基于虛擬仿真技術(shù)的電子學(xué)科實(shí)驗(yàn)平臺的創(chuàng)建

楊雯淏 李 茜

(天津大學(xué) 天津 300072)

最近幾年，在我國科技水平的不斷提高下，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，該技術(shù)憑借自身高準(zhǔn)確性、強(qiáng)靈活性等特征，被廣泛應(yīng)用于電子學(xué)科實(shí)驗(yàn)平臺創(chuàng)建中，不僅有效地創(chuàng)建了虛擬化場景，為用戶提供了良好的互動體驗(yàn)服務(wù)，還保證了平臺的穩(wěn)定性、可靠性和安全性。因此，為了實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)模式的改革和創(chuàng)新，進(jìn)一步提高高校電子信息化人才培養(yǎng)質(zhì)量，在虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用背景下，如何科學(xué)創(chuàng)建電子學(xué)科實(shí)驗(yàn)平臺是技術(shù)人員必須思考和解決的問題。

一、平臺創(chuàng)建思路

（一）體系化的分層次虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)

電子信息類專業(yè)課程主要包含以下三個組成部分，分別是基礎(chǔ)課、專業(yè)課、實(shí)踐課。為了進(jìn)一步提高仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率和效果，技術(shù)人員要擴(kuò)大仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)覆蓋面，使其包含以下五個階段：1.電路和器件。通過利用各種仿真系統(tǒng)和相關(guān)工具軟件，完成對半導(dǎo)體物理與器件相關(guān)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的科學(xué)設(shè)計(jì)[1]。2.信號處理。通過利用DSPbuilder工具軟件，完成對信號的規(guī)范化、科學(xué)化采集、處理。3.通信傳輸和控制。通過利用Simulink工具，完成通信傳輸實(shí)驗(yàn)和通信控制實(shí)驗(yàn)。4.單元和系統(tǒng)。通過利用Proteus工具，完成對集成系統(tǒng)相關(guān)核心功能的科學(xué)設(shè)計(jì)，為保證功能單元的實(shí)現(xiàn)效果提供重要的依據(jù)和參考。總之，通過落實(shí)以上五個階段的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)[2]，可以幫助學(xué)生將零散的電子信息知識進(jìn)行有效地匯總和整理，從而完成對系統(tǒng)化、全面化電子信息理論體系的制定和完善。

（二）科學(xué)研究與實(shí)踐教學(xué)良性互動

在這一環(huán)節(jié)中，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研進(jìn)行充分結(jié)合，不僅可達(dá)到以教促研的目的，還能起到以研促學(xué)的作用，確保教研相輔相成，共同發(fā)展。另外，還要在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入部分科研成果和高效的科研方案，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)部分科研案例，為學(xué)生打造生動、有趣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂，從而幫助學(xué)生豐富知識面，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)化、完整化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的制定和完善，為后期更好地培養(yǎng)電子信息化人才提供重要的依據(jù)和參考。最后，還要引導(dǎo)學(xué)生充分利用課余時(shí)間積極主動地參與到科研項(xiàng)目開發(fā)中，為進(jìn)一步提高學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力發(fā)揮出重要作用。

（三）教學(xué)資源優(yōu)質(zhì)性與可持續(xù)性

為了更好地提高大學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識，技術(shù)人員需要將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與虛擬仿真技術(shù)充分結(jié)合，確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的優(yōu)質(zhì)性和可持續(xù)性。在這一過程中，首先，要在充分結(jié)合科研項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，根據(jù)工程當(dāng)前面臨的問題[3]，從各種虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提煉出更多有價(jià)值的設(shè)計(jì)靈感，同時(shí)，嚴(yán)格按照如圖1所示的實(shí)驗(yàn)平臺案例庫建設(shè)流程，將這些案例庫項(xiàng)目科學(xué)、高效地應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，此外，在拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目相關(guān)功能后，還要將科技項(xiàng)目申報(bào)工作落實(shí)到位，在此基礎(chǔ)上，采用產(chǎn)學(xué)合作的方式，不斷修正、優(yōu)化和完善科技項(xiàng)目，以保證該項(xiàng)目的可持續(xù)化優(yōu)化效果[4]。最后，還要不斷修改、優(yōu)化和完善動態(tài)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，同時(shí)，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例庫進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的高效共享，提高優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的利用率。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺案例庫建設(shè)流程

二、平臺設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较拢_展的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，難以有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合應(yīng)用能力，為了解決這一問題，現(xiàn)以“虛擬仿真技術(shù)”應(yīng)用為例，在綜合應(yīng)用多媒體、數(shù)據(jù)庫、計(jì)算機(jī)仿真等相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)線上與線下、課內(nèi)與課外、現(xiàn)實(shí)與虛擬的充分融合，確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的全面改革和創(chuàng)新[5]。在虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用背景下，電子學(xué)科實(shí)驗(yàn)平臺主要包含以下三大類型，分別是基本實(shí)驗(yàn)教學(xué)、企業(yè)合作共享、科研成果轉(zhuǎn)化。平臺組成架構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖，如圖2所示。

圖2 平臺組成架構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

（一）基本實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源虛擬仿真教學(xué)平臺設(shè)計(jì)

