馬學(xué)條, 程知群, 鄭雪峰, 王永慧

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

杭州電子科技大學(xué)電子信息技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)中心(下稱中心)依托于國家級電工電子實驗教學(xué)示范中心、電子科學(xué)與技術(shù)國家級優(yōu)勢特色專業(yè)、電子信息工程國家級優(yōu)勢特色專業(yè)和EDA技術(shù)國家級精品課程等教學(xué)科研平臺，建設(shè)了包括集成電路與集成系統(tǒng)、EDA技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)、DSP與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)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(xué)中心[1]。

中心結(jié)合電子信息類專業(yè)特點,將現(xiàn)代信息技術(shù)運用到實驗教學(xué)中,支持和鼓勵師生自主研發(fā)各類虛擬仿真實驗教學(xué)設(shè)備及教學(xué)項目[2]。中心本著虛實融合、優(yōu)勢互補的原則,開發(fā)和建設(shè)了基本實驗教學(xué)、科研成果轉(zhuǎn)化、企業(yè)合作共享三大類電子信息技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。所構(gòu)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(xué)管理系統(tǒng),每年面向校內(nèi)外8 000多名學(xué)生開放,學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò),遠程調(diào)用云端服務(wù)器上的仿真軟件,進行創(chuàng)新性實驗設(shè)計。

1 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)思路

充分利用虛擬仿真技術(shù),解決高成本、長周期與不可及的實驗教學(xué)難題,彌補受地域環(huán)境、儀器設(shè)備和安全因素等限制的現(xiàn)實問題,對于探索實驗教學(xué)新模式、培養(yǎng)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(xué)平臺的建設(shè)需要實現(xiàn)4方面功能。

(1) 體系化的分層次虛擬實驗教學(xué)。電子信息類專業(yè)課程包括專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課和應(yīng)用實踐3個層次。虛擬仿真實驗教學(xué)要覆蓋5個階段:(1)器件和電路,采用Pspice、Mulitisim、ADS等仿真軟件,結(jié)合LabVIEW等工具軟件,實現(xiàn)半導(dǎo)體物理與器件、集成電路基礎(chǔ)、數(shù)字電路等實驗設(shè)計；(2)信號和處理,結(jié)合Verilog、DSP builder、Matlab等工具軟件,實現(xiàn)信號采集分析與處理；(3)傳輸和控制,結(jié)合Simulink、Opnet和GX Simulator等,實現(xiàn)通信傳輸和控制實驗；(4)單元和系統(tǒng),結(jié)合Proteus、Quartus Ⅱ等,實現(xiàn)功能單元和集成系統(tǒng)設(shè)計；(5)設(shè)計和應(yīng)用,結(jié)合Protel、Orcad、Padscad等布線軟件,實現(xiàn)從設(shè)計到應(yīng)用級仿真。通過5個階段的實驗教學(xué),學(xué)生可以將碎片化的電子信息知識連結(jié)起來,構(gòu)建相對完整的電子信息理論體系。

(2) 科學(xué)研究與實踐教學(xué)良性互動。堅持實驗教學(xué)與科研相結(jié)合,以教促研,以研促學(xué),實現(xiàn)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(xué)中,增強實驗教學(xué)的生動性,開闊學(xué)生的視野和知識面。緊密跟蹤學(xué)科發(fā)展,構(gòu)建適應(yīng)新技術(shù)發(fā)展的實驗教學(xué)體系,以滿足現(xiàn)代社會和業(yè)界對電子信息人才的需要[4]。此外,應(yīng)吸收部分學(xué)生在業(yè)余時間參與科研項目的開發(fā)和實驗室的建設(shè),增強學(xué)生的實踐動手能力、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。

