电工电子虚拟仿真实验教学中心建设的研究与探索

袁 小 平

(中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 221116)

0 引 言

1997年，我校依托国家重点学科建设和“211工程”，成立了电工电子实验教学中心。随着国家特色专业、国家级教学团队、“985”优势学科创新平台等国家级教学和科研平台的建设，中心在2005年获批省级实验教学示范中心建设单位，2007年获批国家级实验教学示范中心建设单位，2012年通过教育部验收荣获国家级实验教学示范中心称号。

随着电子器件制造技术、微电子技术和计算机技术的逐步发展成熟，电子设计自动化(简称EDA)技术的发展的得到了极大促进[1]。1999年，中心以台湾最大的教学仪器设备开发商掌宇公司合作为契机，及时跟踪现代电子技术发展的最新成果，引进、消化、吸收虚拟电子设计工作台(简称EWB)、复杂可编程逻辑器件(简称CPLD)等世界前沿的EDA技术[2]，开发了用于CPLD学习与科研的一系列教学实验箱，编著了《复杂可编程逻辑器件应用与开发》教材，面向全校开设了“电子设计自动化技术”选修课。此外，中心先后连续3年举办了4届全国高校EDA实验教学培训班、研讨会，对参加培训的近百所全国高校的实验教学改革发挥了重要的作用。面向在校师生和企业研发人员开展了SOPC新技术培训班，推动了苏北乃至淮海经济区高校EDA技术的发展。

1 传统电工电子技术实验教学模式现状分析

传统电工电子技术实验教学模式难以满足快速发展的人才培养要求，存在诸多的弊端与不足之处[3]：

(1) 实验室建设费用高昂。传统的实验室建设存在前期设备采购费用高，后期维护困难繁琐，而且时间、空间、人力、物力、财力等因素都制约着实验室的建设与革新。

(2) 教师指导学生实验难以到位。高校普遍存在教师资源有限的问题，因此很难对所有学生进行细致指导，以致教学质量难以得到保障。设计创新类和自主探究类实验更是难以开展。

(3) 教学目标难以落实。开展实验类课程的教学目的是为了锻炼学生的动手能力、自主设计的创新能力，而目前各高校开展的实验大多以验证性实验为主，存在实验操作训练目的性不高，自主动手设计的创新能力培养不足等问题。

传统的实验教学方式单一，常常将理论知识和实验动手操作进行了分离，使理论学习过于理想化，而实验动手操作过于流程化，学生普遍缺乏主动性学习和创造性学习等问题[4]。因此我们提出了虚实结合的实验教学系统的解决方案，虚实结合实验室是一种运用虚拟仪器和虚拟技术仿真真实的实验过程的计算机实验教学系统，它采用现代网络媒体技术和虚拟技术建立虚拟实验室平台，通过远程可控的虚拟仪器，学生能通过虚拟平台的客户端的人机交互界面完成实验，同时该系统支持实验教学的一体化管理功能。

2 中心建设目标

中心实验教学体系遵循教育部关于“十二五”期间实施“高等学校本科教学质量与教学改革工程”的意见、我校人才培养体系，围绕“理论与实践融合、教学与科研协同、学校与企业联合、资源开放共享”的建设理念，以“基础教学层、综合设计层、创新实践层、工程实践层”的“四层面”虚拟仿真资源设计为主体指导思想，构建知识体系、课程层次、理论与工程、时间与空间、虚拟与现实的多元化、全方位的实验教学体系，以体现“虚实结合、软硬兼施、互相补充、虚中有实”的建设原则，具有虚拟仿真技术的先进性、网络化的远程控制、信息化管理手段、不受时空限制的开放式的鲜明特色。依托中心虚拟仿真资源，培养大学生综合工程实践能力、自主设计能力和创新研发能力，造就一批实践和创新能力强的高素质应用型技术人才。

3 中心建设主要成果

中心依托国家级电工电子教学实验示范中心、电气信息类基础教学团队、电力电子与电气传动重点学科、电气工程、信息工程国家级品牌专业，建设了“网络化、模块化、层次化、多元化”的虚拟仿真实验教学平台；建成一支年龄职称结构合理、教学理念领先、学术水平先进、教学科研能力过硬、团结奋进的高素质实验教学队伍；制定和完善了中心管理规章制度；搭建了虚拟仿真实验网络信息共享平台，实现了实验类教学资源的智能化与网络化管理，使学生进行实验时不受时间和空间以及设备的制约，能自主配置虚拟实验室资源、搭建自己所需的实验电路[5]；虚拟仿真实验教学平台及虚拟仿真实验项目已经完成了面向淮海地区高校、煤炭高校和企业的资源共享。中心的建设极大地提升了我校电子类、非电子类大学生动手实践和设计创新能力。

