基于虚拟仿真平台的信息电子技术实验教学研究

刘小花，唐贵进，吉新村

(1.南京邮电大学 电子与光学工程学院，微电子学院，江苏 南京 210023； 2.南京邮电大学 通达学院，江苏 扬州 225127)

0 引言

在信息电子技术学习过程中，学生不仅要掌握相关理论知识，而且要将理论应用于实践。实践技能主要是在实验中获得的，但是传统实验室具有如下局限性：①电子实验设备昂贵，学生在实验过程中容易损坏芯片；②信息电子技术发展迅速，而实验设备更新相对缓慢，不能及时支持实验项目的扩展；③实验室开放时间与空间受到限制；④实验课程脱离理论课程内容。近年来，随着Web与计算机技术的快速发展，为各种远程实验室[1-3]与虚拟实验室[4-8]的建立提供了新的技术手段。

建模与仿真是获取工程经验的有效途径[9]，其能够帮助学习者理解所研究的系统性质及性能。因此，虚拟仿真实验教学成为了教育信息化进程中人才培养的重要手段[10]，涵盖工学、理学、医学、管理学等学科领域[11-14]。强化实验教学，大力推进实验教学改革，创新实验教学方法，将实践教学与信息技术进行深度融合是信息电子实验教学的发展趋势[15-16]。当今随着技术复杂性的提升，产品也朝着多样化方向发展，如果仍采用传统流程进行产品开发，往往周期过长。

目前在信息电子技术产业界，如华为、爱立信等国际知名企业，都是首先通过前期虚拟仿真技术完成功能模块建模，推演系统演化规律，在此基础上再实现产品的正式生产，从而大大缩短研发周期，节约开发成本。为实现人才培养与产业界的无缝对接，并解决传统实验室存在的问题，本文基于虚拟仿真实验教学平台可持续性发展策略，深入研究信息电子技术实践教学规律，构建了实验教学改革创新的新模式。

1 信息电子技术虚拟仿真实验平台体系

南京邮电大学信息电子虚拟仿真实验教学中心根据专业实际需求，规划相应实验教学体系，其是学校实体实验教学示范中心——电子科学与技术国家级实验教学示范中心的延伸。南京邮电大学信息电子技术虚拟仿真实验教学中心拥有包括信息电子材料、信息电子器件、集成电路设计、电磁场与微波技术、电子设计自动化5个虚拟仿真实验教学平台，以及综合创新、校企联合2个虚拟仿真实践平台，其中实验教学仿真平台下共包括12个虚拟仿真实验模块，如图1所示。

图1 仿真平台结构

本虚拟实验教学中心建立的5个虚拟仿真实验教学平台与所依托的电子科学与技术国家级实验教学示范中心建立的实体实验平台形成了“虚实互补、相互支撑”的实验教学资源格局，并与校企联合实验平台及综合创新实验平台一同构成完整的一体化实验教学平台体系。

2 信息电子技术虚拟仿真平台对实验教学的促进作用

虚拟仿真实验教学能够让学生在虚拟环境中自主进行实验探索，具有方便共享、全面开放、便于交互等诸多优点，从而弥补了传统实体实验室的不足，为实验教学的开展提供了很大便利[17]。信息电子技术具有多学科交融的特点，涉及到电子材料、器件芯片、集成电路设计等多个领域。下面简要介绍目前信息电子技术虚拟仿真实验平台对实验教学的促进作用。

(1)将抽象的实验内容形象展示出来，提高实验教学质量。电子信息类实验课程内容与理论课程内容具有较强的关联性与交叉性，其原理较为晦涩难懂。因此，在本科实验教学中应用虚拟仿真平台可直观、形象、生动地向学生展示实验原理与实验现象，以帮助学生更好地掌握专业知识与实践技能。例如：通过虚拟平台项目——基于射线跟踪方法的电波传播仿真与分析实验演示，不仅有助于学生掌握室内电波传播特性、了解射线追踪方法，同时建立了有实用价值的室内电波传播模型。

