基于虛擬仿真平臺的信息電子技術(shù)實驗教學(xué)研究

劉小花，唐貴進，吉新村

(1.南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院，微電子學(xué)院，江蘇 南京 210023； 2.南京郵電大學(xué) 通達學(xué)院，江蘇 揚州 225127)

0 引言

在信息電子技術(shù)學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生不僅要掌握相關(guān)理論知識，而且要將理論應(yīng)用于實踐。實踐技能主要是在實驗中獲得的，但是傳統(tǒng)實驗室具有如下局限性：①電子實驗設(shè)備昂貴，學(xué)生在實驗過程中容易損壞芯片；②信息電子技術(shù)發(fā)展迅速，而實驗設(shè)備更新相對緩慢，不能及時支持實驗項目的擴展；③實驗室開放時間與空間受到限制；④實驗課程脫離理論課程內(nèi)容。近年來，隨著Web與計算機技術(shù)的快速發(fā)展，為各種遠程實驗室[1-3]與虛擬實驗室[4-8]的建立提供了新的技術(shù)手段。

建模與仿真是獲取工程經(jīng)驗的有效途徑[9]，其能夠幫助學(xué)習(xí)者理解所研究的系統(tǒng)性質(zhì)及性能。因此，虛擬仿真實驗教學(xué)成為了教育信息化進程中人才培養(yǎng)的重要手段[10]，涵蓋工學(xué)、理學(xué)、醫(yī)學(xué)、管理學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域[11-14]。強化實驗教學(xué)，大力推進實驗教學(xué)改革，創(chuàng)新實驗教學(xué)方法，將實踐教學(xué)與信息技術(shù)進行深度融合是信息電子實驗教學(xué)的發(fā)展趨勢[15-16]。當今隨著技術(shù)復(fù)雜性的提升，產(chǎn)品也朝著多樣化方向發(fā)展，如果仍采用傳統(tǒng)流程進行產(chǎn)品開發(fā)，往往周期過長。

目前在信息電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)界，如華為、愛立信等國際知名企業(yè)，都是首先通過前期虛擬仿真技術(shù)完成功能模塊建模，推演系統(tǒng)演化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上再實現(xiàn)產(chǎn)品的正式生產(chǎn)，從而大大縮短研發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本。為實現(xiàn)人才培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)界的無縫對接，并解決傳統(tǒng)實驗室存在的問題，本文基于虛擬仿真實驗教學(xué)平臺可持續(xù)性發(fā)展策略，深入研究信息電子技術(shù)實踐教學(xué)規(guī)律，構(gòu)建了實驗教學(xué)改革創(chuàng)新的新模式。

1 信息電子技術(shù)虛擬仿真實驗平臺體系

南京郵電大學(xué)信息電子虛擬仿真實驗教學(xué)中心根據(jù)專業(yè)實際需求，規(guī)劃相應(yīng)實驗教學(xué)體系，其是學(xué)校實體實驗教學(xué)示范中心——電子科學(xué)與技術(shù)國家級實驗教學(xué)示范中心的延伸。南京郵電大學(xué)信息電子技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)中心擁有包括信息電子材料、信息電子器件、集成電路設(shè)計、電磁場與微波技術(shù)、電子設(shè)計自動化5個虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，以及綜合創(chuàng)新、校企聯(lián)合2個虛擬仿真實踐平臺，其中實驗教學(xué)仿真平臺下共包括12個虛擬仿真實驗?zāi)K，如圖1所示。

圖1 仿真平臺結(jié)構(gòu)

本虛擬實驗教學(xué)中心建立的5個虛擬仿真實驗教學(xué)平臺與所依托的電子科學(xué)與技術(shù)國家級實驗教學(xué)示范中心建立的實體實驗平臺形成了“虛實互補、相互支撐”的實驗教學(xué)資源格局，并與校企聯(lián)合實驗平臺及綜合創(chuàng)新實驗平臺一同構(gòu)成完整的一體化實驗教學(xué)平臺體系。

