孫小亮
(河南牧業(yè)經(jīng)濟學院,河南 鄭州 450046)
在互聯(lián)網(wǎng)時代全面綜合素質人才培養(yǎng)的要求下,教師需要搭建起虛擬仿真實驗教學平臺,開展電子信息技術理論、實驗案例、科研成果的網(wǎng)絡化教育,推動高校實驗教學、校企合作共享、科研成果轉化等活動的順利開展。
虛擬仿真實驗教學平臺作為網(wǎng)絡探索性的課程平臺,主要通過一系列網(wǎng)絡交互展示、仿真演示、智能運算等技術的應用,引導學生參與到專業(yè)課程的內(nèi)容學習、互動實踐之中。因而在互聯(lián)網(wǎng)信息技術飛速發(fā)展,以及國家教育部門對網(wǎng)絡教學的支持下,勢必要利用最先進的仿真實驗教學技術,開展新時代虛擬仿真實驗課程教學,既符合網(wǎng)絡數(shù)字化“智能+教育”的發(fā)展趨勢,也可以帶動高校專業(yè)教學體系、虛擬仿真實驗設備的不斷完善,對高等教育數(shù)字化發(fā)展具有重要的全局性意義。
在社會市場有關全方位綜合素質人才需求的指導下,不同專業(yè)課程內(nèi)容、教學方式的改革創(chuàng)新,需引入虛擬仿真實驗教學平臺,進行理論知識內(nèi)容、實踐演示案例等的數(shù)字化教育,不斷創(chuàng)新實驗教學方式、師生交互方法。如電子信息技術的專業(yè)課程虛擬仿真實驗教學,通過采取課堂講授、虛擬仿真實驗相結合的教學方式,可以有效創(chuàng)新電子信息技術教育內(nèi)容、教學方式,調(diào)動學生學習參與積極性、自主實踐探究能力,加強理論與實踐的融合教學,提高學生在不同課外項目實踐中的專業(yè)技能、問題解決能力。
面對電子信息技術、工業(yè)生產(chǎn)等操作執(zhí)行日益復雜的環(huán)境,高校對于理工專業(yè)課程的教育教學,也要引入更多新的理論知識、實踐應用案例,對現(xiàn)有的自動化控制與操作內(nèi)容作出改革創(chuàng)新。而與此同時,高校教師還有著更多的產(chǎn)業(yè)實訓、科學研究等任務工作,需要與專業(yè)課程教學協(xié)同進行。這一情況下,將虛擬仿真實驗教學平臺、實踐項目內(nèi)容,應用到電子信息技術等專業(yè)的課程教育之中,不僅可以構建起科學的教育知識體系,也能夠對現(xiàn)有教學資源、智能教學實踐的整合,以及帶動教學、生產(chǎn)、科研活動的一體化發(fā)展,實現(xiàn)電子信息工程實踐教育的創(chuàng)新。
現(xiàn)代通信原理實驗室,包括光纖通信網(wǎng)絡、程控交換機、寬帶接入端口等組成部分,通過圍繞e-Bridge系統(tǒng),形成交流實驗平臺、光傳輸實驗平臺、寬帶接入實驗平臺、客戶終端等結構之間的拓撲連接,利用e-Bridge軟件進行網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的通信傳輸。在借助于現(xiàn)代通信實驗室開展虛擬仿真教學過程中,主要根據(jù)不同學生的學習狀況、個人喜好,引導其在現(xiàn)有電子信息理論的基礎上,引入OSN3500、Metro1000和虛擬e-bridge配套軟件,開展商用機上級實踐、操作使用,加強脈沖編碼、脈沖幅度調(diào)制與解調(diào)、普通雙邊帶調(diào)幅與解調(diào)、差分移相鍵控調(diào)制與解調(diào)、二進制振幅鍵控、移頻鍵控、抽樣定理驗證等的實訓學習,使學生真正理論聯(lián)系實際,參與到網(wǎng)絡通信、數(shù)據(jù)傳輸處理中,并完成數(shù)據(jù)通信測量誤差的分析。
