基于虛擬仿真與項目實訓的 “系統綜合設計實驗”新工科課程改革

【摘" " 要】針對傳統“系統綜合設計實驗”課程存在的教學內容較單一、實驗的設計性和創新性低、學生和教師互動較少和學生主觀能動性不能得到積極調動等問題，文章以培養創新型卓越新工科嵌入式系統開發人才為目標，構建了基于PROTEUS虛擬仿真的嵌入式系統綜合設計實驗教學平臺，以提升實驗效率；設計了一系列創新性綜合實訓項目，以貼近工程實戰；提出了“三七穿插式”教學模式，以增強師生互動，并探索建立了符合新工科特點的多維實驗考核評價新體系，使“系統綜合設計實驗”成為一門具有創新性、綜合性、實踐性的新工科實訓課程。

【關鍵詞】“系統綜合設計實驗”課程；虛擬仿真；項目實訓；新工科

【引用格式】邱崧，貝" ，張聰慧.基于虛擬仿真與項目實訓的“系統綜合設計實驗”新工科課程改革[J].黑龍江教育（理論與實踐），2025，79（2）：6-8.

【中圖分類號】G640；TP23" " " " " " " "【文獻標識碼】A" " " " " " " 【文章編號】1002-4107（2025）02-0006-03

一、引言

“系統綜合設計實驗”是電子信息類專業本科必修課程群中一門重要的實踐課程，要求學生能將嵌入式處理器、嵌入式操作系統及外圍模擬器件相結合完成電路系統軟硬件設計及PCB制作和系統調試，其理論性、實踐性、綜合性和應用性都很強。然而，傳統教學中存在以下幾方面問題。一是雖實行了先基礎驗證后綜合探究的教學方案，但教學內容相對單一，基礎驗證性實驗比重大，設計性和綜合應用性實驗少，與實際產業需求脫節嚴重；二是系統綜合設計實驗箱因體積限制，硬件資源有限，且課程的時間、場地、設備固定，弱化了“優化課內、強化課外”的教學意識；三是實驗過程中學生和教師互動不多，缺乏學生對實驗效果的反饋，學生的主體作用得不到很好發揮，教學效果較差；四是綜合探究環節的時間安排靠后，學生設計和創新的機會較少，不能有效調動學生學習的主觀能動性，不利于學生創新精神的培養。為解決上述問題，使“系統綜合設計實驗”課程實現培養多元化、創新型卓越工程人才的新工科人才培養目標[1-2]，教改團隊革新傳統實驗教學方法，構建了基于PROTEUS虛擬仿真的嵌入式系統綜合設計實驗教學平臺，并引入企業化項目驅動式工程實訓，將課程打造成為一門具有創新性、綜合性、實踐性的新工科實驗課程。

二、“系統綜合設計實驗”課程改革內容

（一）構建虛擬仿真實驗平臺，打破傳統實驗時間、場地、設備的限制

以混合仿真軟件PROTEUS為基礎，構建一個和硬件實驗箱相輔相成的虛擬化嵌入式系統綜合設計實驗教學平臺，使學生可以打破時間、空間及實驗箱的限制，先在虛擬仿真平臺上進行代碼調試后，再到實驗室進行硬件下載驗證，極大地節省了課內基礎性實驗所需的時間，為后期綜合實訓拓展了課時，提升了綜合實驗效果[3]。

（二）設置開放性項目式實訓環節，培養創新型卓越工程科技人才

借助虛擬仿真平臺，在課程設置中加入開放性項目式實訓環節，設計一系列以當今信息科技領域主流技術為核心的創新性綜合實訓項目，并給學生充分的自由度以自主設計或創新實驗系統，使“系統綜合設計實驗”成為一門既有課內軟硬件基礎實驗，又有課內外實踐的綜合性創新項目驅動式實訓課程。

（三）指導學生進行二次創新，提升學生就業競爭力

在實訓過程中教師指導學生根據實訓項目進行二次創新，形成了多項相關專利申請，并具有一定的學術價值。課程培養的創新型卓越工程科技人才成為科技型企業競相爭奪的人力資源，大大提升了學生的就業競爭力。