2 信息電子技術(shù)虛擬仿真平臺對實驗教學(xué)的促進作用

虛擬仿真實驗教學(xué)能夠讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中自主進行實驗探索，具有方便共享、全面開放、便于交互等諸多優(yōu)點，從而彌補了傳統(tǒng)實體實驗室的不足，為實驗教學(xué)的開展提供了很大便利[17]。信息電子技術(shù)具有多學(xué)科交融的特點，涉及到電子材料、器件芯片、集成電路設(shè)計等多個領(lǐng)域。下面簡要介紹目前信息電子技術(shù)虛擬仿真實驗平臺對實驗教學(xué)的促進作用。

(1)將抽象的實驗內(nèi)容形象展示出來，提高實驗教學(xué)質(zhì)量。電子信息類實驗課程內(nèi)容與理論課程內(nèi)容具有較強的關(guān)聯(lián)性與交叉性，其原理較為晦澀難懂。因此，在本科實驗教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真平臺可直觀、形象、生動地向?qū)W生展示實驗原理與實驗現(xiàn)象，以幫助學(xué)生更好地掌握專業(yè)知識與實踐技能。例如：通過虛擬平臺項目——基于射線跟蹤方法的電波傳播仿真與分析實驗演示，不僅有助于學(xué)生掌握室內(nèi)電波傳播特性、了解射線追蹤方法，同時建立了有實用價值的室內(nèi)電波傳播模型。

(2)有效提升學(xué)生的綜合實驗設(shè)計能力。在電子電路課程設(shè)計中，很多實驗是由學(xué)校為學(xué)生提供元器件在面包板上搭建完成，涉及裝配、電路設(shè)計等技能，并要求學(xué)生在完成基本指標后進行創(chuàng)新。整個設(shè)計難度大、電路復(fù)雜。學(xué)生可先通過仿真實現(xiàn)電路設(shè)計，甚至可以對面包板進行模擬布線，從而大大節(jié)省實際操作時間，高質(zhì)量地實現(xiàn)基本指標設(shè)計，并能自主進行實驗創(chuàng)新。

(3)引導(dǎo)并培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神。高校實驗室的軟硬件設(shè)備不足將影響實驗項目創(chuàng)新，特別是缺乏一些收費昂貴的大型專業(yè)軟件，如業(yè)界主流用來進行超大規(guī)模集成電路設(shè)計的Cadence軟件。虛擬仿真實驗教學(xué)可將教學(xué)重點引導(dǎo)到創(chuàng)新方向，緊跟信息電子技術(shù)發(fā)展，使學(xué)生學(xué)習(xí)與掌握最前沿的技術(shù)與知識。實驗教師引導(dǎo)學(xué)生利用虛擬實驗室資源進行自立、自為、自律的自主學(xué)習(xí)，以及進行探索、發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造的探究學(xué)習(xí)，或與導(dǎo)師及同學(xué)協(xié)作完成項目。

3 基于信息電子技術(shù)虛擬仿真平臺的實驗教學(xué)發(fā)展策略

當前在實驗教學(xué)中，教師和學(xué)生越來越多地使用虛擬仿真。因此，實驗教學(xué)需要不斷根據(jù)實驗課程教學(xué)特點與需要達到的實驗效果進行改革，以促進虛擬仿真教學(xué)開放平臺的良性發(fā)展。

