信息電子技術虛擬仿真實驗教學中心建設的探索與實踐

程 勇， 孫科學， 郭宇鋒， 黃 剛(南京郵電大學 .電子與光學工程學院,微電子學院;.資產管理與實驗室建設處,南京 210023)

0 引 言

信息電子是當今科技領域中發展最為迅速、應用最為廣泛的產業之一，業界激烈技術競爭以及信息通信技術的發展給電子行業帶來了挑戰。如何在產品設計階段對產品性能進行評估，從而保證最終產品滿足預計的性能要求是產業界非常關注的問題[1-3]，當前的許多新的技術和產品的復雜度越來越高，通過傳統的研發手段和流程來實現，則設計周期過長，而且難以實現。例如當前通信界正在開展的第五代移動通信的研發和推廣工作，由于系統復雜，牽涉面廣，諸如系統所牽涉到的毫米波多址接入技術、大規模MIMO天線技術、新型調制技術等一系列的關鍵技術。目前華為、愛立信等國際知名企業都是通過前期的虛擬仿真技術對系統性能進行分析和評估，通過高效建模方法，重建演化規律以及各種相互關系描述，對其中種類繁多、構形復雜的信息做出準確、完備的描述，實現硬件軟化，才投入設備生產，從而大大縮短研發周期，提高設備研發的成功率，虛擬仿真已經成為信息電子技術產業發展的必然途徑[4-5]。

在當今社會處于工業化4.0和“互聯網+”的發展背景下，面向我國對信息電子相關專業工程型創新型人才培養的迫切需求，虛擬仿真具有實體實驗無可比擬的優勢，通過虛實結合、虛實互補的實驗教學模式，可以為培養學生的綜合應用能力、工程實踐能力、創新能力提供必要條件，是工程型創新型信息電子人才培養的必然需求[6]。

信息電子技術產業界通常采用仿真模擬、封裝測試、正式生產的企業運作模式，為實現人才培養與產業界無縫對接，高校必需加強虛擬仿真實驗教學環節的設置與建設。高校現有實體實驗教學資源無法為所有學生參與認識實習、生產實習、專業實習、畢業設計等工程實踐環節提供充足條件，因為虛擬仿真具有不需實驗場所、真實再現實體實驗等優勢，因此迫切需要虛擬仿真教學資源給予必要補充與有力支撐。

針對未來先進的信息電子技術和學科發展前沿問題，高校沒有條件實現實體實驗，例如14 nm的集成電路設計等技術，虛擬仿真實驗是了解先進信息電子技術的有效途徑，可以有效引導學生的創新意識和培養學生的創新能力。傳統的高校創新人才培養模式已經遠落后于當前信息電子技術的發展，僅僅依靠課堂教學和實體實驗難以實現信息電子相關專業學生的創新能力培養。這就要求改革高校創新人才培養模式，通過引入虛擬仿真技術，構建面向創新能力培養的虛擬仿真平臺，豐富教學內容，拓展實踐領域，更好地推動信息電子化條件下的創新能力培養[7]。

高等教育的根本任務是培養具有創新精神和工程素養的高級人才[8-9]。信息電子技術虛擬仿真實驗教學中心建設以實踐能力提升為出發點[10-13]，以創新能力和工程能力提升為目標[14-15]，將實體實驗和虛擬實驗有機結合，形成了三結合的實驗教學平臺，完善了一體化的實踐實驗課程體系；同時實驗中心圍繞電子信息實驗實踐能力培養，對“實踐為基、創新為重、工程為要”的質量工程建設和教學改革進行了探索和研究，并創建了“自主學習、探究學習、協作學習”的實踐實驗教學模式。多年來，堅持特色和創新舉措，取得了突出的人才培養成效和示范效應。

1 信息電子技術虛擬仿真實驗教學中心簡介

南京郵電大學是國家工業和信息化部與江蘇省人民政府共建的以信息與通信為特色的高水平教學研究型大學，辦學70年來，不斷踐行“厚德、弘毅、求是、篤行”的校訓，深入實施“質量立校、人才強校、特色興校、創新活校”的方針，綜合辦學實力和整體辦學水平不斷提升。