該平臺所涉及的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要體現(xiàn)在以下幾個方面，旨在提高學(xué)生的信息化素養(yǎng)。1.電子設(shè)計(jì)。在電子設(shè)計(jì)這一環(huán)節(jié)中，技術(shù)人員除了要完成對數(shù)字電路系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)和開發(fā)，還要重視對相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn)的開展[6]，此外，還要做好對模擬電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn)的開展，為保證電子設(shè)計(jì)整體水平，提供用戶的使用體驗(yàn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)這一環(huán)節(jié)中，技術(shù)人員要重視對參考路由器以及系統(tǒng)集成虛擬的設(shè)計(jì)，同時(shí)，還要開展程序設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)[7]，保證仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確性和真實(shí)性。3.工程應(yīng)用。在工程應(yīng)用這一環(huán)節(jié)中，技術(shù)人員要根據(jù)運(yùn)動控制應(yīng)用需求，在保證仿真實(shí)驗(yàn)操作步驟規(guī)范的基礎(chǔ)上，對工業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作流程進(jìn)行不斷修改、優(yōu)化和完善，為保證最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確性和真實(shí)性產(chǎn)生積極的影響。

（二）科研成果轉(zhuǎn)化資源虛擬仿真教學(xué)平臺設(shè)計(jì)

為了確保仿真環(huán)境的安全性和可靠性，技術(shù)人員還要重視對科研成果轉(zhuǎn)化資源虛擬仿真教學(xué)平臺設(shè)計(jì)。該平臺主要由以下兩個部分組成，分別是虛擬現(xiàn)實(shí)平臺、軟件共享實(shí)驗(yàn)平臺。通過完成這兩種子平臺的設(shè)計(jì)和開發(fā)，可以更好地提高學(xué)生的應(yīng)用新技術(shù)能力，為進(jìn)一步提高學(xué)生的信息化素養(yǎng)發(fā)揮出重要作用。此外，還要根據(jù)國家級優(yōu)勢特色學(xué)科開設(shè)需求，將電子科學(xué)、電子信息工程作為重點(diǎn)特色學(xué)科，對學(xué)生開展素質(zhì)教育，保證高校人才培養(yǎng)質(zhì)量創(chuàng)造良好的條件，這樣能保證特色學(xué)科構(gòu)建成果，為充分發(fā)揮和利用人才培養(yǎng)優(yōu)勢起到積極的促進(jìn)作用。

（三）校企合作共享資源虛擬仿真教學(xué)平臺設(shè)計(jì)

該平臺主要由以下三個部分組成，分別是虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺、物聯(lián)網(wǎng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺和信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。該平臺在具體設(shè)計(jì)中，需要以培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力為主要教學(xué)目標(biāo)，在全面提升學(xué)生創(chuàng)新意識的基礎(chǔ)上，幫助學(xué)生更好地解決工程實(shí)際問題。同時(shí)，要借助工程通用仿真軟件，逐級開展以下實(shí)踐培養(yǎng)環(huán)節(jié)，如電路仿真設(shè)計(jì)、產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目開發(fā)、虛實(shí)融合調(diào)試等環(huán)節(jié)[8]，同時(shí)，要與相關(guān)行業(yè)應(yīng)用之間建立良好的對接關(guān)系，為后期更好地培養(yǎng)信息化技術(shù)人才提供有力的保障。最后，還要借助該平臺，引導(dǎo)學(xué)生通過動手實(shí)驗(yàn)，全面了解掌握工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用情況，使得學(xué)生樹立工業(yè)自動化管控思想，為實(shí)現(xiàn)各種控制系統(tǒng)的科學(xué)調(diào)試創(chuàng)造良好的條件。

三、示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)

在虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用背景下，為了更好地驗(yàn)證電子學(xué)科實(shí)驗(yàn)平臺的可靠性和有效性，技術(shù)人員要在借助虛擬仿真平臺的基礎(chǔ)上，開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作。在這一過程中，首先，要將教學(xué)項(xiàng)目劃分為以下幾個組成部分，分別是驗(yàn)證性仿真實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)以及電子技術(shù)相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)等。然后，利用工程仿真軟件，根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)需求，完成對復(fù)雜化、多樣化電子系統(tǒng)一系列核心功能的設(shè)計(jì)和開發(fā)，這樣才能從根本上降低項(xiàng)目建設(shè)成本，確保通信系統(tǒng)仿真結(jié)果的精確性和真實(shí)性，為實(shí)現(xiàn)多個系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)的自動化共享和互通打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。另外，還要采用對接行業(yè)的方式，不斷規(guī)范和約束虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作，為后期培養(yǎng)出符合社會需求的高能力、高素質(zhì)、高質(zhì)量的電子技術(shù)人才創(chuàng)造良好的條件。在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程如圖3所示。

圖3 在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程

四、結(jié)束語

綜上所述，在虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用背景下，電子學(xué)科實(shí)驗(yàn)平臺在創(chuàng)建和應(yīng)用方面取得了極大的突破和創(chuàng)新，該平臺不僅功能強(qiáng)大，通用性強(qiáng)，具有良好的用戶體驗(yàn)，還在高校教育領(lǐng)域中取得了顯著的應(yīng)用效果，因此，深受廣大師生的青睞和喜愛。為了方便后期平臺的維護(hù)和升級，需要相關(guān)軟件開發(fā)人員再接再厲，用更加優(yōu)雅的代碼擴(kuò)充更多適用的功能，促進(jìn)電子學(xué)科實(shí)驗(yàn)平臺健康、可持續(xù)發(fā)展，為提高其應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景提供有力的保障。