建設(shè)中，還采取了自制儀器、自編教材和實驗內(nèi)容的體系化建設(shè)方法，利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，采取多種實驗手段，豐富實驗教學(xué)內(nèi)容和方式，鼓勵教師依據(jù)學(xué)生實際情況，自行制作實驗教學(xué)的儀器設(shè)備，自行編制實驗教學(xué)的教材，實現(xiàn)實驗內(nèi)容、教材和儀器的配套，從而保證實驗教學(xué)緊密結(jié)合新技術(shù)內(nèi)容，跟隨新技術(shù)的發(fā)展方向。

1.4 優(yōu)質(zhì)化的實驗教學(xué)資源

將虛擬仿真技術(shù)融入電子信息專業(yè)的實驗教學(xué)中，側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、創(chuàng)造能力和創(chuàng)業(yè)能力。從解決實際問題的角度出發(fā)，要求虛擬仿真實驗教學(xué)平臺具備綜合型實驗項目，其中案例庫項目就直接應(yīng)用于實驗教學(xué)。學(xué)生在實驗項目的功能拓展基礎(chǔ)上就可進(jìn)行課外科研項目的申報，課外科研項目在經(jīng)過持續(xù)優(yōu)化后，就可進(jìn)行產(chǎn)學(xué)合作孵化，成功培育和孵化的產(chǎn)學(xué)項目再經(jīng)過提煉從而回饋至實驗教學(xué)的案例庫中[3]。電子信息技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺通過構(gòu)建出虛實結(jié)合的動態(tài)教學(xué)體系，從而實現(xiàn)開放式、共享式的虛實結(jié)合教學(xué)模式。此外，還需加強(qiáng)與國內(nèi)外電子信息企業(yè)的合作，共同建造實驗室和實訓(xùn)基地，設(shè)計、研發(fā)和推廣更具專業(yè)特色的虛擬仿真實驗教學(xué)設(shè)備，持續(xù)更新實驗教學(xué)的案例庫，進(jìn)而保證實驗教學(xué)資源的優(yōu)質(zhì)化。

2 ?電子信息技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的設(shè)計

以往，高校電子信息工程的傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式難以實現(xiàn)學(xué)生設(shè)計能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，而電子信息技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)與實踐則可突破局限，給學(xué)生提供了一系列的實驗項目。該教學(xué)平臺通過應(yīng)用多媒體技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、計算機(jī)仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等，實現(xiàn)了線上線下、課內(nèi)課外、校內(nèi)校外及虛擬現(xiàn)實之間的結(jié)合，旨在將傳統(tǒng)實驗與虛擬仿真實驗進(jìn)行有效結(jié)合，進(jìn)而推動實驗教學(xué)方式的革新。

2.1 基本實驗教學(xué)資源的虛擬仿真平臺

該平臺的實驗內(nèi)容包括系統(tǒng)設(shè)計、電子設(shè)計和工程應(yīng)用3個部分，注重對學(xué)生基本技能的培養(yǎng)。其中系統(tǒng)設(shè)計包括程序設(shè)計仿真實驗、系統(tǒng)集成虛擬設(shè)計、遠(yuǎn)程計算機(jī)控制技術(shù)仿真實驗等，電子設(shè)計包括了模擬電力系統(tǒng)設(shè)計與仿真實驗、集成電路設(shè)計與仿真實驗、數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計與仿真實驗等，工程應(yīng)用包括機(jī)器人虛擬現(xiàn)實仿真實驗、運動控制應(yīng)用仿真實驗、流程工業(yè)虛擬現(xiàn)實仿真實驗等。

2.2 科研成果轉(zhuǎn)化資源的仿真平臺

該平臺由兩部分組成：一是仿真環(huán)境下的虛擬現(xiàn)實平臺，另一個是應(yīng)用軟件與云計算共享的實驗平臺，注重培養(yǎng)學(xué)生對新技術(shù)的應(yīng)用能力。依據(jù)高校的電子信息工程學(xué)科，將科研資源與成果轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)資源，從而實現(xiàn)專業(yè)人才培養(yǎng)。

2.3 校企合作資源共享的虛擬仿真平臺

該平臺由3個部分組成：一是校企合作的信息化實驗教學(xué)平臺;二是物聯(lián)網(wǎng)虛擬實驗平臺;三是大學(xué)生科技創(chuàng)新實驗平臺，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力和工程應(yīng)用能力。立足于實際問題結(jié)局的角度，采用工程仿真軟件實現(xiàn)電路設(shè)計、調(diào)試和產(chǎn)學(xué)研項目開發(fā)等多種實驗項目，遵循逐級深入原則，與該行業(yè)的實際應(yīng)用緊密結(jié)合，進(jìn)而滿足社會對電子信息技術(shù)專業(yè)型人才的需求。利用校企合作資源共享的虛擬仿真平臺，可拓展學(xué)生的視野，讓學(xué)生在實驗室進(jìn)行實踐操作，確保操作內(nèi)容即為現(xiàn)實中的工作內(nèi)容，從而實現(xiàn)仿真系統(tǒng)的組態(tài)調(diào)試。

3 ?結(jié)語

綜上所述，高校需重視虛擬仿真實驗教學(xué)，對其概念、方法和模式產(chǎn)生新的理解，堅持以學(xué)生為本，以培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力為最終目標(biāo)，將實驗教學(xué)與科學(xué)研究緊密結(jié)合，設(shè)計、建設(shè)虛實結(jié)合的實驗教學(xué)平臺，讓學(xué)生在解答工程問題、自主創(chuàng)新設(shè)計方面得到有效的訓(xùn)練，不斷提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)更多的專業(yè)型人才。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙新海.基于虛擬仿真技術(shù)的《電子標(biāo)識技術(shù)與RFID》實驗課程設(shè)置研究[J].科技視界，2019（32）：52-53.

[2] 劉萍萍，黃嵐，趙宏偉.虛擬儀器技術(shù)在新工科虛擬仿真實驗平臺中的應(yīng)用[J].計算機(jī)教育，2019（11）：126-129.

[3] 李正交，戴勝華，周興，等.軌道交通通信與控制虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2019，36（9）：186-190.