隨著計算機技術和電路設計的發展，我校從1985年開始引入虛擬仿真實驗CAA，1990年設立虛擬仿真實驗課程。之后，虛擬仿真實驗建設呈體系化發展，目前已形成面向全校、突出工程、學用結合、虛實互補、實體和虛擬并行發展的信息電子實驗教學體系。在長期的發展過程中，依托 “電子科學與技術”一級學科博士點、江蘇省重點學科“電磁場與微波技術”、江蘇省重點序列學科“智能電網與控制技術”的學科優勢；依托“江蘇省射頻與微納電子技術重點實驗室”“江蘇省射頻集成與微組裝工程實驗室”等科研平臺；依托電子科學與技術等國家特色專業、教育部卓越工程師培養教育計劃專業、教育部工程教育專業認證專業、教育部高等學校專業綜合改革試點專業、省級品牌專業；依托“國家級電子科學與技術實驗教學示范中心”“江蘇省射頻與微納電子綜合訓練中心”“江蘇省電工電子實驗教學示范中心”和數十個校企合作實驗室和企業實習基地。

2 信息電子技術虛擬仿真實驗教學中心實驗平臺建設

中心長期以來始終堅持以實踐能力提升為出發點，以創新能力和工程能力提升為目標，充分利用計算機和互聯網的最新技術進展，將實體實驗和虛擬實驗有機結合，形成了富有特色的實驗平臺體系、實踐課程體系和質量保障體系，構成了完善的信息電子類實驗教學體系。

中心目前擁有包括信息電子材料、信息電子器件、集成電路設計、電磁場與微波技術、電子設計自動化5個虛擬仿真實驗教學平臺和綜合創新、校企聯合2個虛擬仿真實踐平臺，其中5個實驗教學平臺共包含12個虛擬仿真實驗模塊，如圖1所示。以學生的學習和發展為中心，圍繞學生的復雜工程創新能力培養，中心所建立的這5個虛擬仿真實驗教學平臺與所依托的電子科學與技術國家級實驗教學示范中心建立的9個實體實驗平臺形成了“虛實互補、相互支撐”的實驗教學資源格局，并與校企聯合實驗平臺和綜合創新實驗平臺一起，構成了完整的一體化實驗教學平臺體系。在實驗課程方面，中心一貫堅持以“虛實結合、校企結合、教研結合、資源共享”為建設理念，以“虛實互補、以虛促實、以實證虛、能實不虛”為原則，以培養信息電子技術領域創新性、工程性高素質人才為目標，建立了“基礎與專業一體、理論與實驗一體、設計與工程一體”的分層次實驗教學課程體系。

圖1 中心平臺結構圖

實驗實踐教學體系在我校信息類人才培養中發揮了重要的作用。中心作為重要支撐的電子科學與技術、電子信息工程和通信工程3個專業分別通過了全國工程教育專業認證。在專家現場考察過程中和最終的認證報告中，考查專家對中心的建設理念、教學改革、平臺體系、課程體系、教學模式和質量保障等都給予了高度評價。“信息學科高素質創新人才培養體系的研究與實踐”“培養電子設計創新人才的教學與實踐”“基于工程實踐和創新能力提升的信息類專業教學改革探索與實踐”“學為中心的地方高校教學質量保障體系研究與實踐”等一系列成果連續獲得國家級和省級教學成果獎。

