程 勇, 孫科學(xué), 郭宇鋒, 黃 剛(南京郵電大學(xué) .電子與光學(xué)工程學(xué)院,微電子學(xué)院;.資產(chǎn)管理與實驗室建設(shè)處,南京 210023)
信息電子是當(dāng)今科技領(lǐng)域中發(fā)展最為迅速、應(yīng)用最為廣泛的產(chǎn)業(yè)之一,業(yè)界激烈技術(shù)競爭以及信息通信技術(shù)的發(fā)展給電子行業(yè)帶來了挑戰(zhàn)。如何在產(chǎn)品設(shè)計階段對產(chǎn)品性能進(jìn)行評估,從而保證最終產(chǎn)品滿足預(yù)計的性能要求是產(chǎn)業(yè)界非常關(guān)注的問題[1-3],當(dāng)前的許多新的技術(shù)和產(chǎn)品的復(fù)雜度越來越高,通過傳統(tǒng)的研發(fā)手段和流程來實現(xiàn),則設(shè)計周期過長,而且難以實現(xiàn)。例如當(dāng)前通信界正在開展的第五代移動通信的研發(fā)和推廣工作,由于系統(tǒng)復(fù)雜,牽涉面廣,諸如系統(tǒng)所牽涉到的毫米波多址接入技術(shù)、大規(guī)模MIMO天線技術(shù)、新型調(diào)制技術(shù)等一系列的關(guān)鍵技術(shù)。目前華為、愛立信等國際知名企業(yè)都是通過前期的虛擬仿真技術(shù)對系統(tǒng)性能進(jìn)行分析和評估,通過高效建模方法,重建演化規(guī)律以及各種相互關(guān)系描述,對其中種類繁多、構(gòu)形復(fù)雜的信息做出準(zhǔn)確、完備的描述,實現(xiàn)硬件軟化,才投入設(shè)備生產(chǎn),從而大大縮短研發(fā)周期,提高設(shè)備研發(fā)的成功率,虛擬仿真已經(jīng)成為信息電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然途徑[4-5]。
在當(dāng)今社會處于工業(yè)化4.0和“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展背景下,面向我國對信息電子相關(guān)專業(yè)工程型創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的迫切需求,虛擬仿真具有實體實驗無可比擬的優(yōu)勢,通過虛實結(jié)合、虛實互補(bǔ)的實驗教學(xué)模式,可以為培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力、工程實踐能力、創(chuàng)新能力提供必要條件,是工程型創(chuàng)新型信息電子人才培養(yǎng)的必然需求[6]。
信息電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)界通常采用仿真模擬、封裝測試、正式生產(chǎn)的企業(yè)運作模式,為實現(xiàn)人才培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)界無縫對接,高校必需加強(qiáng)虛擬仿真實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)置與建設(shè)。高?,F(xiàn)有實體實驗教學(xué)資源無法為所有學(xué)生參與認(rèn)識實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)、專業(yè)實習(xí)、畢業(yè)設(shè)計等工程實踐環(huán)節(jié)提供充足條件,因為虛擬仿真具有不需實驗場所、真實再現(xiàn)實體實驗等優(yōu)勢,因此迫切需要虛擬仿真教學(xué)資源給予必要補(bǔ)充與有力支撐。
針對未來先進(jìn)的信息電子技術(shù)和學(xué)科發(fā)展前沿問題,高校沒有條件實現(xiàn)實體實驗,例如14 nm的集成電路設(shè)計等技術(shù),虛擬仿真實驗是了解先進(jìn)信息電子技術(shù)的有效途徑,可以有效引導(dǎo)學(xué)生的創(chuàng)新意識和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。傳統(tǒng)的高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式已經(jīng)遠(yuǎn)落后于當(dāng)前信息電子技術(shù)的發(fā)展,僅僅依靠課堂教學(xué)和實體實驗難以實現(xiàn)信息電子相關(guān)專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)。這就要求改革高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式,通過引入虛擬仿真技術(shù),構(gòu)建面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的虛擬仿真平臺,豐富教學(xué)內(nèi)容,拓展實踐領(lǐng)域,更好地推動信息電子化條件下的創(chuàng)新能力培養(yǎng)[7]。
