電工電子虛擬仿真實驗教學中心建設的研究與探索

袁 小 平

(中國礦業大學 信息與電氣工程學院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

1997年，我校依托國家重點學科建設和“211工程”，成立了電工電子實驗教學中心。隨著國家特色專業、國家級教學團隊、“985”優勢學科創新平臺等國家級教學和科研平臺的建設，中心在2005年獲批省級實驗教學示范中心建設單位，2007年獲批國家級實驗教學示范中心建設單位，2012年通過教育部驗收榮獲國家級實驗教學示范中心稱號。

隨著電子器件制造技術、微電子技術和計算機技術的逐步發展成熟，電子設計自動化(簡稱EDA)技術的發展的得到了極大促進[1]。1999年，中心以臺灣最大的教學儀器設備開發商掌宇公司合作為契機，及時跟蹤現代電子技術發展的最新成果，引進、消化、吸收虛擬電子設計工作臺(簡稱EWB)、復雜可編程邏輯器件(簡稱CPLD)等世界前沿的EDA技術[2]，開發了用于CPLD學習與科研的一系列教學實驗箱，編著了《復雜可編程邏輯器件應用與開發》教材，面向全校開設了“電子設計自動化技術”選修課。此外，中心先后連續3年舉辦了4屆全國高校EDA實驗教學培訓班、研討會，對參加培訓的近百所全國高校的實驗教學改革發揮了重要的作用。面向在校師生和企業研發人員開展了SOPC新技術培訓班，推動了蘇北乃至淮海經濟區高校EDA技術的發展。

1 傳統電工電子技術實驗教學模式現狀分析

傳統電工電子技術實驗教學模式難以滿足快速發展的人才培養要求，存在諸多的弊端與不足之處[3]：

(1) 實驗室建設費用高昂。傳統的實驗室建設存在前期設備采購費用高，后期維護困難繁瑣，而且時間、空間、人力、物力、財力等因素都制約著實驗室的建設與革新。

(2) 教師指導學生實驗難以到位。高校普遍存在教師資源有限的問題，因此很難對所有學生進行細致指導，以致教學質量難以得到保障。設計創新類和自主探究類實驗更是難以開展。

(3) 教學目標難以落實。開展實驗類課程的教學目的是為了鍛煉學生的動手能力、自主設計的創新能力，而目前各高校開展的實驗大多以驗證性實驗為主，存在實驗操作訓練目的性不高，自主動手設計的創新能力培養不足等問題。

傳統的實驗教學方式單一，常常將理論知識和實驗動手操作進行了分離，使理論學習過于理想化，而實驗動手操作過于流程化，學生普遍缺乏主動性學習和創造性學習等問題[4]。因此我們提出了虛實結合的實驗教學系統的解決方案，虛實結合實驗室是一種運用虛擬儀器和虛擬技術仿真真實的實驗過程的計算機實驗教學系統，它采用現代網絡媒體技術和虛擬技術建立虛擬實驗室平臺，通過遠程可控的虛擬儀器，學生能通過虛擬平臺的客戶端的人機交互界面完成實驗，同時該系統支持實驗教學的一體化管理功能。

2 中心建設目標

中心實驗教學體系遵循教育部關于“十二五”期間實施“高等學校本科教學質量與教學改革工程”的意見、我校人才培養體系，圍繞“理論與實踐融合、教學與科研協同、學校與企業聯合、資源開放共享”的建設理念，以“基礎教學層、綜合設計層、創新實踐層、工程實踐層”的“四層面”虛擬仿真資源設計為主體指導思想，構建知識體系、課程層次、理論與工程、時間與空間、虛擬與現實的多元化、全方位的實驗教學體系，以體現“虛實結合、軟硬兼施、互相補充、虛中有實”的建設原則，具有虛擬仿真技術的先進性、網絡化的遠程控制、信息化管理手段、不受時空限制的開放式的鮮明特色。依托中心虛擬仿真資源，培養大學生綜合工程實踐能力、自主設計能力和創新研發能力，造就一批實踐和創新能力強的高素質應用型技術人才。