3 虛擬仿真實驗教學中心建設的特色與創新

(1) 貫徹“實踐為基、創新為重、工程為要”的教學改革探索。始終堅持以實踐能力提升為出發點，以創新能力和工程能力提升為目標，持續堅持教育教學改革探索，大力加強實驗實踐教學，創新人才培養改革模式，推進課程、教材建設與資源共享，建設教學團隊與高水平教師隊伍，在本科教學質量工程建設中成效顯著。10余年來，標志性成果不間斷地獲得江蘇省高等教育教學成果一等獎。2001年，在實施創新教育，培養電子設計創新人才方面做了大量探索工作，逐步形成了“常規教學與強化訓練相結合、課內教學與課外科技活動相結合”的創新人才培養機制，其成果“培養電子設計創新人才的教學與實踐” 獲得江蘇省高等教育教學成果一等獎；2005年，以“加強基礎，拓寬專業口徑，改善學生知識結構，全面培養學生能力，充分發揮學生對學習的主動性和積極性”為指導思想，積極實施寬口徑專業人才培養方案，采用“2+2”教學模式，其成果“電氣與信息類寬口徑專業人才培養模式改革的研究”獲得江蘇省高等教育教學成果一等獎；學院不斷倡導利用計算機技術結合實驗驗證的虛實結合的方式提高創新能力，其研究成果“信息學科高素質創新人才培養體系的研究與實踐”在2007年和2009年分別獲得江蘇省教學成果特等獎和國家教學成果一等獎； 2009年，以電子科學與技術專業建設為契機，通過凝練專業方向、構筑實驗平臺、整合教學資源、優化課程體系，在學生的實踐能力和創新能力培養方面取得了顯著成績，其成果“電子科學與技術專業建設的探索與實踐”獲得江蘇省高等教育教學成果一等獎；在信息技術向多學科、多領域交叉與融合的大信息時代，充分吸收了國際大工程大信息教育的新成果，把實踐教學作為一種通識教育貫穿人才培養全過程，在實驗實踐教學中，學院建立了基于工程能力達成度評價的雙閉環的實踐教學質量保障體系，保證了能力培養的達成度的完成。

(2) 構建“虛實結合、校企結合、教研結合”的實驗教學平臺。建立了的5個虛擬仿真實驗平臺與9個實體實驗平臺形成了“虛實互補、相互支撐”的一體化的實驗教學資源格局，并與校企聯合實驗平臺和綜合創新實驗平臺一起，構成了完整的一體化實驗教學平臺體系，如圖2所示。形成虛擬仿真實驗與實體實驗相結合的模式，做到“虛實結合、能實不虛”。

與校外企業密切合作，與多個知名電子類企業建立了聯合實驗室、共建實驗室，構成了共建虛擬仿真平臺。其中包含“南京郵電大學—美國德州儀器大學生創新學院模擬技術聯合實驗室”“南京郵電大學—美國德州儀器大學生創新學院MSP430單片機聯合實驗室”等11個實驗室，通過企業家進課堂、企業項目進課程、學生進企業實習、學生進企業進行畢業設計、教師進企業掛職的多種方式，加強產學合作教育，對于學生培養工程意識，提升綜合實踐的素養，激發主動性和積極性均具有重要意義。

教研結合是我們長期秉承實驗教學原則，充分利用學科所擁有科研平臺的先進性，開展虛擬仿真的實驗實踐教學活動，近3年學院教師承擔并完成80余項包括科技部重大專項、國家自然科學基金等高水平的科研項目，主持科研的教師通過將課題成果提煉分解轉化為實驗項目，融入實驗教學，通過課堂實驗、課程設計、畢業設計、大學生創新創業計劃等方式，進行虛擬仿真實驗教學。此類實驗教學極大地培養了學生的創新意識和實踐能力，目前有20余項虛擬仿真實驗項目來源于教師的科研成果轉化。

圖2 “虛實互補、相互支撐”的一體化實驗教學平臺體系

(3) 完善創新實踐實驗課程體系。以培養電子信息技術領域多元化、全方位的高素質人才為目標，建立了“基礎與專業一體、理論與實驗一體、設計與工程一體”的實踐實驗教學課程體系，涵蓋了電子信息材料、電子信息器件、電子信息電路以及電子信息系統等4個方向。該體系的形成滿足了從基礎技能到專業知識再到創新綜合的實踐能力培養要求，體現了從學科基礎知識過渡到專業綜合技能再到研究與創新能力培養的教學教育規律，取得了顯著成效。在基礎實驗層次中，為了增加學生知識的廣度，拓展學生視野，開設了電子材料類、電工電子類、信號與系統類等虛擬仿真實驗課程，為電子信息領域的學生的專業學習奠定了電子、物理、信息等學科基礎。在專業實驗層次中，開設集成電路類、電磁場類、電子電路類等虛擬仿真實驗課程，注重學生已有知識體系和認知特點，充分考慮不同年級學生的能力層次和個體差異，由易到難、由淺入深、循序漸進，體現了從基礎技能到專業能力培養要求。在綜合創新層次中，借助大學生電子設計競賽、大學生創新訓練計劃、開放實驗、校企聯合實驗室和科技社團活動等方式，實現了對學生創新能力訓練的全覆蓋。建立了“基礎與專業一體、理論與實驗一體、設計與工程一體”的分層次實驗教學課程體系(見圖3)。