(1)傳統(tǒng)基礎(chǔ)實驗項目與專業(yè)特色實驗項目相結(jié)合。凝練出以學(xué)生為本、理論知識傳授與實踐能力培養(yǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的實驗教學(xué)理念，構(gòu)建基礎(chǔ)實驗項目與專業(yè)特色實驗項目。針對基礎(chǔ)實驗，主要面向大二學(xué)生的實驗項目有：帶溫濕度顯示電子鐘、具有記憶力功能秒表設(shè)計與實現(xiàn)、MIS結(jié)構(gòu)電容特性模擬與參數(shù)提取、音頻采集與放大電路設(shè)計與實現(xiàn)、FPGA可編程門陣列實現(xiàn)動態(tài)譯碼顯示等。除必修的課程設(shè)計外，在專業(yè)基礎(chǔ)課程實驗方面也對學(xué)生進行系統(tǒng)、綜合的訓(xùn)練。針對專業(yè)特色實驗，涉及的實驗平臺主要有信息電子材料、信息電子器件、集成電路設(shè)計、電磁場與微波技術(shù)仿真實驗平臺，例如集成電路設(shè)計平臺通過業(yè)界主流的設(shè)計仿真軟件實現(xiàn)不同層次與復(fù)雜度模擬的數(shù)字集成電路設(shè)計實驗。其中模擬集成電路模塊包括從最基本的單管放大器到具有較為完整功能的集成電路芯片設(shè)計內(nèi)容，借助于實驗內(nèi)容的推進，學(xué)生可以實現(xiàn)電路設(shè)計、電路仿真、版圖設(shè)計、版圖驗證、芯片測試等模擬集成電路設(shè)計流程。數(shù)字集成電路模塊可以完成數(shù)字集成電路前端與后端實驗內(nèi)容，學(xué)生可以完成從系統(tǒng)定義、RTL綜合、時序分析、可測性設(shè)計到版圖實現(xiàn)的完整數(shù)字集成電路設(shè)計流程。同時，配備了先進的集成電路測試系統(tǒng)，將虛擬仿真與實際硬件仿真相結(jié)合，以進行復(fù)雜系統(tǒng)功能的驗證。圖2給出了南京郵電大學(xué)虛擬仿真平臺上一個典型的“虛實互補、互連共享”的射頻系統(tǒng)多層次實驗流程。該實驗從底層到頂層，逐步完成材料仿真、工藝仿真、器件仿真、集成電路仿真、系統(tǒng)仿真等過程，然后在實體實驗平臺完成加工，最后進行測試。

圖2 射頻系統(tǒng)多層次實驗流程

(2)創(chuàng)建“自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)”的實驗教學(xué)模式。虛擬仿真平臺在實驗教學(xué)中需要教師指導(dǎo)學(xué)生熟練運用，學(xué)生在進行真實的電子技術(shù)實驗前，首先對實驗課題進行預(yù)習(xí)，然后通過電子設(shè)計自動化虛擬仿真平臺對實驗進行虛擬仿真，以對知識獲得更直觀、深入的理解[18]。依托優(yōu)質(zhì)的虛擬實驗資源及網(wǎng)絡(luò)平臺，以大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計劃(STITP)項目、校企聯(lián)合實驗室開發(fā)項目、大學(xué)生電子設(shè)計競賽、各類科學(xué)競賽以及科研項目為載體，鼓勵學(xué)生通過參加科協(xié)、C&S協(xié)會及參與項目小組等方式，構(gòu)建出一個有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)的實驗教學(xué)模式(見圖3)，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、實踐能力及團隊合作能力等，充分體現(xiàn)了南京郵電大學(xué)“5C”(Compound復(fù)合性、Comprehensiveness綜合性、Cross交叉性、Combination融合性、Continuity持續(xù)性)教育理念。

圖3 自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)實驗教學(xué)模式

(3)教學(xué)名師與科研團隊相結(jié)合的高素質(zhì)實驗教學(xué)隊伍。虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)不僅需充分反映出所屬學(xué)科的要求和特點，而且需要具有資源廣泛共享的基礎(chǔ)條件及持續(xù)發(fā)展機制[19]。同時，建立開放科研實驗是培養(yǎng)學(xué)生實踐應(yīng)用能力、提高創(chuàng)新意識的有效途徑[20]。因此，需要打造出一支專兼結(jié)合、滿足實驗教學(xué)需要的高素質(zhì)實驗教學(xué)隊伍。信息電子技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)中心有14個科研團隊，涉及專業(yè)包括計算電磁學(xué)與射頻器件、先進電磁信息材料與器件、信號采集與智能處理、射頻與天線以及功率與射頻微電子等。目前30余項虛擬仿真實驗項目來源于科研成果轉(zhuǎn)化，如學(xué)生開放實驗項目“基于柔性材料的平面單極子天線仿真分析”來源于國家自然科學(xué)基金項目“智能環(huán)境網(wǎng)絡(luò)中的穿戴式傳感天線與體域傳播特性研究”。學(xué)生通過主持課題的指導(dǎo)教師接觸科研實驗平臺，可了解學(xué)科前沿，明晰學(xué)科發(fā)展方向，從而有效提高了創(chuàng)新能力。