高等教育的根本任務(wù)是培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和工程素養(yǎng)的高級人才[8-9]。信息電子技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)以實踐能力提升為出發(fā)點[10-13],以創(chuàng)新能力和工程能力提升為目標(biāo)[14-15],將實體實驗和虛擬實驗有機(jī)結(jié)合,形成了三結(jié)合的實驗教學(xué)平臺,完善了一體化的實踐實驗課程體系;同時實驗中心圍繞電子信息實驗實踐能力培養(yǎng),對“實踐為基、創(chuàng)新為重、工程為要”的質(zhì)量工程建設(shè)和教學(xué)改革進(jìn)行了探索和研究,并創(chuàng)建了“自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)”的實踐實驗教學(xué)模式。多年來,堅持特色和創(chuàng)新舉措,取得了突出的人才培養(yǎng)成效和示范效應(yīng)。
南京郵電大學(xué)是國家工業(yè)和信息化部與江蘇省人民政府共建的以信息與通信為特色的高水平教學(xué)研究型大學(xué),辦學(xué)70年來,不斷踐行“厚德、弘毅、求是、篤行”的校訓(xùn),深入實施“質(zhì)量立校、人才強(qiáng)校、特色興校、創(chuàng)新活?!钡姆结?,綜合辦學(xué)實力和整體辦學(xué)水平不斷提升。
隨著計算機(jī)技術(shù)和電路設(shè)計的發(fā)展,我校從1985年開始引入虛擬仿真實驗CAA,1990年設(shè)立虛擬仿真實驗課程。之后,虛擬仿真實驗建設(shè)呈體系化發(fā)展,目前已形成面向全校、突出工程、學(xué)用結(jié)合、虛實互補(bǔ)、實體和虛擬并行發(fā)展的信息電子實驗教學(xué)體系。在長期的發(fā)展過程中,依托 “電子科學(xué)與技術(shù)”一級學(xué)科博士點、江蘇省重點學(xué)科“電磁場與微波技術(shù)”、江蘇省重點序列學(xué)科“智能電網(wǎng)與控制技術(shù)”的學(xué)科優(yōu)勢;依托“江蘇省射頻與微納電子技術(shù)重點實驗室”“江蘇省射頻集成與微組裝工程實驗室”等科研平臺;依托電子科學(xué)與技術(shù)等國家特色專業(yè)、教育部卓越工程師培養(yǎng)教育計劃專業(yè)、教育部工程教育專業(yè)認(rèn)證專業(yè)、教育部高等學(xué)校專業(yè)綜合改革試點專業(yè)、省級品牌專業(yè);依托“國家級電子科學(xué)與技術(shù)實驗教學(xué)示范中心”“江蘇省射頻與微納電子綜合訓(xùn)練中心”“江蘇省電工電子實驗教學(xué)示范中心”和數(shù)十個校企合作實驗室和企業(yè)實習(xí)基地。
中心長期以來始終堅持以實踐能力提升為出發(fā)點,以創(chuàng)新能力和工程能力提升為目標(biāo),充分利用計算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的最新技術(shù)進(jìn)展,將實體實驗和虛擬實驗有機(jī)結(jié)合,形成了富有特色的實驗平臺體系、實踐課程體系和質(zhì)量保障體系,構(gòu)成了完善的信息電子類實驗教學(xué)體系。
中心目前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)平臺和綜合創(chuàng)新、校企聯(lián)合2個虛擬仿真實踐平臺,其中5個實驗教學(xué)平臺共包含12個虛擬仿真實驗?zāi)K,如圖1所示。以學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展為中心,圍繞學(xué)生的復(fù)雜工程創(chuàng)新能力培養(yǎng),中心所建立的這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9個實體實驗平臺形成了“虛實互補(bǔ)、相互支撐”的實驗教學(xué)資源格局,并與校企聯(lián)合實驗平臺和綜合創(chuàng)新實驗平臺一起,構(gòu)成了完整的一體化實驗教學(xué)平臺體系。在實驗課程方面,中心一貫堅持以“虛實結(jié)合、校企結(jié)合、教研結(jié)合、資源共享”為建設(shè)理念,以“虛實互補(bǔ)、以虛促實、以實證虛、能實不虛”為原則,以培養(yǎng)信息電子技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新性、工程性高素質(zhì)人才為目標(biāo),建立了“基礎(chǔ)與專業(yè)一體、理論與實驗一體、設(shè)計與工程一體”的分層次實驗教學(xué)課程體系。
圖1 中心平臺結(jié)構(gòu)圖