（四）探索“三七穿插式” 行進式互動開放實驗教學新模式

根據工科學生實際情況并結合建設的虛擬仿真綜合設計實驗教學平臺和實驗室網絡門禁系統，教改團隊提出“三七穿插式” 行進式互動開放實驗教學模式，增強學生與教師的互動，使學生形成“學習—實踐—反哺理論知識點的再學習—再實踐”的良性循環。

三、“系統綜合設計實驗”課程改革的實施方法

（一）構建基于PROTEUS虛擬仿真的綜合設計實驗教學平臺，提升實驗效率及效果

由于課程涉及嵌入式微處理器相關的軟硬件系統開發，而PROTEUS軟件除了可以進行硬件電路仿真外，還可以仿真嵌入式系統軟硬件運行環境，因此，教改團隊設計了一套基于PROTEUS軟件的虛擬仿真平臺與現有實驗箱搭配使用，如圖1所示。課前，學生預習實驗內容并在虛擬仿真平臺上進行實驗連線、程序編寫和虛擬仿真調試，調用虛擬儀器即可在界面中看到對應的顯示結果。

實訓過程為類企業項目管理式的實戰訓練，完全參考企業的項目驅動運行過程，定期進行項目總結匯報，讓實驗教育貼近工程實戰。實訓包含工程項目的全流程：需求評估→硬件原理圖設計→硬件搭建→軟件設計、實現、完成仿真驗證后，學生再進入實驗室將代碼載入硬件實驗箱觀察實際效果以驗證結果。這極大地節省了課內基礎性實驗所需的時間，為后期綜合實訓拓展了課時。

（二）設置“類企業式”項目驅動式工程實訓環節，鼓勵學生二次創新申請專利

課程設置10個教學周為開放性實訓環節，實訓項目既可以參考教師設計的多種與時俱進的綜合實訓項目（圖2），也可由學生根據興趣自主創新實訓案例，鼓勵學生將創新性課外實踐項目帶入實訓過程。電子技術的發展日新月異，無線、高速、集成、智能成為發展主流。教改團隊通過引入大量新器件、新模塊來加強綜合實訓項目的先進性與趣味性（圖3）。例如，引入現代通信技術，包括使用藍牙、ZigBee、WIFI、XBEE、LORA、UWB、NFC、物聯網等通信模塊；引入現代傳感技術，包括使用TOF、陀螺儀、壓力傳感、加速度計、血氧脈搏檢測、北斗定位等智能感知模塊。通過把新技術、新理論充實到實驗中，學生能夠及時了解電子技術的發展，適應技術進步的潮流。

調試→產品報告、用戶手冊提交，做到項目牽引、側重能力、學科交叉、主動學習。注重教師與學生的互動和探討，參考企業項目組節點匯報管理模式，增加實驗匯報環節和教師總結補遺環節：實驗目的→硬件設計→軟件設計→檢驗（驗收）→學生匯報→教師總結補充。對于創新性實訓環節中的新知識，教師給出相關參考書，由項目小組成員分工自學互補，從而培養學生的溝通能力、表述能力、自主學習能力及團隊精神，實現師生互動、生生互動，促進教學相長。

在實訓過程中，教師鼓勵學生在實訓項目基礎上進行二次創新，進一步指導學生申請發明專利。例如，一種基于STM32的游戲實現系統及實現方法、基于STM32的迭代法等精度測頻方法，一種LCR串并聯網絡識別的裝置等。同時，鼓勵學生以此為基礎申報大學生創新創業項目或參加相關電子信息類競賽，進一步提升學生的實驗參與度與科研積極性，取得的相關成果也可使學生獲得較高的自我認同感和價值感。

（三）改革教學理念，因地制宜創新適合電子信息類專業學生的教學模式

針對傳統基礎驗證性實驗的諸多痛點，將封閉式實驗要求改為半開放式要求，即在實驗時提出需要解決的問題，只給驗收目標，不給實驗步驟過程，讓學生根據問題自主選擇實驗目標。例如，“信號燈輸出”基礎實驗只告訴學生需要輸出信號點亮LED燈，至于怎么點亮、形成什么效果則由學生自行決定。驗收實驗時，有的學生只能點亮信號燈，有的學生能做出霓虹燈，還有的學生能做出呼吸式LED廣告屏，而實驗評分也據此確定。如此，單個基礎性實驗也能包含多個實驗層次，形成“基礎—應用—創新”的問題型、設計型、研究型實驗教學新體系，發揮了學生在實驗教學中的主體作用，讓其思考并研究如何運用所學知識解決問題，學習觀念得到了轉變，從被動學習轉為主動嘗試、自主分析設計，提高了學生自主性學習和探究性學習能力[4]。

