電子信息技術虛擬仿真實驗教學平臺的建設與實踐

馬學條, 程知群, 鄭雪峰, 王永慧

(杭州電子科技大學 國家級電子信息技術虛擬仿真實驗教學中心, 浙江 杭州 310018)

杭州電子科技大學電子信息技術虛擬仿真實驗教學中心(下稱中心)依托于國家級電工電子實驗教學示范中心、電子科學與技術國家級優勢特色專業、電子信息工程國家級優勢特色專業和EDA技術國家級精品課程等教學科研平臺，建設了包括集成電路與集成系統、EDA技術、現代數字技術、DSP與嵌入式系統應用等20多個虛擬仿真實驗室，并于2014年入選教育部公布的首批100個國家級虛擬仿真實驗教學中心[1]。

中心結合電子信息類專業特點,將現代信息技術運用到實驗教學中,支持和鼓勵師生自主研發各類虛擬仿真實驗教學設備及教學項目[2]。中心本著虛實融合、優勢互補的原則,開發和建設了基本實驗教學、科研成果轉化、企業合作共享三大類電子信息技術虛擬仿真實驗教學平臺。所構建的平臺涵蓋了17個系列的虛擬仿真實驗項目,借助開放式虛擬仿真實驗教學管理系統,每年面向校內外8 000多名學生開放,學生通過網絡,遠程調用云端服務器上的仿真軟件,進行創新性實驗設計。

1 虛擬仿真實驗教學平臺建設思路

充分利用虛擬仿真技術,解決高成本、長周期與不可及的實驗教學難題,彌補受地域環境、儀器設備和安全因素等限制的現實問題,對于探索實驗教學新模式、培養電子信息人才具有重要而深遠的意義[3]。虛擬仿真實驗教學平臺的建設需要實現4方面功能。

(1) 體系化的分層次虛擬實驗教學。電子信息類專業課程包括專業基礎課、專業課和應用實踐3個層次。虛擬仿真實驗教學要覆蓋5個階段:(1)器件和電路,采用Pspice、Mulitisim、ADS等仿真軟件,結合LabVIEW等工具軟件,實現半導體物理與器件、集成電路基礎、數字電路等實驗設計；(2)信號和處理,結合Verilog、DSP builder、Matlab等工具軟件,實現信號采集分析與處理；(3)傳輸和控制,結合Simulink、Opnet和GX Simulator等,實現通信傳輸和控制實驗；(4)單元和系統,結合Proteus、Quartus Ⅱ等,實現功能單元和集成系統設計；(5)設計和應用,結合Protel、Orcad、Padscad等布線軟件,實現從設計到應用級仿真。通過5個階段的實驗教學,學生可以將碎片化的電子信息知識連結起來,構建相對完整的電子信息理論體系。

(2) 科學研究與實踐教學良性互動。堅持實驗教學與科研相結合,以教促研,以研促學,實現教研相長。把部分科研案例、科研成果及先進的科研方法引入實驗教學中,增強實驗教學的生動性,開闊學生的視野和知識面。緊密跟蹤學科發展,構建適應新技術發展的實驗教學體系,以滿足現代社會和業界對電子信息人才的需要[4]。此外,應吸收部分學生在業余時間參與科研項目的開發和實驗室的建設,增強學生的實踐動手能力、培養學生的創新精神。

(3) 自編教材、自制儀器與實驗內容改革一體化建設。采用自編教材、自制儀器與實驗內容改革一體化建設的方法,充分利用先進科學技術,采取多樣化實驗手段輔助實驗教學,鼓勵和支持實驗教師自制實驗教學儀器和自編實驗教材,使實驗內容、實驗教材和實驗儀器同步配套,保證實驗教學緊密跟蹤新技術發展。

(4) 教學資源優質化與可持續性。注重培養學生的創新創業能力,把虛擬仿真技術融入實驗教學之中。從科研項目和解決工程實際問題出發,提煉綜合設計型虛擬仿真實驗項目。虛擬仿真實驗教學案例庫建設流程如圖1所示,案例庫項目首先用于實驗教學,學生將實驗教學項目進行功能拓展后可用于課外科技項目申報,課外科技項目進行持續優化后可進行產學合作孵化,成功孵化和培育的產學項目經過提煉回饋到實驗教學案例庫中。基于虛擬仿真實驗教學平臺,構建虛實融合的動態實驗教學體系,實現開放共享的虛實融合實驗教學模式。加強與國內外知名電子信息企業聯合共建實驗室與實訓基地,研制和推廣結合學科前沿、專業與行業特色鮮明的虛擬仿真教學設備,持續積累與更新實驗教學案例庫,確保教學資源的優質化性和可持續性[5]。

圖1 電子信息技術虛擬仿真實驗教學平臺案例庫建設流程

2 電子信息技術虛擬仿真實驗教學平臺設計

基于虛擬仿真實驗教學平臺,開發了一系列傳統實驗難以實現而有利于學生設計、綜合和創新能力培養的虛擬仿真實驗項目。應用虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫、數字化設計、計算機仿真和網絡通信技術,實現課內與課外、校內與校外、網上與網下、現實與虛擬的融合,致力于虛擬仿真實驗和傳統實驗相結合的實驗教學方法改革與創新。電子信息技術虛擬仿真實驗教學平臺包括基本實驗教學、科研成果轉化、企業合作共享三大類,平臺組成架構如圖2所示。