3 中心建設主要成果

中心依托國家級電工電子教學實驗示范中心、電氣信息類基礎教學團隊、電力電子與電氣傳動重點學科、電氣工程、信息工程國家級品牌專業，建設了“網絡化、模塊化、層次化、多元化”的虛擬仿真實驗教學平臺；建成一支年齡職稱結構合理、教學理念領先、學術水平先進、教學科研能力過硬、團結奮進的高素質實驗教學隊伍；制定和完善了中心管理規章制度；搭建了虛擬仿真實驗網絡信息共享平臺，實現了實驗類教學資源的智能化與網絡化管理，使學生進行實驗時不受時間和空間以及設備的制約，能自主配置虛擬實驗室資源、搭建自己所需的實驗電路[5]；虛擬仿真實驗教學平臺及虛擬仿真實驗項目已經完成了面向淮海地區高校、煤炭高校和企業的資源共享。中心的建設極大地提升了我校電子類、非電子類大學生動手實踐和設計創新能力。

(1) 建立了“網絡化、模塊化、層次化、多元化”的電工電子虛擬仿真實驗教學平臺。堅持專業建設與人才培養相聯系、教學與科研相滲透、理論教學與實踐教學相促進、虛擬仿真與實物儀器設備互相補充的原則，構建了“網絡化、模塊化、層次化、多元化”的虛擬仿真實驗教學體系，即“電類專業仿真實驗模塊、非電類專業仿真實驗模塊、EDA類仿真實驗模塊、遠程虛擬實驗室模塊、PLC組態軟件模塊[6]”五大模塊，“基礎課程仿真實驗教學層”“綜合與設計仿真實驗教學層”“創新實踐教學層”“工程導向教學層”四個層次，不同層次、不同模塊間進行相互補充、融合滲透；研發了各類虛擬仿真實驗項目，形成了“基礎設計型實驗—綜合設計型虛擬仿真實驗—創新設計型實踐-工程實踐、校企合作、科研轉化型項目”并舉的立體化實驗教學新的模式[7]。虛擬實驗平臺整體框架如圖1所示。

(2) 建設了“虛實結合、互為補充”的“四層次”虛擬仿真實驗教學體系及資源。針對課堂教學、實驗教學以及綜合工程訓練三方面教學實踐的需要，中心主要面向電類工程專業構建“虛實結合、互為補充”的虛擬仿真系統，為學生提供認知與動手實踐的平臺。主要包括“4個層次”：① 電類與非電類的傳統課程虛擬仿真教學；② 綜合設計型虛擬仿真教學；③ 創新實踐型虛實結合實驗平臺；④ 工程導向型實踐平臺。如圖2所示。

圖1 虛擬實驗平臺整體框架圖

圖2 中心虛擬仿真實驗體系

4個層次的虛擬仿真課程與實踐教學資源貫穿電氣、自動化、信息等專業一到四年級。

第1層次的基礎理論課程的虛擬仿真教學分為電類與非電類兩大類，其中電類包含電路理論、模擬電子電路設計、數字電子技術、自動控制原理等基礎課程，通過遠程的可視化虛擬仿真實驗，提高學生對基礎理論知識的理解水平；同時針對非電類工科專業開設電工電子技術基礎實驗仿真平臺，使非電類專業學生了解電學基本知識，并通過虛擬平臺加深認知，促進與本專業領域的交叉應用。

第2層次的專業綜合應用虛擬仿真教學與實驗分為集成電路設計虛擬仿真實驗、LabVIEW虛擬仿真實驗、可編程控制器組態軟件設計與Matlab仿真實驗，實驗涉及EDA模塊、測量與控制等三大模塊。涵蓋電氣工程、電子信息、自動化、系統設計類的20多門專業教學，各自專業可根據各專業人才培養的要求，進行模塊化選擇組合，仿真實驗發揮專業課程綜合設計的功能，在基礎課程實驗的基礎上實現進一步的提高，加深實驗學生綜合設計與綜合分析問題的能力。

第3層次是創新實踐層，創新實踐層仿真系統子平臺由電子工藝仿真創新實驗室、電子設計與創新實訓平臺、智能控制設計與創新平臺三部分構成。其中，電子設計與創新實訓平臺依托教務部掛牌的“電子設計與創新實踐創新基地”，主要是為學生開設的一些對教學場景進行特別設計，以探索和研究為基礎、強調師生互動和鼓勵學生自主學習。教師承擔組織者、指導者和參與者的角色，根據不同的課題，老師自主設計并發布研究型課程，各學科領域的教授面向學生開設的小班研討形式課程[8]。該新的教學模式無論在授課方式、教學平臺、考核管理手段等諸多方面皆與傳統教學有很大不同與革新。這些課程多以自主探索和啟發性研究為導向，增進老師與學生以及學生與學生之間的互動與交流。使學生同學在合作完成實驗的過程中不僅掌握了理論知識、開拓了視野，而且增強了合作精神、批判精神，鍛煉了交流表達、項目總結匯報等諸多方面的能力，同時為各級電子設計競賽做好培訓工作。智能控制設計與創新平臺依托教務部掛牌的“智能控制與系統大學生實踐創新基地”，主要以機器人設計、智能車設計、航模設計與創新為全校工科專業學生開設的。該平臺注重培養學生綜合運用現代電子技術、單片機技術、DSP技術、嵌入式系統、機器人技術、智能控制技術等進行智能控制系統的設計、調試能力，加強了學生分析問題和解決問題的能力，同時為相關學科競賽做好培訓工作[9]。