電子技術仿真實驗室配備有專業(yè)的教學設備、仿真軟件,包含網(wǎng)絡計算機、數(shù)字存儲示波器、合成函數(shù)信號發(fā)生器、穩(wěn)壓電源、模擬組合模塊實驗臺、數(shù)字實驗箱、數(shù)字萬用表、交流毫伏表等組成構件,使其成為開放式的電子實驗教學平臺。所以電子技術仿真實驗室的基本配置,可以用于單片機原理及應用、計算機輔助設計、MATLAB仿真技術、計算機繪圖等課程中,開展計算機軟件仿真、多媒體仿真的教學。
EDA技術實驗室主要用于FPGA項目、PCB項目的設計與制作,通常配備Smart EDA實訓箱、單片機實驗教學系統(tǒng)、EDA實驗教學系統(tǒng)、網(wǎng)絡計算機,以及與EDA技術相關的應用軟件。在電子信息技術專業(yè)學生的課程教學、畢業(yè)設計、實習實訓等過程中,利用SmartSOPC+ 多功能教學實驗開發(fā)平臺,進行PCB電路板設計與制作、FPGA語言編程教育,培訓學生對FPGA理論知識、Verilog HDL編程語言的了解,解決邏輯編程中遇到的實際問題。
通信原理實驗室是面向電子信息技術,以及通信技術的實驗平臺,可以為現(xiàn)代通信技術、通信原理、電子測量等專業(yè)課程的教學提供實驗場所。當下通信原理實驗室包括網(wǎng)絡計算機、數(shù)字示波器、通信原理實驗箱、頻譜儀等裝置,針對現(xiàn)代通信技術教學的課內(nèi)實驗,進行數(shù)字頻帶和基帶傳輸、同步技術、復用技術、交換技術等的教育,完成通信網(wǎng)絡系統(tǒng)總體設計,對一系列抽象的理論知識點,作出觀察、實踐與驗證,提高學生的實驗動手能力和業(yè)務素質。
當前高校虛擬仿真實驗教學平臺的建設,主要以電子信息技術專業(yè)課程為中心,圍繞課內(nèi)與課外、線上與線下、現(xiàn)實與虛擬等教學空間,構建起包括基本實驗教學、科研成果轉化、企業(yè)合作共享等平臺網(wǎng)絡模塊,進行課程基礎理論知識、虛擬仿真實驗的組織教學,具體組成架構如圖1所示。
圖1
該開放式虛擬仿真平臺采用B/S(瀏覽器/服務器)架構,利用實驗室管理系統(tǒng)、門戶網(wǎng)站等軟件,針對不同電子信息技術專業(yè)課程,選擇基礎電子教學資源、實驗案例,進行仿真實驗系統(tǒng)的組織設計,包含系統(tǒng)設計、電子設計、工程應用等的虛擬仿真實驗內(nèi)容。
首先系統(tǒng)設計是針對網(wǎng)絡計算機遠程控制、NetFPUA路由器設置、虛擬對象系統(tǒng)集成設計等,進行相關應用程序仿真實驗與執(zhí)行。之后電子設計虛擬仿真系統(tǒng),主要圍繞數(shù)字電路、模擬電路和集成電路,開展片上系統(tǒng)虛擬仿真實驗。而工程應用則包括機器人虛擬現(xiàn)實仿真、運動控制仿真、工業(yè)流程擬實仿真等方面內(nèi)容,結合現(xiàn)有實驗教學的實際,進行網(wǎng)絡化實驗資源整合、遠程實驗活動設計,學生只需在任何空間登錄門戶網(wǎng)站、教學管理系統(tǒng),就可以完成實驗流程參與、虛擬仿真操作和結果提交。
在電子信息技術科學研究的虛擬仿真教學平臺中,通常依托電子科學與技術、電子信息工程等學科內(nèi)容,展開現(xiàn)有實驗教學資源、科研成果的教育教學。該平臺主要由虛擬現(xiàn)實仿真實驗平臺、應用軟件與云計算共享實驗平臺等部分組成,通過面向電子工程人才培養(yǎng),對網(wǎng)絡計算機、后臺數(shù)據(jù)庫、云存儲、電子設計自動化系統(tǒng)(EDA)等軟硬件作出整合,培養(yǎng)學生對電子信息工程理論知識掌握、技術應用能力,來實現(xiàn)實驗教學資源、科研成果向內(nèi)在能力的轉化。