實驗實踐教學(xué)體系在我校信息類人才培養(yǎng)中發(fā)揮了重要的作用。中心作為重要支撐的電子科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程和通信工程3個專業(yè)分別通過了全國工程教育專業(yè)認(rèn)證。在專家現(xiàn)場考察過程中和最終的認(rèn)證報告中,考查專家對中心的建設(shè)理念、教學(xué)改革、平臺體系、課程體系、教學(xué)模式和質(zhì)量保障等都給予了高度評價?!靶畔W(xué)科高素質(zhì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系的研究與實踐”“培養(yǎng)電子設(shè)計創(chuàng)新人才的教學(xué)與實踐”“基于工程實踐和創(chuàng)新能力提升的信息類專業(yè)教學(xué)改革探索與實踐”“學(xué)為中心的地方高校教學(xué)質(zhì)量保障體系研究與實踐”等一系列成果連續(xù)獲得國家級和省級教學(xué)成果獎。
(1) 貫徹“實踐為基、創(chuàng)新為重、工程為要”的教學(xué)改革探索。始終堅持以實踐能力提升為出發(fā)點,以創(chuàng)新能力和工程能力提升為目標(biāo),持續(xù)堅持教育教學(xué)改革探索,大力加強(qiáng)實驗實踐教學(xué),創(chuàng)新人才培養(yǎng)改革模式,推進(jìn)課程、教材建設(shè)與資源共享,建設(shè)教學(xué)團(tuán)隊與高水平教師隊伍,在本科教學(xué)質(zhì)量工程建設(shè)中成效顯著。10余年來,標(biāo)志性成果不間斷地獲得江蘇省高等教育教學(xué)成果一等獎。2001年,在實施創(chuàng)新教育,培養(yǎng)電子設(shè)計創(chuàng)新人才方面做了大量探索工作,逐步形成了“常規(guī)教學(xué)與強(qiáng)化訓(xùn)練相結(jié)合、課內(nèi)教學(xué)與課外科技活動相結(jié)合”的創(chuàng)新人才培養(yǎng)機(jī)制,其成果“培養(yǎng)電子設(shè)計創(chuàng)新人才的教學(xué)與實踐” 獲得江蘇省高等教育教學(xué)成果一等獎;2005年,以“加強(qiáng)基礎(chǔ),拓寬專業(yè)口徑,改善學(xué)生知識結(jié)構(gòu),全面培養(yǎng)學(xué)生能力,充分發(fā)揮學(xué)生對學(xué)習(xí)的主動性和積極性”為指導(dǎo)思想,積極實施寬口徑專業(yè)人才培養(yǎng)方案,采用“2+2”教學(xué)模式,其成果“電氣與信息類寬口徑專業(yè)人才培養(yǎng)模式改革的研究”獲得江蘇省高等教育教學(xué)成果一等獎;學(xué)院不斷倡導(dǎo)利用計算機(jī)技術(shù)結(jié)合實驗驗證的虛實結(jié)合的方式提高創(chuàng)新能力,其研究成果“信息學(xué)科高素質(zhì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系的研究與實踐”在2007年和2009年分別獲得江蘇省教學(xué)成果特等獎和國家教學(xué)成果一等獎; 2009年,以電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)建設(shè)為契機(jī),通過凝練專業(yè)方向、構(gòu)筑實驗平臺、整合教學(xué)資源、優(yōu)化課程體系,在學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面取得了顯著成績,其成果“電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)建設(shè)的探索與實踐”獲得江蘇省高等教育教學(xué)成果一等獎;在信息技術(shù)向多學(xué)科、多領(lǐng)域交叉與融合的大信息時代,充分吸收了國際大工程大信息教育的新成果,把實踐教學(xué)作為一種通識教育貫穿人才培養(yǎng)全過程,在實驗實踐教學(xué)中,學(xué)院建立了基于工程能力達(dá)成度評價的雙閉環(huán)的實踐教學(xué)質(zhì)量保障體系,保證了能力培養(yǎng)的達(dá)成度的完成。
(2) 構(gòu)建“虛實結(jié)合、校企結(jié)合、教研結(jié)合”的實驗教學(xué)平臺。建立了的5個虛擬仿真實驗平臺與9個實體實驗平臺形成了“虛實互補(bǔ)、相互支撐”的一體化的實驗教學(xué)資源格局,并與校企聯(lián)合實驗平臺和綜合創(chuàng)新實驗平臺一起,構(gòu)成了完整的一體化實驗教學(xué)平臺體系,如圖2所示。形成虛擬仿真實驗與實體實驗相結(jié)合的模式,做到“虛實結(jié)合、能實不虛”。
與校外企業(yè)密切合作,與多個知名電子類企業(yè)建立了聯(lián)合實驗室、共建實驗室,構(gòu)成了共建虛擬仿真平臺。其中包含“南京郵電大學(xué)—美國德州儀器大學(xué)生創(chuàng)新學(xué)院模擬技術(shù)聯(lián)合實驗室”“南京郵電大學(xué)—美國德州儀器大學(xué)生創(chuàng)新學(xué)院MSP430單片機(jī)聯(lián)合實驗室”等11個實驗室,通過企業(yè)家進(jìn)課堂、企業(yè)項目進(jìn)課程、學(xué)生進(jìn)企業(yè)實習(xí)、學(xué)生進(jìn)企業(yè)進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計、教師進(jìn)企業(yè)掛職的多種方式,加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)合作教育,對于學(xué)生培養(yǎng)工程意識,提升綜合實踐的素養(yǎng),激發(fā)主動性和積極性均具有重要意義。