(2)有效提升学生的综合实验设计能力。在电子电路课程设计中，很多实验是由学校为学生提供元器件在面包板上搭建完成，涉及装配、电路设计等技能，并要求学生在完成基本指标后进行创新。整个设计难度大、电路复杂。学生可先通过仿真实现电路设计，甚至可以对面包板进行模拟布线，从而大大节省实际操作时间，高质量地实现基本指标设计，并能自主进行实验创新。

(3)引导并培养学生创新精神。高校实验室的软硬件设备不足将影响实验项目创新，特别是缺乏一些收费昂贵的大型专业软件，如业界主流用来进行超大规模集成电路设计的Cadence软件。虚拟仿真实验教学可将教学重点引导到创新方向，紧跟信息电子技术发展，使学生学习与掌握最前沿的技术与知识。实验教师引导学生利用虚拟实验室资源进行自立、自为、自律的自主学习，以及进行探索、发现、创造的探究学习，或与导师及同学协作完成项目。

3 基于信息电子技术虚拟仿真平台的实验教学发展策略

当前在实验教学中，教师和学生越来越多地使用虚拟仿真。因此，实验教学需要不断根据实验课程教学特点与需要达到的实验效果进行改革，以促进虚拟仿真教学开放平台的良性发展。

(1)传统基础实验项目与专业特色实验项目相结合。凝练出以学生为本、理论知识传授与实践能力培养协调发展的实验教学理念，构建基础实验项目与专业特色实验项目。针对基础实验，主要面向大二学生的实验项目有：带温湿度显示电子钟、具有记忆力功能秒表设计与实现、MIS结构电容特性模拟与参数提取、音频采集与放大电路设计与实现、FPGA可编程门阵列实现动态译码显示等。除必修的课程设计外，在专业基础课程实验方面也对学生进行系统、综合的训练。针对专业特色实验，涉及的实验平台主要有信息电子材料、信息电子器件、集成电路设计、电磁场与微波技术仿真实验平台，例如集成电路设计平台通过业界主流的设计仿真软件实现不同层次与复杂度模拟的数字集成电路设计实验。其中模拟集成电路模块包括从最基本的单管放大器到具有较为完整功能的集成电路芯片设计内容，借助于实验内容的推进，学生可以实现电路设计、电路仿真、版图设计、版图验证、芯片测试等模拟集成电路设计流程。数字集成电路模块可以完成数字集成电路前端与后端实验内容，学生可以完成从系统定义、RTL综合、时序分析、可测性设计到版图实现的完整数字集成电路设计流程。同时，配备了先进的集成电路测试系统，将虚拟仿真与实际硬件仿真相结合，以进行复杂系统功能的验证。图2给出了南京邮电大学虚拟仿真平台上一个典型的“虚实互补、互连共享”的射频系统多层次实验流程。该实验从底层到顶层，逐步完成材料仿真、工艺仿真、器件仿真、集成电路仿真、系统仿真等过程，然后在实体实验平台完成加工，最后进行测试。

图2 射频系统多层次实验流程

(2)创建“自主学习、探究学习、协作学习”的实验教学模式。虚拟仿真平台在实验教学中需要教师指导学生熟练运用，学生在进行真实的电子技术实验前，首先对实验课题进行预习，然后通过电子设计自动化虚拟仿真平台对实验进行虚拟仿真，以对知识获得更直观、深入的理解[18]。依托优质的虚拟实验资源及网络平台，以大学生科技创新训练计划(STITP)项目、校企联合实验室开发项目、大学生电子设计竞赛、各类科学竞赛以及科研项目为载体，鼓励学生通过参加科协、C&S协会及参与项目小组等方式，构建出一个有利于学生自主学习、探究学习、协作学习的实验教学模式(见图3)，以培养学生的创新意识、实践能力及团队合作能力等，充分体现了南京邮电大学“5C”(Compound复合性、Comprehensiveness综合性、Cross交叉性、Combination融合性、Continuity持续性)教育理念。