考慮到電子信息類專業課程量大，如何在學時有限的情況下保證實訓和實踐的效果，教改團隊創新性地提出了“三七穿插式”行進式互動開放實驗教學模式。這一教學模式的核心理念是利用所建設的虛擬仿真實驗平臺，將十分之三的課時用于課內實驗，十分之七的課時用于課外項目實訓，并利用互聯網門禁系統進行開放式管理，學生可刷卡出入實驗室以保證開放項目實訓時間[5]。同時，開展行進式互動教學，即學生在課外項目實訓中遇到問題時會思考理論學習的薄弱之處，并在“大夏課堂”的留言界面與指導教師進行線上問答，遇到線上無法解答的問題時再回到課堂上由教師予以指導操作，進一步加強師生互動，形成“學習—實踐—反哺理論知識點的再學習—再實踐”的良性循環。如此，學生的實訓效果提升明顯，能夠完成較為復雜的嵌入式系統（圖4、圖5）。

（四）探索多維實驗考核新方式，建立符合新工科培養要求的評價體系

針對新工科“多元化、創新型卓越工程科技人才”的培養要求，“系統綜合設計實驗”課程主要考查學生運用所學知識解決實際工程問題的能力和水平，以及管理能力、團隊合作能力等。因此，教改團隊將過程性評價和形成性評價有機結合[6]，采取多維度考核方式，包括合作互助、課堂表現、實驗驗收、實驗報告、隨堂測試、期末考核、自主創新、課外實踐。課堂表現包括學生對實驗的重視程度、學習效果及實驗預習的情況，并加大平時考核成績比例，考查學生的合作互助能力、項目實訓過程中組員間的互評情況；實驗成果逐個學生進行驗收，根據編程思路的優劣進行打分；期末實驗操作考核由學生隨機抽取題目，獨立完成考核任務，當場檢查完成情況；自主創新、課外實踐亦作為綜合創新實訓的一個評價指標，將積極進行創新實踐并成功申請專利的過程也納入評分體系。

四、結束語

文章探討了新工科背景下對“系統綜合設計實驗”進行的課程改革，包括構建虛擬仿真嵌入式系統綜合設計實驗教學平臺、引入開放性項目實訓等。課程改革在華東師范大學通信工程系的教學實踐中已取得了積極成果，學生能夠更深刻地理解電子通信技術的前沿理論，并將自主創新項目融入實訓中，有效利用了實驗室資源。然而，虛擬仿真與實際硬件之間存在差異，特別是在硬件個體特性方面（如時延、驅動能力、頻響特性），需要進一步設置差異化參數。此外，課程改革需要持續更新實訓內容，以提高實用性和時效性，確保課程與新工科教育的創新和實踐要求相匹配；同時，需要繼續優化多維考核評價體系，納入更多評價指標，以培養更適應科研、工程和社會應用需求的新工科人才。

【參" "考" "文" "獻】

[1]" 鐘登華.“新工科”建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[2]" 李連志，周憲偉，王維銘.新工科視域下城市地下空間工程專業建設實踐[J].黑龍江教育（理論與實踐），2024，78（6）：66-68.

[3]" 李曉輝，程鴻，張艷.新工科背景下“數字電路與邏輯設計”課程改革[J].黑龍江教育（理論與實踐），2023，77（12）：52-53.

[4]" 王合英，孫文博，陳宜保，等.自主探究實驗對學生綜合素質和創新能力的培養[J].實驗技術與管理，2018，35（12）：24-28.

[5]" 陳鳴.基于“互聯網+”的開放式實驗室管理模式探討[J].互聯網周刊，2024（11）：51-53.

[6]" 李志義，黎青青.過程性評價與形成性評價辨析：工程教育專業認證視角[J].高等工程教育研究，2022（5）：6-11.

■ 編輯∕王力