第4層次是工程導向層，結合工程應用背景實現工程項目仿真平臺搭建，使學生了解工業過程背景，提高學生工程實訓能力。中心依托4個電氣信息類一級學科，特別是電力電子與電力傳動國家重點學科和礦山互聯網應用技術國家地方聯合工程實驗室、江蘇省煤礦電氣與自動化工程實驗室等擁有的雄厚的師資力量、良好的實驗裝備和實驗項目等優勢，充分發揮名師風范，探索創新歷程，激發大學生自主創新的熱情；將學科學術研究和科研項目成果與理論教學、實驗實踐創新共享，實現科學研究、理論教學、實驗實踐創新互通、面向教師-研究生-本科生開放共享的實驗平臺；極大地促進優秀科研成果向優質教學、實驗資源的快速轉化，實現實驗教學與科研互動。

(3) 建設開放式遠程虛擬仿真實驗室。中心與廣州風標電子技術有限公司合作建立了技術先進、資源豐富的基于Proteus的電子設計仿真與實驗系統[10]，該系統目前有校園網內的局域網升級到廣域網，實現真正的遠程網絡虛擬實驗室，包括“電路分析虛擬實驗教學系統”“模擬電路虛擬實驗教學系統”和“數字電路虛擬實驗教學系統”“嵌入式與單片機虛擬仿真實驗系統”等[11]，如圖3所示。

圖3 基于Proteus的電子設計仿真與實驗系統登錄界面

中心與美國NI公司合作建立基于LabVIEW的遠程虛擬仿真實驗平臺[12]，該平臺通過C/S架構加強實驗教師和實驗學生的溝通，并利用遠程通信技術實現實驗的遠程操作、遠程觀測、遠程理論指導等教學互動環節。

教師和學生通過虛擬實驗系統，實現網上自由搭建實驗項目，無時間、空間的限制；同時系統具備實驗過程智能指導功能，能自動分析學生遇到的問題或出錯的地方，自動指導學生進行下一步操作；系統具備實驗結果自動批改功能，學生做完實驗，上傳實驗結果，系統可以自動判斷實驗的各得分點，同時給出相應的實驗成績，滿足開放式實驗教學需求。服務器和客戶端的界面如圖4、5所示。

圖4 服務器端運行界面

(4)逐步完善虛擬仿真實驗教學資源的開放共享。中心網絡共享平臺網站：http://202.119.206.200:1902/WES/login.jsp，建成的“電工技術與電子技術”教育部“國家級精品資源共享課立項項目”、編寫的《電子技術綜合設計教程》《電工技術與電子技術實驗》榮獲江蘇省精品教材。 與企業合作研發了20余套虛擬仿真實驗教學平臺及虛擬仿真實驗項目。中心虛擬仿真實驗教學資源既面向信電學院電類專業學生，也面向全校非電類專業學生開放。中心立足煤炭行業，融入江蘇地方經濟建設，輻射蘇、魯、豫、皖淮海經濟區，切實為我國能源工業和地方經濟發展服務。中心系列教改所形成的成果實現了高效益輻射，在蘇北地區高校和行業系統高校起到模范和輻射作用。

圖5 客戶端實驗界面

4 結 語

本文以電工電子虛擬仿真實驗教學中心的建設與探索為研究背景，依托我校國家級電工電子教學實驗中心，搭建了電工電子虛擬仿真實驗中心的虛擬實驗平臺整體框架，建設了電工電子教學實驗中心的虛擬仿真實驗教學系統與教學資源。及時跟蹤現代電子技術的最新成果，將EDA和虛擬仿真技術率先引入實驗教學，建立不受時間空間限制的“虛實結合、互為補充”網絡虛擬實驗室，充分激發了學生的學習積極性，極大地加強了學生的獨立電子設計與創新能力。

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