校企合作環(huán)境下電子信息技術的虛擬仿真教學平臺,包括物聯(lián)網(wǎng)虛擬實驗平臺、大學生科技創(chuàng)新實驗平臺,主要面向學生電子工程應用、創(chuàng)新能力,進行工程通用電路仿真、調(diào)試工作,從解決實際工程問題出發(fā),進行整個虛擬仿真系統(tǒng)執(zhí)行流程的控制、組態(tài)調(diào)試。通常教師會引導學生深入到企業(yè)實驗室,與不同行業(yè)應用實際進行緊密結合,完成產(chǎn)學研項目開發(fā)、虛擬仿真電路設計和調(diào)試等工作,拓展學生在實驗資源使用、探究學習中的合作意識。
在電子信息技術虛擬仿真實驗系統(tǒng)開發(fā)中,通常秉持著以學生為主體的需求導向方案,進行虛擬仿真實踐教學環(huán)節(jié)、教學管理的組織規(guī)劃?,F(xiàn)階段高校虛擬仿真實驗教學管理,注重理論知識講解、課堂實踐操作等環(huán)節(jié)的管理,涵蓋了實驗預習、實驗考勤、實驗準備、實驗流程、實驗報告、實驗成績等多方面內(nèi)容的考核與管理,以此調(diào)動學生參與電子信息技術實驗學習的積極性、自主探究性,具體管理系統(tǒng)如圖2所示。
圖2
教師利用實驗教學管理系統(tǒng),在電子信息技術試驗的開課計劃執(zhí)行前,進行實驗室在線預約、實驗課程安排、實驗資源上傳。之后電子信息技術虛擬仿真實驗進行過程中,利用教學管理系統(tǒng)加強學生考勤、實驗進展情況等的控制,并在現(xiàn)場對學生的實驗結果做出打分。最后,在電子信息技術虛擬仿真實驗結束后,對實驗報告在線提交、批量導出,并統(tǒng)計與發(fā)布學生的實驗成績。
虛擬仿真教學平臺的課程實踐內(nèi)容設置,主要以問題為導向,結合專業(yè)課程教材大綱、實踐案例,搭建用于課程實驗設計、畢業(yè)設計、頂崗實習等的知識體系,教師與學生共同參與到虛擬仿真實訓教學內(nèi)容的定制、實踐之中。如針對電子信息技術的社會實訓教學計劃,利用網(wǎng)絡計算機、數(shù)字存儲示波器、合成函數(shù)信號發(fā)生器、穩(wěn)壓電源、模擬組合模塊實驗臺、數(shù)字實驗箱等設備和儀器,結合e-Bridge虛擬實驗軟件,分層次、分步驟展開單片機原理及應用、程控交換、光纖通信等的虛擬仿真實驗教學。同時借助于EDA技術實驗室、DSP應用軟件工具及其他實驗資源,開展綜合性的電子信息技術實驗,包括專業(yè)課題研究、科研實驗等,增強學生的動手實踐操作能力、創(chuàng)新能力。
高校電子信息工程專業(yè)課程的開設與實施,包括器件與電路、信號與處理、傳輸與控制、單元與系統(tǒng)等理論實踐內(nèi)容的教學。而這一專業(yè)課程的虛擬仿真教學執(zhí)行中,要結合LahVIEW、DSP、Matlah、Opnet、Simulink、Quartus、Proteus等軟件工具,對原有“教師講解、學生接受”的單一化教學方式作出改革創(chuàng)新。其中LahVIEW、DSP、Matlah用于網(wǎng)絡信號數(shù)據(jù)的采集、分析和仿真實驗教學;Opnet、Simulink用于網(wǎng)絡通信傳輸與控制的仿真實驗教學;Quartus、Proteus用于嵌入式系統(tǒng)功能單元、集成系統(tǒng)設計的仿真實驗教學。
相比于傳統(tǒng)以“老師講、學生聽”為主的理論知識灌輸教學而言,虛擬仿真實驗教學平臺,可以通過在線教學服務、技術支持等業(yè)務的提供,對不同電子信息課題、專業(yè)理論內(nèi)容、實踐案例等進行仿真操作,驗證提出的電子信息問題、實驗步驟是否準確。通過多種實驗教學平臺、仿真技術軟件的應用,有助于將碎片化電子信息理論、實驗內(nèi)容進行整合歸納,引導學生展開學習探究,幫助其構建起完整的知識體系,提高學生的課堂參與實踐、創(chuàng)新能力。