虛實結(jié)合分層遞進的電子信息工程實驗體系建設(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)

虛實結(jié)合分層遞進的電子信息工程實驗體系建設(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)

電子信息工程專業(yè)現(xiàn)有的實操型實驗分為基礎(chǔ)型、拓展型、綜合型和創(chuàng)新型等4個逐步遞進的層次。這種“分層遞進”的傳統(tǒng)實驗教學(xué)體系具有設(shè)備費用昂高、損耗大、污染嚴(yán)重等固有弱點。為此提出將實操型實驗與虛擬仿真實驗相結(jié)合，通過研制開發(fā)和引進購置虛擬仿真實驗?zāi)K，構(gòu)建“虛實結(jié)合、分層遞進”的全新實驗教學(xué)體系，達到這兩種實驗室教學(xué)模式優(yōu)勢互補的目的。并給出兩個虛實結(jié)合的實驗教學(xué)案例，以此展示新教學(xué)體系的優(yōu)勢。新實驗教學(xué)體系將現(xiàn)代科技與傳統(tǒng)教學(xué)相融合，既增強了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和分析創(chuàng)新能力，又提高了實驗教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)效率，對工科專業(yè)實驗教學(xué)研究有一定參考價值。

電子信息工程； 虛實結(jié)合； 分層遞進； 實驗平臺建設(shè)

0 引 言

隨著京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要出臺，培養(yǎng)符合本區(qū)域電子信息工程類產(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)的整個環(huán)節(jié)中，實驗教學(xué)是很重要的一環(huán)。尤其對理工科院校培養(yǎng)學(xué)生動手實踐能力、開發(fā)創(chuàng)新意識以及提升大學(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”重點工科類大學(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)電子信息類高等工程人才方面扮演著重要角色[3]。經(jīng)過多年發(fā)展，我校在原有電子信息工程實驗室基礎(chǔ)上不斷擴充，購置了大批先進實驗設(shè)備，培養(yǎng)了一批合格的實驗教學(xué)隊伍，開拓了一些校企合作實驗基地，初步形成了較為完備的實操型實驗教學(xué)體系。在這套體系中，“分層遞進”是其一大特色。即把所有實驗分成基礎(chǔ)型實驗、拓展型實驗、綜合型實驗、創(chuàng)新型實驗等4個逐步遞進的層次。但上面這種傳統(tǒng)實操型實驗體系有其固有弱點，例如教學(xué)形式單一、受時間空間限制較大、部分實驗成本較高等[4]。當(dāng)前虛擬仿真實驗技術(shù)已逐步走向成熟，如何有效將虛擬仿真實驗與傳統(tǒng)實操型實驗結(jié)合起來，構(gòu)建“虛實結(jié)合、分層遞進”的實驗教學(xué)體系，是目前我校實驗建設(shè)亟待解決的重要問題。

1 虛實結(jié)合分層遞進實驗教學(xué)體系的必要性

虛擬仿真實驗教學(xué)旨在結(jié)合當(dāng)今高速發(fā)展的計算機技術(shù)，通過軟件模擬仿真技術(shù)達到真實的實驗效果，是目前各高校高度重視的實驗教學(xué)體系新模式[5-6]。它克服了傳統(tǒng)實操型教學(xué)實驗暴露的一些缺陷和不足，如設(shè)備費用昂貴、損耗大、污染嚴(yán)重等；解決了傳統(tǒng)實驗教學(xué)形式單一、受限于時間和空間等條件限制。但是虛擬仿真實驗同樣也存在不足:① 回避了實操型實驗在理工科專業(yè)實驗教學(xué)的重要地位[7];② 不能完全顯示實操型實驗由于操作細節(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)并處理實際問題的能力等。因此實操型實驗的優(yōu)勢和處理實際問題的能力同樣不能忽視[8]。最佳辦法是將二者融合，形成“虛實結(jié)合”的新實驗教學(xué)體系。

目前我校的實操型實驗采用“分層遞進”體系，該體系具有明顯優(yōu)勢，在把實驗分成基礎(chǔ)型實驗、拓展型實驗、綜合型實驗、創(chuàng)新型實驗等4個逐步遞進的層次以后，基于不同年級學(xué)生的工程背景和知識體系引導(dǎo)學(xué)生循序漸進地進入各自的實驗層次，完成相應(yīng)的實踐訓(xùn)練內(nèi)容[9]。在打好基礎(chǔ)之后，逐步推進到更高層次的平臺學(xué)習(xí)，長此以往勢必會提高學(xué)生對實驗學(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。基于以上原因，電子信息工程專業(yè)提出將分層遞進和虛實結(jié)合，構(gòu)建“虛實結(jié)合、分層遞進”的完整實驗體系。

