基于電子信息技術(shù)的高校虛擬仿真實驗教學(xué)平臺構(gòu)建研究

孫小亮

（河南牧業(yè)經(jīng)濟學(xué)院，河南 鄭州 450046）

在互聯(lián)網(wǎng)時代全面綜合素質(zhì)人才培養(yǎng)的要求下，教師需要搭建起虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，開展電子信息技術(shù)理論、實驗案例、科研成果的網(wǎng)絡(luò)化教育，推動高校實驗教學(xué)、校企合作共享、科研成果轉(zhuǎn)化等活動的順利開展。

1 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)的重要意義

1.1 迎合新時代網(wǎng)絡(luò)在線教育的數(shù)字化需求

虛擬仿真實驗教學(xué)平臺作為網(wǎng)絡(luò)探索性的課程平臺，主要通過一系列網(wǎng)絡(luò)交互展示、仿真演示、智能運算等技術(shù)的應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生參與到專業(yè)課程的內(nèi)容學(xué)習(xí)、互動實踐之中。因而在互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)飛速發(fā)展，以及國家教育部門對網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的支持下，勢必要利用最先進的仿真實驗教學(xué)技術(shù)，開展新時代虛擬仿真實驗課程教學(xué)，既符合網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化“智能+教育”的發(fā)展趨勢，也可以帶動高校專業(yè)教學(xué)體系、虛擬仿真實驗設(shè)備的不斷完善，對高等教育數(shù)字化發(fā)展具有重要的全局性意義。

1.2 創(chuàng)新專業(yè)課程的單一教育內(nèi)容、教學(xué)方式

在社會市場有關(guān)全方位綜合素質(zhì)人才需求的指導(dǎo)下，不同專業(yè)課程內(nèi)容、教學(xué)方式的改革創(chuàng)新，需引入虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，進行理論知識內(nèi)容、實踐演示案例等的數(shù)字化教育，不斷創(chuàng)新實驗教學(xué)方式、師生交互方法。如電子信息技術(shù)的專業(yè)課程虛擬仿真實驗教學(xué)，通過采取課堂講授、虛擬仿真實驗相結(jié)合的教學(xué)方式，可以有效創(chuàng)新電子信息技術(shù)教育內(nèi)容、教學(xué)方式，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)參與積極性、自主實踐探究能力，加強理論與實踐的融合教學(xué)，提高學(xué)生在不同課外項目實踐中的專業(yè)技能、問題解決能力。

1.3 促進專業(yè)課程教育的產(chǎn)學(xué)研一體化發(fā)展

面對電子信息技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)等操作執(zhí)行日益復(fù)雜的環(huán)境，高校對于理工專業(yè)課程的教育教學(xué)，也要引入更多新的理論知識、實踐應(yīng)用案例，對現(xiàn)有的自動化控制與操作內(nèi)容作出改革創(chuàng)新。而與此同時，高校教師還有著更多的產(chǎn)業(yè)實訓(xùn)、科學(xué)研究等任務(wù)工作，需要與專業(yè)課程教學(xué)協(xié)同進行。這一情況下，將虛擬仿真實驗教學(xué)平臺、實踐項目內(nèi)容，應(yīng)用到電子信息技術(shù)等專業(yè)的課程教育之中，不僅可以構(gòu)建起科學(xué)的教育知識體系，也能夠?qū)ΜF(xiàn)有教學(xué)資源、智能教學(xué)實踐的整合，以及帶動教學(xué)、生產(chǎn)、科研活動的一體化發(fā)展，實現(xiàn)電子信息工程實踐教育的創(chuàng)新。