(4)推行“三進”和“三出”人才培養(yǎng)模式。國際化是高等教育的發(fā)展趨勢，為了提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，本平臺積極與國際著名高校開展合作，通過“引進來”與“走出去”兩條線提升實驗平臺內(nèi)涵，加大人才培養(yǎng)力度。“引進來”也即“三進”策略，指聘請國際知名專家、招聘高素質(zhì)優(yōu)秀人才、引進國外優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源。近年來，本平臺所在中心通過柔性引進與聘請客座教授等方式，引入海外院士、IEEE Fellow、海外知名教授加盟，并通過其引入《MicroNano Electronic Materials and Devices》、 《VLSI Design》、 《Phase Locked Loop Frequency Synthesizer Circuit Design》等海外名校的優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實驗教學(xué)資源進入課堂，以MOOC或現(xiàn)場專題講座等形式開展教學(xué)活動。同時引進有海外留學(xué)經(jīng)歷、視野寬廣的青年博士或博士后，充實到實驗教師隊伍中?！白叱鋈ァ钡摹叭觥敝高x派具有較大發(fā)展?jié)摿Φ膬?yōu)秀教師到國外進修、安排學(xué)生到海外學(xué)習(xí)交流、支持教師與學(xué)生出國參加國際學(xué)術(shù)會議。通過這些措施，致力于加強教育國際化，推動跨文化學(xué)術(shù)交流。

(5)建立全面、共享、開放的實驗教學(xué)環(huán)境。虛擬仿真實驗教學(xué)資源的開放共享有利于緩解學(xué)校實驗資源不足的問題，避免實驗室重復(fù)建設(shè)[17]。各院系實驗教學(xué)中心按照“因材施教、講求實效、形式多樣”的原則，充分重視虛擬仿真實驗教學(xué)的開放共享工作，將專業(yè)課教師、虛擬實驗室教師及學(xué)校網(wǎng)絡(luò)中心人員加以整合，并對現(xiàn)有虛擬仿真教學(xué)的軟硬件資源進行規(guī)范整合與建設(shè)，建立了豐富的虛擬仿真教學(xué)資源庫，將分散的資源采用云技術(shù)進行集中存儲與管理，建立相應(yīng)的教學(xué)管理平臺，為網(wǎng)上實驗、網(wǎng)絡(luò)競賽、課堂教學(xué)、自主學(xué)習(xí)等提供支撐。將用于實驗教學(xué)與科研的設(shè)備儀器軟件開放共享，統(tǒng)一進行使用與管理，鼓勵與支持各教學(xué)及科研團隊將教學(xué)、科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)內(nèi)容，將先進的教學(xué)手段與教學(xué)思想引入實驗教學(xué)，以滿足本科生、研究生對于虛擬仿真教學(xué)方面的需求，為虛擬仿真教學(xué)資源的共享打下堅實基礎(chǔ)。另外，鑒于企業(yè)在虛擬仿真平臺開發(fā)實力、技術(shù)服務(wù)等方面具有優(yōu)勢[21]，通過與從事教學(xué)教育系統(tǒng)研究的企業(yè)進行合作，能夠?qū)崿F(xiàn)教育信息化的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)語

目前，信息電子技術(shù)虛擬仿真面向?qū)W校電子科學(xué)與技術(shù)、微電子科學(xué)與工程、電磁場與無線技術(shù)、通信工程等多個專業(yè)，開設(shè)了網(wǎng)上實驗項目100余項，MOOC課程6門，可以訪問的網(wǎng)絡(luò)資源達到1 200GB。通過平臺的智能網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)及時發(fā)布實驗室開放時間、設(shè)備資源狀況、指導(dǎo)教師答疑時間與聯(lián)系方式等信息，提升了實驗室的現(xiàn)代化管理水平。將虛擬仿真實驗平臺與實體實驗平臺相結(jié)合，創(chuàng)建了一個將課程建設(shè)、教學(xué)互動、過程管理、優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源共建共享等功能融為一體的實驗教學(xué)平臺。信息電子類仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)，體現(xiàn)了電子類專業(yè)與信息技術(shù)的深度融合，開創(chuàng)了實驗教學(xué)的新模式。

依托該仿真平臺，指導(dǎo)完成國家級、省級與校級大學(xué)生創(chuàng)新計劃項目300余項，其中國家級項目110余項；組織完成了多屆全國與江蘇省大學(xué)生電子設(shè)計競賽的培訓(xùn)與選拔工作，受益學(xué)生達到1 000人次/年。