2 現(xiàn)有分層遞進的實操型實驗教學(xué)體系

通過轉(zhuǎn)變實驗教學(xué)觀念、優(yōu)化實驗教學(xué)內(nèi)容，電子信息工程專業(yè)對實驗教學(xué)體系進行了一系列改革與探索，完善基礎(chǔ)實驗、課程設(shè)計、生產(chǎn)實習(xí)、畢業(yè)實習(xí)與畢業(yè)設(shè)計等各個環(huán)節(jié)，豐富基本訓(xùn)練、拓展訓(xùn)練、綜合提高、創(chuàng)新設(shè)計等不同層次的實驗教學(xué)內(nèi)容，最終形成了分層遞進的實操型實驗教學(xué)體系(見圖1)。具體分成基礎(chǔ)型實驗、拓展型實驗、綜合型實驗、創(chuàng)新型實驗等4個層次。其中基礎(chǔ)型實驗是讓學(xué)生掌握最基本的軟件應(yīng)用及硬件認(rèn)知；拓展型實驗指導(dǎo)學(xué)生能夠熟悉掌握最基本的專業(yè)實驗技能；綜合型實驗指導(dǎo)學(xué)生在掌握基本設(shè)計的基礎(chǔ)上進一步提高綜合設(shè)計能力；創(chuàng)新型型實驗引導(dǎo)學(xué)生對學(xué)過的所有技能進行整合延伸，培養(yǎng)科學(xué)研究能力。

圖1 電子信息工程專業(yè)實操型實驗的分層遞進關(guān)系圖

2.1 加強實驗教學(xué)隊伍建設(shè)

為了使上述分層遞進的實操型實驗教學(xué)體系有效運轉(zhuǎn)，電子信息工程專業(yè)不斷充實實驗教學(xué)隊伍，匯聚了一批高水平的實驗教師和工程技術(shù)人員。為進一步調(diào)動實驗教師積極性，提高教學(xué)實驗水平，更好地發(fā)揮技術(shù)人員在實驗教學(xué)中的作用，還采用校外聘請企業(yè)科研人員參與實驗的方式，將實驗研究與社會應(yīng)用相結(jié)合，使畢業(yè)生更快適應(yīng)于社會企業(yè)的需要。另外從國內(nèi)外著名高校引進年輕博士充實實驗教師隊伍，并為他們提供培訓(xùn)和進修機會。

2.2 創(chuàng)建校企合作實驗基地

在分層遞進實操型實驗教學(xué)體系中，生產(chǎn)實習(xí)、電子系統(tǒng)綜合設(shè)計、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、畢業(yè)設(shè)計創(chuàng)新課題等環(huán)節(jié)，都離不開校外企業(yè)支持和配合。根據(jù)學(xué)校所在地天津?qū)﹄娮有畔㈩惾瞬诺男枨螅⒘藢W(xué)校與社會協(xié)同培養(yǎng)人才的新機制。聯(lián)合社會資源，利用社會力量，共建實驗室與創(chuàng)新基地、實習(xí)和工程實踐基地等，向社會輸送更多迅速適應(yīng)市場需求的人才，提高學(xué)生就業(yè)率，增加學(xué)生的就業(yè)前景[10-12]。

3 虛實結(jié)合分層遞進的實驗教學(xué)體系探索

為了充實完善上述分層遞進的實操型實驗教學(xué)體系，電子信息工程專業(yè)研制開發(fā)和引進了一些虛擬仿真實驗?zāi)K，初步形成了虛實結(jié)合的新實驗教學(xué)體系(見圖2)。從縱向看體現(xiàn)的是分層遞進，從橫向看體現(xiàn)的是虛實結(jié)合。學(xué)生在虛擬環(huán)境中可以通過搭建實驗原理框圖，調(diào)節(jié)虛擬儀器參數(shù)，模擬真實的電路實驗過程。通過對各種虛擬儀器設(shè)備表觀察電路仿真的結(jié)果，學(xué)生熟悉實驗操作，把課本知識聯(lián)系起來，鞏固所學(xué)知識增強學(xué)習(xí)興趣，提高設(shè)計和實踐動手能力[13]。接下來再在實物儀器設(shè)備上進行操作，這樣既熟悉了實驗原理；又避免了實驗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結(jié)合分層遞進實驗教學(xué)體系圖