2 虛擬仿真實驗中心包含的主要實驗室與組成配置

2.1 現(xiàn)代通信實驗室

現(xiàn)代通信原理實驗室，包括光纖通信網(wǎng)絡(luò)、程控交換機、寬帶接入端口等組成部分，通過圍繞e-Bridge系統(tǒng)，形成交流實驗平臺、光傳輸實驗平臺、寬帶接入實驗平臺、客戶終端等結(jié)構(gòu)之間的拓撲連接，利用e-Bridge軟件進行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的通信傳輸。在借助于現(xiàn)代通信實驗室開展虛擬仿真教學(xué)過程中，主要根據(jù)不同學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況、個人喜好，引導(dǎo)其在現(xiàn)有電子信息理論的基礎(chǔ)上，引入OSN3500、Metro1000和虛擬e-bridge配套軟件，開展商用機上級實踐、操作使用，加強脈沖編碼、脈沖幅度調(diào)制與解調(diào)、普通雙邊帶調(diào)幅與解調(diào)、差分移相鍵控調(diào)制與解調(diào)、二進制振幅鍵控、移頻鍵控、抽樣定理驗證等的實訓(xùn)學(xué)習(xí)，使學(xué)生真正理論聯(lián)系實際，參與到網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)傳輸處理中，并完成數(shù)據(jù)通信測量誤差的分析。

2.2 電子技術(shù)仿真實驗室

電子技術(shù)仿真實驗室配備有專業(yè)的教學(xué)設(shè)備、仿真軟件，包含網(wǎng)絡(luò)計算機、數(shù)字存儲示波器、合成函數(shù)信號發(fā)生器、穩(wěn)壓電源、模擬組合模塊實驗臺、數(shù)字實驗箱、數(shù)字萬用表、交流毫伏表等組成構(gòu)件，使其成為開放式的電子實驗教學(xué)平臺。所以電子技術(shù)仿真實驗室的基本配置，可以用于單片機原理及應(yīng)用、計算機輔助設(shè)計、MATLAB仿真技術(shù)、計算機繪圖等課程中，開展計算機軟件仿真、多媒體仿真的教學(xué)。

2.3 EDA技術(shù)實驗室

EDA技術(shù)實驗室主要用于FPGA項目、PCB項目的設(shè)計與制作，通常配備Smart EDA實訓(xùn)箱、單片機實驗教學(xué)系統(tǒng)、EDA實驗教學(xué)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)計算機，以及與EDA技術(shù)相關(guān)的應(yīng)用軟件。在電子信息技術(shù)專業(yè)學(xué)生的課程教學(xué)、畢業(yè)設(shè)計、實習(xí)實訓(xùn)等過程中，利用SmartSOPC+ 多功能教學(xué)實驗開發(fā)平臺，進行PCB電路板設(shè)計與制作、FPGA語言編程教育，培訓(xùn)學(xué)生對FPGA理論知識、Verilog HDL編程語言的了解，解決邏輯編程中遇到的實際問題。

2.4 通信原理實驗室

通信原理實驗室是面向電子信息技術(shù)，以及通信技術(shù)的實驗平臺，可以為現(xiàn)代通信技術(shù)、通信原理、電子測量等專業(yè)課程的教學(xué)提供實驗場所。當下通信原理實驗室包括網(wǎng)絡(luò)計算機、數(shù)字示波器、通信原理實驗箱、頻譜儀等裝置，針對現(xiàn)代通信技術(shù)教學(xué)的課內(nèi)實驗，進行數(shù)字頻帶和基帶傳輸、同步技術(shù)、復(fù)用技術(shù)、交換技術(shù)等的教育，完成通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總體設(shè)計，對一系列抽象的理論知識點，作出觀察、實踐與驗證，提高學(xué)生的實驗動手能力和業(yè)務(wù)素質(zhì)。

3 基于電子信息技術(shù)下虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的組成架構(gòu)

當前高校虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)，主要以電子信息技術(shù)專業(yè)課程為中心，圍繞課內(nèi)與課外、線上與線下、現(xiàn)實與虛擬等教學(xué)空間，構(gòu)建起包括基本實驗教學(xué)、科研成果轉(zhuǎn)化、企業(yè)合作共享等平臺網(wǎng)絡(luò)模塊，進行課程基礎(chǔ)理論知識、虛擬仿真實驗的組織教學(xué)，具體組成架構(gòu)如圖1所示。