2.1 基本實驗教學資源虛擬仿真教學平臺

該平臺包含電子設計、系統設計和工程應用3部分虛擬仿真實驗內容,注重學生基本技能的培養。

電子設計包括“數字電路系統設計與仿真實驗”“模擬電路系統設計與仿真實驗”“集成電路設計與仿真實驗”和“基于開源模塊的片上系統虛擬實驗”。

系統設計包括“基于NetFPGA的參考路由器”“程序設計仿真實驗”“遠程計算機控制技術仿真”和“系統集成虛擬設計”。

工程應用包括“運動控制應用仿真實驗”“機器人虛擬現實仿真實驗”“流程工業擬實仿真實驗”和“炸藥生產線擬實仿真實驗”。

2.2 科研成果轉化資源虛擬仿真教學平臺

該平臺由“高度仿真環境下的虛擬現實平臺”和“云計算與應用軟件共享實驗平臺”兩部分組成,注重學生新技術及應用能力的培養。依托我校電子科學與技術、電子信息工程等國家級優勢特色學科,將科研成果轉化為實驗教學資源,科研反哺實驗教學,以高素質人才培養作為科研工作的出發點與落腳點,將學科建設的成果轉化為人才培養優勢。

2.3 校企合作共享資源虛擬仿真教學平臺

該平臺主要由校企共建的“大學生科技創新虛實結合實驗平臺”、校企合作開發的“信息化實驗教學平臺”和“物聯網虛擬實驗平臺”3部分組成。平臺注重學生工程應用能力和綜合創新能力的培養,從解決實際工程問題出發,采用工程通用仿真軟件進行電路仿真設計、虛實結合調試、產學研項目開發等逐級深入的實踐培養環節；與行業應用實現無縫對接,滿足電子信息技術人才培養需要。利用此平臺,讓學生達到在實驗室所學所見即工業現場所用,在建立現代工業自動化的宏觀概念同時,實現仿真系統、真實過程控制系統的組態調試[6-7]。

圖2 電子信息技術虛擬仿真實驗教學平臺組成架構

3 開放式虛擬仿真實驗教學管理系統

中心根據教育信息化發展規劃,結合教學實際,探索和推廣以實驗資源網絡化、實驗活動遠程化、實驗管理信息化為特征的實驗教學模式；聯合相關專業公司,開發了開放式虛擬仿真實驗教學管理系統[8]。

3.1 系統架構

以深化實驗室教學改革為指導,以實驗室管理流程和基本事務管理為核心,以規范實驗室管理信息化為準則。開放式虛擬仿真實驗教學管理系統采用B/S結構,實現了集虛擬仿真實驗教學、實驗室管理、門戶網站管理等功能于一體。如圖3所示,學生只需連接網絡,通過該教學管理系統,即可在寢室、實驗室或教室等區域共享實驗教學資源,無限制地進行虛擬仿真實驗操作,遠程提交仿真結果,達到處處能學、時時可學的泛在化學習[9]。

圖3 遠程虛擬仿真實驗教學流程圖

3.2 實驗教學管理

實驗教學管理包括實驗預習管理、實驗考勤管理、實驗準備管理、實驗過程考核、實驗報告管理、實驗成績管理等(見圖4)。實驗教學管理模塊的功能實現,能夠確保實驗教學的質量和秩序[10]。

圖4 實驗教學管理系統功能架構

通過實驗教學管理系統,教師在實驗前將根據教務處的開課計劃進行實驗庫的維護、實驗安排、上傳實驗資源等；在實驗中能夠利用該系統進行考勤管理、查看學生實驗進展、現場給學生實驗打分,實驗后能夠在線查看學生的實驗報告、批改實驗結果、導出實驗報告,并能夠統計并發布實驗成績。

通過該系統,學生在實驗前根據任課教師的要求,進行實驗前的預習,并記錄自己的預習情況,通過考核后進入實驗室進行實驗；在實驗過程中,能夠借助系統的智能指導和互動交流功能獲得實驗幫助,提升實驗設計能力。

4 示范性虛擬仿真實驗教學項目建設

依托電子信息技術虛擬仿真實驗教學平臺,進行了電子信息技術虛擬仿真示范性實驗教學項目的建設。教學項目包括基本電子技術驗證性仿真實驗、簡單電子系統仿真實驗、復雜電子系統仿真實驗和虛實結合實驗等與電子技術相關的實驗案例。實驗教學采用工程仿真軟件進行復雜電子系統設計,解決了高成本與不可及的實驗難題,開發了調幅通信系統仿真、任意波形信號發生器設計和射頻微波遠程實驗等軟件共享、儀器共享和遠程控制3類虛擬仿真實驗。這些虛擬仿真實驗對接行業應用,滿足了電子技術人才培養需要。在線虛擬仿真實驗教學流程如圖5所示。

圖5 在線虛擬仿真實驗教學流程

5 結語

中心始終堅持以學生為主體,以培養學生綜合能力為目標,堅持實驗教學與科研相結合,堅持虛實融合的實驗教學模式,使學生在自主創新設計、工程協作、及表達寫作等方面得到有效訓練。中心堅持多樣化實驗手段輔助實驗教學,通過教學的啟迪和大量有創意的實驗項目訓練,使學生在基礎理論、實踐能力和創新精神三方面得到同步收獲[11-12]。

在整合校內實驗資源的基礎上,中心充分發揮了電子信息特色與虛擬仿真實驗教學優勢,與兄弟院校開展廣泛的交流和合作,加強實驗教學平臺的共建共享,以此帶動周邊學校和浙江省其他高校虛擬仿真實驗平臺的建設和發展。中心積極聯合周邊院校共同研究探索有利于虛擬仿真實驗教學項目開放共享的教學績效考核激勵機制,建立并試點運行高教園區內互認的虛擬仿真實驗考核評價機制。