虛實結(jié)合的實驗教學(xué)體系避免實操型實驗的時空限制，通過虛擬平臺設(shè)計搭建仿真，結(jié)合實物硬件配置調(diào)試。虛實結(jié)合優(yōu)勢互補，既彌補了傳統(tǒng)實操型實驗經(jīng)費大量投入、實驗器材損耗大的不足，又改善了學(xué)生僅做過于理想化虛擬實驗而無法處理排除真實環(huán)境產(chǎn)生的各種故障和誤差的能力。教師在整個實驗體系中起到演示講解、啟發(fā)指導(dǎo)、幫助探究的作用，學(xué)生則通過認(rèn)證觀摩老師講解，再反復(fù)練習(xí)，熟悉深化掌握，達到綜合分析、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。該實驗體系還很容易實現(xiàn)科教互哺，讓本科生提前進入教師課題組參加科研項目，由導(dǎo)師指導(dǎo)學(xué)生完成一些綜合型實驗和創(chuàng)新型實驗。導(dǎo)師也可以將科研成果應(yīng)用于實驗教學(xué)，實現(xiàn)科研與教學(xué)互促進，提升學(xué)生的科學(xué)研究和科技創(chuàng)新能力[16]。

4 虛實結(jié)合的實驗教學(xué)案例剖析

4.1 案例1：電子線路虛實結(jié)合實驗舉例

電子信息工程專業(yè)的學(xué)生在開展電子線路課程(非線性部分)實驗時，涉及的元器件非常多，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在正式進行實物操作前，通過虛擬仿真實驗既可以熟悉電路搭建又可以有效減少元器件在實操型試驗中的損耗。以互補對稱功率放大器實驗為例：圖3為虛擬仿真實驗平臺以及仿真調(diào)試結(jié)果，圖4所示為實操型實驗使用的電路板等相關(guān)硬件元件。

圖3 互補對稱功率放大器電路虛擬仿真效果

圖4 互補對稱功率放大器電路實驗平臺

在具體實驗中首先結(jié)合教材給出的電路圖。然后利用虛擬仿真實驗平臺的電路設(shè)計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，測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，利用仿真平臺自帶的虛擬儀器進行測試。最后在電路板上進行真實實現(xiàn)，并對實際電路進行各種測試，將虛擬仿真結(jié)果和實際實驗結(jié)果進行比對分析。

4.2 案例2：信號與信息處理虛實結(jié)合實驗舉例

電子信息工程專業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)通信原理課程時，做“單邊帶調(diào)幅的波形及頻譜分析”實驗。該實驗?zāi)康氖菫榱俗寣W(xué)生掌握單邊帶調(diào)幅信號的波形并對其進行頻譜分析，同時研究信道噪聲對調(diào)幅信號的影響。如圖5所示，首先讓學(xué)生使用虛擬仿真實驗方式構(gòu)建簡單的仿真系統(tǒng)，了解實驗電路原理，觀察仿真實驗的效果。接下來在圖6所示的通信原理綜合試驗箱上實際操作，結(jié)合示波器觀察輸出波形的變化。最后將虛實兩種實驗結(jié)果對比，并對二者的誤差進行分析總結(jié)。

圖5 單邊帶調(diào)幅波形及頻譜虛擬仿真實驗

圖6 在通信原理實驗箱上進行單邊帶調(diào)幅實物實驗

上述虛實結(jié)合實驗方式集單邊帶調(diào)幅信號分析、處理、仿真、調(diào)試于一體，使電子信息工程的學(xué)生對常見調(diào)幅信號的時頻域特征有比較清楚的認(rèn)識，對調(diào)幅信號通過通信系統(tǒng)進行處理、傳輸?shù)幕痉椒ㄓ斜容^好地掌握，同時對于實現(xiàn)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方法、特點、技巧以及軟硬件的結(jié)合有比較系統(tǒng)了解，做到學(xué)以致用的同時培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