圖1

3.1 基礎(chǔ)教學(xué)資源、實驗案例的虛擬仿真平臺

該開放式虛擬仿真平臺采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)，利用實驗室管理系統(tǒng)、門戶網(wǎng)站等軟件，針對不同電子信息技術(shù)專業(yè)課程，選擇基礎(chǔ)電子教學(xué)資源、實驗案例，進行仿真實驗系統(tǒng)的組織設(shè)計，包含系統(tǒng)設(shè)計、電子設(shè)計、工程應(yīng)用等的虛擬仿真實驗內(nèi)容。

首先系統(tǒng)設(shè)計是針對網(wǎng)絡(luò)計算機遠程控制、NetFPUA路由器設(shè)置、虛擬對象系統(tǒng)集成設(shè)計等，進行相關(guān)應(yīng)用程序仿真實驗與執(zhí)行。之后電子設(shè)計虛擬仿真系統(tǒng)，主要圍繞數(shù)字電路、模擬電路和集成電路，開展片上系統(tǒng)虛擬仿真實驗。而工程應(yīng)用則包括機器人虛擬現(xiàn)實仿真、運動控制仿真、工業(yè)流程擬實仿真等方面內(nèi)容，結(jié)合現(xiàn)有實驗教學(xué)的實際，進行網(wǎng)絡(luò)化實驗資源整合、遠程實驗活動設(shè)計，學(xué)生只需在任何空間登錄門戶網(wǎng)站、教學(xué)管理系統(tǒng)，就可以完成實驗流程參與、虛擬仿真操作和結(jié)果提交。

3.2 科研成果轉(zhuǎn)化的虛擬仿真教學(xué)平臺

在電子信息技術(shù)科學(xué)研究的虛擬仿真教學(xué)平臺中，通常依托電子科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程等學(xué)科內(nèi)容，展開現(xiàn)有實驗教學(xué)資源、科研成果的教育教學(xué)。該平臺主要由虛擬現(xiàn)實仿真實驗平臺、應(yīng)用軟件與云計算共享實驗平臺等部分組成，通過面向電子工程人才培養(yǎng)，對網(wǎng)絡(luò)計算機、后臺數(shù)據(jù)庫、云存儲、電子設(shè)計自動化系統(tǒng)(EDA)等軟硬件作出整合，培養(yǎng)學(xué)生對電子信息工程理論知識掌握、技術(shù)應(yīng)用能力，來實現(xiàn)實驗教學(xué)資源、科研成果向內(nèi)在能力的轉(zhuǎn)化。

3.3 校企合作共享的虛擬仿真教學(xué)平臺

校企合作環(huán)境下電子信息技術(shù)的虛擬仿真教學(xué)平臺，包括物聯(lián)網(wǎng)虛擬實驗平臺、大學(xué)生科技創(chuàng)新實驗平臺，主要面向?qū)W生電子工程應(yīng)用、創(chuàng)新能力，進行工程通用電路仿真、調(diào)試工作，從解決實際工程問題出發(fā)，進行整個虛擬仿真系統(tǒng)執(zhí)行流程的控制、組態(tài)調(diào)試。通常教師會引導(dǎo)學(xué)生深入到企業(yè)實驗室，與不同行業(yè)應(yīng)用實際進行緊密結(jié)合，完成產(chǎn)學(xué)研項目開發(fā)、虛擬仿真電路設(shè)計和調(diào)試等工作，拓展學(xué)生在實驗資源使用、探究學(xué)習(xí)中的合作意識。

4 電子信息技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的管理功能實現(xiàn)

4.1 以學(xué)生為中心的實驗教學(xué)管理

在電子信息技術(shù)虛擬仿真實驗系統(tǒng)開發(fā)中，通常秉持著以學(xué)生為主體的需求導(dǎo)向方案，進行虛擬仿真實踐教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)管理的組織規(guī)劃。現(xiàn)階段高校虛擬仿真實驗教學(xué)管理，注重理論知識講解、課堂實踐操作等環(huán)節(jié)的管理，涵蓋了實驗預(yù)習(xí)、實驗考勤、實驗準備、實驗流程、實驗報告、實驗成績等多方面內(nèi)容的考核與管理，以此調(diào)動學(xué)生參與電子信息技術(shù)實驗學(xué)習(xí)的積極性、自主探究性，具體管理系統(tǒng)如圖2所示。