图3 自主学习、探究学习、协作学习实验教学模式

(3)教学名师与科研团队相结合的高素质实验教学队伍。虚拟仿真实验教学平台建设不仅需充分反映出所属学科的要求和特点，而且需要具有资源广泛共享的基础条件及持续发展机制[19]。同时，建立开放科研实验是培养学生实践应用能力、提高创新意识的有效途径[20]。因此，需要打造出一支专兼结合、满足实验教学需要的高素质实验教学队伍。信息电子技术虚拟仿真实验教学中心有14个科研团队，涉及专业包括计算电磁学与射频器件、先进电磁信息材料与器件、信号采集与智能处理、射频与天线以及功率与射频微电子等。目前30余项虚拟仿真实验项目来源于科研成果转化，如学生开放实验项目“基于柔性材料的平面单极子天线仿真分析”来源于国家自然科学基金项目“智能环境网络中的穿戴式传感天线与体域传播特性研究”。学生通过主持课题的指导教师接触科研实验平台，可了解学科前沿，明晰学科发展方向，从而有效提高了创新能力。

(4)推行“三进”和“三出”人才培养模式。国际化是高等教育的发展趋势，为了提高人才培养质量，本平台积极与国际著名高校开展合作，通过“引进来”与“走出去”两条线提升实验平台内涵，加大人才培养力度。“引进来”也即“三进”策略，指聘请国际知名专家、招聘高素质优秀人才、引进国外优质实验教学资源。近年来，本平台所在中心通过柔性引进与聘请客座教授等方式，引入海外院士、IEEE Fellow、海外知名教授加盟，并通过其引入《MicroNano Electronic Materials and Devices》、 《VLSI Design》、 《Phase Locked Loop Frequency Synthesizer Circuit Design》等海外名校的优质虚拟仿真实验教学资源进入课堂，以MOOC或现场专题讲座等形式开展教学活动。同时引进有海外留学经历、视野宽广的青年博士或博士后，充实到实验教师队伍中。“走出去”的“三出”指选派具有较大发展潜力的优秀教师到国外进修、安排学生到海外学习交流、支持教师与学生出国参加国际学术会议。通过这些措施，致力于加强教育国际化，推动跨文化学术交流。

(5)建立全面、共享、开放的实验教学环境。虚拟仿真实验教学资源的开放共享有利于缓解学校实验资源不足的问题，避免实验室重复建设[17]。各院系实验教学中心按照“因材施教、讲求实效、形式多样”的原则，充分重视虚拟仿真实验教学的开放共享工作，将专业课教师、虚拟实验室教师及学校网络中心人员加以整合，并对现有虚拟仿真教学的软硬件资源进行规范整合与建设，建立了丰富的虚拟仿真教学资源库，将分散的资源采用云技术进行集中存储与管理，建立相应的教学管理平台，为网上实验、网络竞赛、课堂教学、自主学习等提供支撑。将用于实验教学与科研的设备仪器软件开放共享，统一进行使用与管理，鼓励与支持各教学及科研团队将教学、科研成果转化为实验教学内容，将先进的教学手段与教学思想引入实验教学，以满足本科生、研究生对于虚拟仿真教学方面的需求，为虚拟仿真教学资源的共享打下坚实基础。另外，鉴于企业在虚拟仿真平台开发实力、技术服务等方面具有优势[21]，通过与从事教学教育系统研究的企业进行合作，能够实现教育信息化的可持续发展。

4 结语

目前，信息电子技术虚拟仿真面向学校电子科学与技术、微电子科学与工程、电磁场与无线技术、通信工程等多个专业，开设了网上实验项目100余项，MOOC课程6门，可以访问的网络资源达到1 200GB。通过平台的智能网络管理系统及时发布实验室开放时间、设备资源状况、指导教师答疑时间与联系方式等信息，提升了实验室的现代化管理水平。将虚拟仿真实验平台与实体实验平台相结合，创建了一个将课程建设、教学互动、过程管理、优质实验教学资源共建共享等功能融为一体的实验教学平台。信息电子类仿真实验教学平台的建设，体现了电子类专业与信息技术的深度融合，开创了实验教学的新模式。

依托该仿真平台，指导完成国家级、省级与校级大学生创新计划项目300余项，其中国家级项目110余项；组织完成了多届全国与江苏省大学生电子设计竞赛的培训与选拔工作，受益学生达到1 000人次/年。