5 結(jié) 語

電子信息工程專業(yè)在多年的實驗教學(xué)改革中，形成了分層遞進的實驗教學(xué)體系，但是該體系在實際運行中暴露出不少缺點。為此提出將實操型實驗與虛擬仿真實驗相結(jié)合，通過研制開發(fā)和引進購置虛擬仿真實驗?zāi)K，構(gòu)建“虛實結(jié)合、分層遞進”的全新實驗教學(xué)體系。該體系使得學(xué)生可以先在虛擬實驗平臺上預(yù)習(xí)設(shè)計，大膽進行各種實驗操作，放心修改調(diào)試，無需顧慮器件浪費以及硬件整體的破壞，減少因為操作不當(dāng)而損壞實驗設(shè)備。然后在實操平臺上進行配置調(diào)試，總結(jié)由于環(huán)境因素造成的各種誤差及錯誤。實驗教學(xué)表明，新的教學(xué)體系開闊了學(xué)生的視野，增強了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和分析創(chuàng)新能力，同時，也提高了實驗教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率，促進實驗教學(xué)內(nèi)容的不斷更新，為工科專業(yè)的實驗教學(xué)研究提供參考。

[1] 王蒙軍,劉劍飛,徐曉輝.基于教學(xué)科研與實踐三位一體的實驗教學(xué)中心建設(shè)模式探索[J].實驗室科學(xué),2014(4) :12-16.

[2] 盛蘇英.開放式虛實結(jié)合實驗教學(xué)探索與實踐[J].實驗科學(xué)與技術(shù),2014 (1) :98-101.

[3] 周亞同，劉劍飛，王蒙軍，等.新形勢下電子信息工程專業(yè)教學(xué)改革初探[J].云南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011，33(S1)：458-462.

[4] 楊建良.電類基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)“虛實結(jié)合”模式的構(gòu)建[J].實驗室研究與探索,2014(7) :101-105.

[5] 張 靜,肖 明.開放式虛實結(jié)合的實驗教學(xué)模式的研究與探索[J].中國電力教育,2014(36) :176-179.

[6] 曹玉珍,何 峰,劉 鳴,等. 儀器類專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)思路[J]. 實驗技術(shù)與管理,2016(5):165-173.

[7] 陳冠玲,馬文新.應(yīng)用型本科電子信息工程專業(yè)實踐教學(xué)體系建設(shè)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(理學(xué)版),2012(S2) :279-281.

[8] 李翠超,凌 芳.虛實結(jié)合的虛擬仿真技術(shù)在工程訓(xùn)練中的應(yīng)用[J].實驗室科學(xué),2015(2):128-131.

[9] 王留芳,董德禮,周拓宇，等. 多模式、多層次電子電工實踐教學(xué)改革的探索與實踐[J]. 實驗室研究與探索,2011(3) :94-96.

[10] 蔡志奇,黃曉珩.構(gòu)建多層次全方位校企合作的實踐教學(xué)體系[J].實驗室研究與探索,2013(6): 159-362.

[11] 易 軍,周 偉,張元濤. 面向CDIO理念的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)實驗體系[J]. 實驗室研究與探索, 2014(8):159-161.

[12] 譚大為,張有光,馮文全. 北航-大唐電子信息工程實踐教育平臺建設(shè)探討[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2013(9): 162-165.

[13] 李雪花. 高職院校計算機基礎(chǔ)課程的分層實驗教學(xué)[J]. 計算機教育, 2015(5):62-64.

[14] 石松泉,沈紅衛(wèi),梁 偉.虛實結(jié)合的電工電子實驗教學(xué)體系的設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理,2008(8) :184-186.

[15] 張紅賓,趙二剛,張 穎. 虛擬仿真在電子類實驗教學(xué)中的應(yīng)用探討[J]. 實驗室科學(xué), 2015(3) :44-47.

[16] 王天仕,宋純鵬,尚富德,等. 構(gòu)建能力培養(yǎng)型實驗教學(xué)新體系[J]. 實驗室研究與探索, 2011(5):97-100.

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

教育部人文社會科學(xué)研究規(guī)劃基金(15YJA630108); 河北省教學(xué)改革項目(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，長期從事通信工程專業(yè)教學(xué)管理、科研及實驗室建設(shè)等。

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

G 642

A

1006-7167(2017)05-0093-04