(1) 建立了“网络化、模块化、层次化、多元化”的电工电子虚拟仿真实验教学平台。坚持专业建设与人才培养相联系、教学与科研相渗透、理论教学与实践教学相促进、虚拟仿真与实物仪器设备互相补充的原则，构建了“网络化、模块化、层次化、多元化”的虚拟仿真实验教学体系，即“电类专业仿真实验模块、非电类专业仿真实验模块、EDA类仿真实验模块、远程虚拟实验室模块、PLC组态软件模块[6]”五大模块，“基础课程仿真实验教学层”“综合与设计仿真实验教学层”“创新实践教学层”“工程导向教学层”四个层次，不同层次、不同模块间进行相互补充、融合渗透；研发了各类虚拟仿真实验项目，形成了“基础设计型实验—综合设计型虚拟仿真实验—创新设计型实践-工程实践、校企合作、科研转化型项目”并举的立体化实验教学新的模式[7]。虚拟实验平台整体框架如图1所示。

(2) 建设了“虚实结合、互为补充”的“四层次”虚拟仿真实验教学体系及资源。针对课堂教学、实验教学以及综合工程训练三方面教学实践的需要，中心主要面向电类工程专业构建“虚实结合、互为补充”的虚拟仿真系统，为学生提供认知与动手实践的平台。主要包括“4个层次”：① 电类与非电类的传统课程虚拟仿真教学；② 综合设计型虚拟仿真教学；③ 创新实践型虚实结合实验平台；④ 工程导向型实践平台。如图2所示。

图1 虚拟实验平台整体框架图

图2 中心虚拟仿真实验体系

4个层次的虚拟仿真课程与实践教学资源贯穿电气、自动化、信息等专业一到四年级。

第1层次的基础理论课程的虚拟仿真教学分为电类与非电类两大类，其中电类包含电路理论、模拟电子电路设计、数字电子技术、自动控制原理等基础课程，通过远程的可视化虚拟仿真实验，提高学生对基础理论知识的理解水平；同时针对非电类工科专业开设电工电子技术基础实验仿真平台，使非电类专业学生了解电学基本知识，并通过虚拟平台加深认知，促进与本专业领域的交叉应用。

第2层次的专业综合应用虚拟仿真教学与实验分为集成电路设计虚拟仿真实验、LabVIEW虚拟仿真实验、可编程控制器组态软件设计与Matlab仿真实验，实验涉及EDA模块、测量与控制等三大模块。涵盖电气工程、电子信息、自动化、系统设计类的20多门专业教学，各自专业可根据各专业人才培养的要求，进行模块化选择组合，仿真实验发挥专业课程综合设计的功能，在基础课程实验的基础上实现进一步的提高，加深实验学生综合设计与综合分析问题的能力。

第3层次是创新实践层，创新实践层仿真系统子平台由电子工艺仿真创新实验室、电子设计与创新实训平台、智能控制设计与创新平台三部分构成。其中，电子设计与创新实训平台依托教务部挂牌的“电子设计与创新实践创新基地”，主要是为学生开设的一些对教学场景进行特别设计，以探索和研究为基础、强调师生互动和鼓励学生自主学习。教师承担组织者、指导者和参与者的角色，根据不同的课题，老师自主设计并发布研究型课程，各学科领域的教授面向学生开设的小班研讨形式课程[8]。该新的教学模式无论在授课方式、教学平台、考核管理手段等诸多方面皆与传统教学有很大不同与革新。这些课程多以自主探索和启发性研究为导向，增进老师与学生以及学生与学生之间的互动与交流。使学生同学在合作完成实验的过程中不仅掌握了理论知识、开拓了视野，而且增强了合作精神、批判精神，锻炼了交流表达、项目总结汇报等诸多方面的能力，同时为各级电子设计竞赛做好培训工作。智能控制设计与创新平台依托教务部挂牌的“智能控制与系统大学生实践创新基地”，主要以机器人设计、智能车设计、航模设计与创新为全校工科专业学生开设的。该平台注重培养学生综合运用现代电子技术、单片机技术、DSP技术、嵌入式系统、机器人技术、智能控制技术等进行智能控制系统的设计、调试能力，加强了学生分析问题和解决问题的能力，同时为相关学科竞赛做好培训工作[9]。