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

(4) 教學(xué)資源優(yōu)質(zhì)化與可持續(xù)性。注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力,把虛擬仿真技術(shù)融入實驗教學(xué)之中。從科研項目和解決工程實際問題出發(fā),提煉綜合設(shè)計型虛擬仿真實驗項目。虛擬仿真實驗教學(xué)案例庫建設(shè)流程如圖1所示,案例庫項目首先用于實驗教學(xué),學(xué)生將實驗教學(xué)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(xù)優(yōu)化后可進行產(chǎn)學(xué)合作孵化,成功孵化和培育的產(chǎn)學(xué)項目經(jīng)過提煉回饋到實驗教學(xué)案例庫中?；谔摂M仿真實驗教學(xué)平臺,構(gòu)建虛實融合的動態(tài)實驗教學(xué)體系,實現(xiàn)開放共享的虛實融合實驗教學(xué)模式。加強與國內(nèi)外知名電子信息企業(yè)聯(lián)合共建實驗室與實訓(xùn)基地,研制和推廣結(jié)合學(xué)科前沿、專業(yè)與行業(yè)特色鮮明的虛擬仿真教學(xué)設(shè)備,持續(xù)積累與更新實驗教學(xué)案例庫,確保教學(xué)資源的優(yōu)質(zhì)化性和可持續(xù)性[5]。

圖1 電子信息技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺案例庫建設(shè)流程

2 電子信息技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺設(shè)計

基于虛擬仿真實驗教學(xué)平臺,開發(fā)了一系列傳統(tǒng)實驗難以實現(xiàn)而有利于學(xué)生設(shè)計、綜合和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的虛擬仿真實驗項目。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫、數(shù)字化設(shè)計、計算機仿真和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),實現(xiàn)課內(nèi)與課外、校內(nèi)與校外、網(wǎng)上與網(wǎng)下、現(xiàn)實與虛擬的融合,致力于虛擬仿真實驗和傳統(tǒng)實驗相結(jié)合的實驗教學(xué)方法改革與創(chuàng)新。電子信息技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺包括基本實驗教學(xué)、科研成果轉(zhuǎn)化、企業(yè)合作共享三大類,平臺組成架構(gòu)如圖2所示。

2.1 基本實驗教學(xué)資源虛擬仿真教學(xué)平臺

該平臺包含電子設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計和工程應(yīng)用3部分虛擬仿真實驗內(nèi)容,注重學(xué)生基本技能的培養(yǎng)。

電子設(shè)計包括“數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計與仿真實驗”“模擬電路系統(tǒng)設(shè)計與仿真實驗”“集成電路設(shè)計與仿真實驗”和“基于開源模塊的片上系統(tǒng)虛擬實驗”。

系統(tǒng)設(shè)計包括“基于NetFPGA的參考路由器”“程序設(shè)計仿真實驗”“遠程計算機控制技術(shù)仿真”和“系統(tǒng)集成虛擬設(shè)計”。

工程應(yīng)用包括“運動控制應(yīng)用仿真實驗”“機器人虛擬現(xiàn)實仿真實驗”“流程工業(yè)擬實仿真實驗”和“炸藥生產(chǎn)線擬實仿真實驗”。

2.2 科研成果轉(zhuǎn)化資源虛擬仿真教學(xué)平臺

該平臺由“高度仿真環(huán)境下的虛擬現(xiàn)實平臺”和“云計算與應(yīng)用軟件共享實驗平臺”兩部分組成,注重學(xué)生新技術(shù)及應(yīng)用能力的培養(yǎng)。依托我校電子科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程等國家級優(yōu)勢特色學(xué)科,將科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)資源,科研反哺實驗教學(xué),以高素質(zhì)人才培養(yǎng)作為科研工作的出發(fā)點與落腳點,將學(xué)科建設(shè)的成果轉(zhuǎn)化為人才培養(yǎng)優(yōu)勢。

2.3 校企合作共享資源虛擬仿真教學(xué)平臺

該平臺主要由校企共建的“大學(xué)生科技創(chuàng)新虛實結(jié)合實驗平臺”、校企合作開發(fā)的“信息化實驗教學(xué)平臺”和“物聯(lián)網(wǎng)虛擬實驗平臺”3部分組成。平臺注重學(xué)生工程應(yīng)用能力和綜合創(chuàng)新能力的培養(yǎng),從解決實際工程問題出發(fā),采用工程通用仿真軟件進行電路仿真設(shè)計、虛實結(jié)合調(diào)試、產(chǎn)學(xué)研項目開發(fā)等逐級深入的實踐培養(yǎng)環(huán)節(jié)；與行業(yè)應(yīng)用實現(xiàn)無縫對接,滿足電子信息技術(shù)人才培養(yǎng)需要。利用此平臺,讓學(xué)生達到在實驗室所學(xué)所見即工業(yè)現(xiàn)場所用,在建立現(xiàn)代工業(yè)自動化的宏觀概念同時,實現(xiàn)仿真系統(tǒng)、真實過程控制系統(tǒng)的組態(tài)調(diào)試[6-7]。