圖2

教師利用實驗教學(xué)管理系統(tǒng)，在電子信息技術(shù)試驗的開課計劃執(zhí)行前，進行實驗室在線預(yù)約、實驗課程安排、實驗資源上傳。之后電子信息技術(shù)虛擬仿真實驗進行過程中，利用教學(xué)管理系統(tǒng)加強學(xué)生考勤、實驗進展情況等的控制，并在現(xiàn)場對學(xué)生的實驗結(jié)果做出打分。最后，在電子信息技術(shù)虛擬仿真實驗結(jié)束后，對實驗報告在線提交、批量導(dǎo)出，并統(tǒng)計與發(fā)布學(xué)生的實驗成績。

4.2 準確適宜的實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)置

虛擬仿真教學(xué)平臺的課程實踐內(nèi)容設(shè)置，主要以問題為導(dǎo)向，結(jié)合專業(yè)課程教材大綱、實踐案例，搭建用于課程實驗設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、頂崗實習(xí)等的知識體系，教師與學(xué)生共同參與到虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容的定制、實踐之中。如針對電子信息技術(shù)的社會實訓(xùn)教學(xué)計劃，利用網(wǎng)絡(luò)計算機、數(shù)字存儲示波器、合成函數(shù)信號發(fā)生器、穩(wěn)壓電源、模擬組合模塊實驗臺、數(shù)字實驗箱等設(shè)備和儀器，結(jié)合e-Bridge虛擬實驗軟件，分層次、分步驟展開單片機原理及應(yīng)用、程控交換、光纖通信等的虛擬仿真實驗教學(xué)。同時借助于EDA技術(shù)實驗室、DSP應(yīng)用軟件工具及其他實驗資源，開展綜合性的電子信息技術(shù)實驗，包括專業(yè)課題研究、科研實驗等，增強學(xué)生的動手實踐操作能力、創(chuàng)新能力。

4.3 多樣化虛擬仿真教學(xué)方式創(chuàng)新

高校電子信息工程專業(yè)課程的開設(shè)與實施，包括器件與電路、信號與處理、傳輸與控制、單元與系統(tǒng)等理論實踐內(nèi)容的教學(xué)。而這一專業(yè)課程的虛擬仿真教學(xué)執(zhí)行中，要結(jié)合LahVIEW、DSP、Matlah、Opnet、Simulink、Quartus、Proteus等軟件工具，對原有“教師講解、學(xué)生接受”的單一化教學(xué)方式作出改革創(chuàng)新。其中LahVIEW、DSP、Matlah用于網(wǎng)絡(luò)信號數(shù)據(jù)的采集、分析和仿真實驗教學(xué)；Opnet、Simulink用于網(wǎng)絡(luò)通信傳輸與控制的仿真實驗教學(xué)；Quartus、Proteus用于嵌入式系統(tǒng)功能單元、集成系統(tǒng)設(shè)計的仿真實驗教學(xué)。

5 結(jié)語

相比于傳統(tǒng)以“老師講、學(xué)生聽”為主的理論知識灌輸教學(xué)而言，虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，可以通過在線教學(xué)服務(wù)、技術(shù)支持等業(yè)務(wù)的提供，對不同電子信息課題、專業(yè)理論內(nèi)容、實踐案例等進行仿真操作，驗證提出的電子信息問題、實驗步驟是否準確。通過多種實驗教學(xué)平臺、仿真技術(shù)軟件的應(yīng)用，有助于將碎片化電子信息理論、實驗內(nèi)容進行整合歸納，引導(dǎo)學(xué)生展開學(xué)習(xí)探究，幫助其構(gòu)建起完整的知識體系，提高學(xué)生的課堂參與實踐、創(chuàng)新能力。