第4层次是工程导向层，结合工程应用背景实现工程项目仿真平台搭建，使学生了解工业过程背景，提高学生工程实训能力。中心依托4个电气信息类一级学科，特别是电力电子与电力传动国家重点学科和矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室、江苏省煤矿电气与自动化工程实验室等拥有的雄厚的师资力量、良好的实验装备和实验项目等优势，充分发挥名师风范，探索创新历程，激发大学生自主创新的热情；将学科学术研究和科研项目成果与理论教学、实验实践创新共享，实现科学研究、理论教学、实验实践创新互通、面向教师-研究生-本科生开放共享的实验平台；极大地促进优秀科研成果向优质教学、实验资源的快速转化，实现实验教学与科研互动。

(3) 建设开放式远程虚拟仿真实验室。中心与广州风标电子技术有限公司合作建立了技术先进、资源丰富的基于Proteus的电子设计仿真与实验系统[10]，该系统目前有校园网内的局域网升级到广域网，实现真正的远程网络虚拟实验室，包括“电路分析虚拟实验教学系统”“模拟电路虚拟实验教学系统”和“数字电路虚拟实验教学系统”“嵌入式与单片机虚拟仿真实验系统”等[11]，如图3所示。

图3 基于Proteus的电子设计仿真与实验系统登录界面

中心与美国NI公司合作建立基于LabVIEW的远程虚拟仿真实验平台[12]，该平台通过C/S架构加强实验教师和实验学生的沟通，并利用远程通信技术实现实验的远程操作、远程观测、远程理论指导等教学互动环节。

教师和学生通过虚拟实验系统，实现网上自由搭建实验项目，无时间、空间的限制；同时系统具备实验过程智能指导功能，能自动分析学生遇到的问题或出错的地方，自动指导学生进行下一步操作；系统具备实验结果自动批改功能，学生做完实验，上传实验结果，系统可以自动判断实验的各得分点，同时给出相应的实验成绩，满足开放式实验教学需求。服务器和客户端的界面如图4、5所示。

图4 服务器端运行界面

(4)逐步完善虚拟仿真实验教学资源的开放共享。中心网络共享平台网站：http://202.119.206.200:1902/WES/login.jsp，建成的“电工技术与电子技术”教育部“国家级精品资源共享课立项项目”、编写的《电子技术综合设计教程》《电工技术与电子技术实验》荣获江苏省精品教材。 与企业合作研发了20余套虚拟仿真实验教学平台及虚拟仿真实验项目。中心虚拟仿真实验教学资源既面向信电学院电类专业学生，也面向全校非电类专业学生开放。中心立足煤炭行业，融入江苏地方经济建设，辐射苏、鲁、豫、皖淮海经济区，切实为我国能源工业和地方经济发展服务。中心系列教改所形成的成果实现了高效益辐射，在苏北地区高校和行业系统高校起到模范和辐射作用。

图5 客户端实验界面

4 结 语

本文以电工电子虚拟仿真实验教学中心的建设与探索为研究背景，依托我校国家级电工电子教学实验中心，搭建了电工电子虚拟仿真实验中心的虚拟实验平台整体框架，建设了电工电子教学实验中心的虚拟仿真实验教学系统与教学资源。及时跟踪现代电子技术的最新成果，将EDA和虚拟仿真技术率先引入实验教学，建立不受时间空间限制的“虚实结合、互为补充”网络虚拟实验室，充分激发了学生的学习积极性，极大地加强了学生的独立电子设计与创新能力。

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[6] 黄大乾，张少羽，陈建军． 基于学生自主学习的实践教学体系和平台的构建[J]． 实验技术与管理2013,30(8)：179-182．

[7] 周锦兰，王 宏,聂 进． 多层次大学生创新实验平台的构建与实践[J]．实验技术与管理,2011,28(4) ：16-18．

[8] 郭 锐.嵌入式系统教学中若干教学方法研究与实践[J].科技信息，2012(16):19-21.

[9] 杜月林,黄 刚,王 峰,等. 建设虚拟仿真实验平台,探索创新人才培养模式[J].实验技术与管理，2015，32(12):26-29.

[10] 王 秀.基于Proteus的单片机仿真教学的研究[J].科技信息，2010(35):26-28.

[11] 杨增汪,陈 斯，戴新宇．基于Proteus 的电类综合实验系统的构建[J]．中国现代教育装备，2010(15):116-118.