圖2 電子信息技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺組成架構(gòu)

3 開放式虛擬仿真實驗教學(xué)管理系統(tǒng)

中心根據(jù)教育信息化發(fā)展規(guī)劃,結(jié)合教學(xué)實際,探索和推廣以實驗資源網(wǎng)絡(luò)化、實驗活動遠程化、實驗管理信息化為特征的實驗教學(xué)模式；聯(lián)合相關(guān)專業(yè)公司,開發(fā)了開放式虛擬仿真實驗教學(xué)管理系統(tǒng)[8]。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

以深化實驗室教學(xué)改革為指導(dǎo),以實驗室管理流程和基本事務(wù)管理為核心,以規(guī)范實驗室管理信息化為準則。開放式虛擬仿真實驗教學(xué)管理系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了集虛擬仿真實驗教學(xué)、實驗室管理、門戶網(wǎng)站管理等功能于一體。如圖3所示,學(xué)生只需連接網(wǎng)絡(luò),通過該教學(xué)管理系統(tǒng),即可在寢室、實驗室或教室等區(qū)域共享實驗教學(xué)資源,無限制地進行虛擬仿真實驗操作,遠程提交仿真結(jié)果,達到處處能學(xué)、時時可學(xué)的泛在化學(xué)習[9]。

圖3 遠程虛擬仿真實驗教學(xué)流程圖

3.2 實驗教學(xué)管理

實驗教學(xué)管理包括實驗預(yù)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(xué)管理模塊的功能實現(xiàn),能夠確保實驗教學(xué)的質(zhì)量和秩序[10]。

圖4 實驗教學(xué)管理系統(tǒng)功能架構(gòu)

通過實驗教學(xué)管理系統(tǒng),教師在實驗前將根據(jù)教務(wù)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(tǒng)進行考勤管理、查看學(xué)生實驗進展、現(xiàn)場給學(xué)生實驗打分,實驗后能夠在線查看學(xué)生的實驗報告、批改實驗結(jié)果、導(dǎo)出實驗報告,并能夠統(tǒng)計并發(fā)布實驗成績。

通過該系統(tǒng),學(xué)生在實驗前根據(jù)任課教師的要求,進行實驗前的預(yù)習,并記錄自己的預(yù)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(tǒng)的智能指導(dǎo)和互動交流功能獲得實驗幫助,提升實驗設(shè)計能力。

4 示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)

依托電子信息技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺,進行了電子信息技術(shù)虛擬仿真示范性實驗教學(xué)項目的建設(shè)。教學(xué)項目包括基本電子技術(shù)驗證性仿真實驗、簡單電子系統(tǒng)仿真實驗、復(fù)雜電子系統(tǒng)仿真實驗和虛實結(jié)合實驗等與電子技術(shù)相關(guān)的實驗案例。實驗教學(xué)采用工程仿真軟件進行復(fù)雜電子系統(tǒng)設(shè)計,解決了高成本與不可及的實驗難題,開發(fā)了調(diào)幅通信系統(tǒng)仿真、任意波形信號發(fā)生器設(shè)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(yè)應(yīng)用,滿足了電子技術(shù)人才培養(yǎng)需要。在線虛擬仿真實驗教學(xué)流程如圖5所示。

圖5 在線虛擬仿真實驗教學(xué)流程

5 結(jié)語

中心始終堅持以學(xué)生為主體,以培養(yǎng)學(xué)生綜合能力為目標,堅持實驗教學(xué)與科研相結(jié)合,堅持虛實融合的實驗教學(xué)模式,使學(xué)生在自主創(chuàng)新設(shè)計、工程協(xié)作、及表達寫作等方面得到有效訓(xùn)練。中心堅持多樣化實驗手段輔助實驗教學(xué),通過教學(xué)的啟迪和大量有創(chuàng)意的實驗項目訓(xùn)練,使學(xué)生在基礎(chǔ)理論、實踐能力和創(chuàng)新精神三方面得到同步收獲[11-12]。

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