圖3 中心實驗課程體系

基于本中心的教學資源，完成了100余項國家級大學生創新訓練計劃，30余項國家級大學生電子類設計競賽獎，注冊公司34個。

(4) 探索電子信息技術實驗教學新方法。在現代信息技術與實驗教學的深度融合下，建立了教學資源豐富、技術和管理水平先進的電子信息技術實踐實驗平臺。依托優質實驗室資源、雄厚師資力量和網絡平臺保障，以大學生創新訓練計劃項目、校企聯合實驗室開放項目、大學生電子設計競賽和各類科學競賽研究為載體，鼓勵學生參加科協、C&S協會和課外興趣小組等方式，多角度全方位地推進信息化條件下自立、自為、自律的自主學習，進行探索、發現、創造的探究學習，開展競爭、辯論、合作的協作學習。在教學過程中，始終貫徹以培養人才、提升學生實踐能力為己任，深入研究實驗實踐教學規律，構建實驗教學改革創新的新局面。在“自主學習、探究學習、協作學習”實驗實踐教學培養模式下，近3年來學院學生的基礎實踐能力、綜合設計能力和創新能力均得到了顯著提升，國家級大學生創新訓練計劃項目數逐年迅速增加，大學生電子設計競賽的獲獎紀錄穩居江蘇省屬高校前列，各類競賽學術成果悉數呈現，畢業生社會認可度高，在知名電子信息產業發揮重要作用。

4 實驗教學效果與成果

多年來，中心堅持自己的特色和創新舉措，取得了突出的人才培養成效和示范效應。學生科技創新能力突出，學生創新受益面大、創新層次高，年接待學生1 300人以上；學科競賽和創新創業成果豐碩，特別是電子設計競賽。我校先后2次獲最高獎“索尼杯”和“瑞薩杯”，近3年獲得省級以上電賽獎237項，其中國家級33項；根據麥可思報告、江蘇省就業報告、清華大學NSSE-China等的第三方報告，畢業生就業質量高、從業競爭力強。

中心建設成效產生了重要的輻射和示范效應，同行專家評價高，高校示范作用明顯。“電子科學與技術”和“通信工程”專業分別于2013年和2016年通過全國工程教育專業認證，在專家現場考察過程中，對中心建設理念、教學改革、平臺體系、課程體系、教學模式等都給予了高度評價。近年來中心接待了北京理工大學、北京工業大學、北京郵電大學、中國礦業大學、重慶郵電大學、貴州大學、南京理工大學等國內知名高校的考察和交流40余次，對中心體制、教學模式和成果、管理方法均給予高度評價。此外，由于在電子創新能力培養和競賽方面取得的優異成績，受全國大學生電子設計競賽組委會委托，中心承辦了2013年全國大學生電子設計競賽的全國復測，受江蘇省大學生電子設計競賽組委會委托，承辦了2013年全國大學生電子設計競賽的全程測試，接待了來自全國近200所高校、3 000余名師生，參賽隊員以及組委會對中心的軟硬件條件、組織管理工作和取得的建設成績給予高度評價。中心老師編寫的教材也被西安電子科技大學、西安交通大學、哈爾濱工程大學、南京航空航天大學、湘潭大學等多所高校采用，發揮了顯著的示范作用。

5 結 語

國家級實驗教學中心是新時期教育改革發展的重要組成部分。本文結合國家級實驗教學示范中心的建設經驗，介紹了信息電子技術虛擬仿真實驗教學中心在實驗教學改革及教學體系建設方面的探索與實踐。中心建設以實踐能力提升為出發點，以創新能力和工程能力提升為目標，將實體實驗和虛擬實驗有機結合，形成了“虛實結合、校企結合、教研結合”的實驗教學平臺，完善了“基礎與專業一體、理論與實驗一體、設計與工程一體”的實踐實驗課程體系；圍繞電子信息實驗實踐能力培養，對“實踐為基、創新為重、工程為要”的質量工程建設和教學改革進行了探索和研究，并創建了“自主學習、探究學習、協作學習”的實踐實驗教學模式。多年來，堅持自己的特色和創新舉措，突出人才培養，學生科技創新能力突出，學生創新受益面大、創新層次高；學科競賽和創新創業成果豐碩。

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