教研結(jié)合是我們長期秉承實驗教學(xué)原則,充分利用學(xué)科所擁有科研平臺的先進(jìn)性,開展虛擬仿真的實驗實踐教學(xué)活動,近3年學(xué)院教師承擔(dān)并完成80余項包括科技部重大專項、國家自然科學(xué)基金等高水平的科研項目,主持科研的教師通過將課題成果提煉分解轉(zhuǎn)化為實驗項目,融入實驗教學(xué),通過課堂實驗、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃等方式,進(jìn)行虛擬仿真實驗教學(xué)。此類實驗教學(xué)極大地培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和實踐能力,目前有20余項虛擬仿真實驗項目來源于教師的科研成果轉(zhuǎn)化。
圖2 “虛實互補(bǔ)、相互支撐”的一體化實驗教學(xué)平臺體系
(3) 完善創(chuàng)新實踐實驗課程體系。以培養(yǎng)電子信息技術(shù)領(lǐng)域多元化、全方位的高素質(zhì)人才為目標(biāo),建立了“基礎(chǔ)與專業(yè)一體、理論與實驗一體、設(shè)計與工程一體”的實踐實驗教學(xué)課程體系,涵蓋了電子信息材料、電子信息器件、電子信息電路以及電子信息系統(tǒng)等4個方向。該體系的形成滿足了從基礎(chǔ)技能到專業(yè)知識再到創(chuàng)新綜合的實踐能力培養(yǎng)要求,體現(xiàn)了從學(xué)科基礎(chǔ)知識過渡到專業(yè)綜合技能再到研究與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)教育規(guī)律,取得了顯著成效。在基礎(chǔ)實驗層次中,為了增加學(xué)生知識的廣度,拓展學(xué)生視野,開設(shè)了電子材料類、電工電子類、信號與系統(tǒng)類等虛擬仿真實驗課程,為電子信息領(lǐng)域的學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)奠定了電子、物理、信息等學(xué)科基礎(chǔ)。在專業(yè)實驗層次中,開設(shè)集成電路類、電磁場類、電子電路類等虛擬仿真實驗課程,注重學(xué)生已有知識體系和認(rèn)知特點,充分考慮不同年級學(xué)生的能力層次和個體差異,由易到難、由淺入深、循序漸進(jìn),體現(xiàn)了從基礎(chǔ)技能到專業(yè)能力培養(yǎng)要求。在綜合創(chuàng)新層次中,借助大學(xué)生電子設(shè)計競賽、大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃、開放實驗、校企聯(lián)合實驗室和科技社團(tuán)活動等方式,實現(xiàn)了對學(xué)生創(chuàng)新能力訓(xùn)練的全覆蓋。建立了“基礎(chǔ)與專業(yè)一體、理論與實驗一體、設(shè)計與工程一體”的分層次實驗教學(xué)課程體系(見圖3)。
圖3 中心實驗課程體系
基于本中心的教學(xué)資源,完成了100余項國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃,30余項國家級大學(xué)生電子類設(shè)計競賽獎,注冊公司34個。
(4) 探索電子信息技術(shù)實驗教學(xué)新方法。在現(xiàn)代信息技術(shù)與實驗教學(xué)的深度融合下,建立了教學(xué)資源豐富、技術(shù)和管理水平先進(jìn)的電子信息技術(shù)實踐實驗平臺。依托優(yōu)質(zhì)實驗室資源、雄厚師資力量和網(wǎng)絡(luò)平臺保障,以大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目、校企聯(lián)合實驗室開放項目、大學(xué)生電子設(shè)計競賽和各類科學(xué)競賽研究為載體,鼓勵學(xué)生參加科協(xié)、C&S協(xié)會和課外興趣小組等方式,多角度全方位地推進(jìn)信息化條件下自立、自為、自律的自主學(xué)習(xí),進(jìn)行探索、發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造的探究學(xué)習(xí),開展競爭、辯論、合作的協(xié)作學(xué)習(xí)。在教學(xué)過程中,始終貫徹以培養(yǎng)人才、提升學(xué)生實踐能力為己任,深入研究實驗實踐教學(xué)規(guī)律,構(gòu)建實驗教學(xué)改革創(chuàng)新的新局面。在“自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)”實驗實踐教學(xué)培養(yǎng)模式下,近3年來學(xué)院學(xué)生的基礎(chǔ)實踐能力、綜合設(shè)計能力和創(chuàng)新能力均得到了顯著提升,國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目數(shù)逐年迅速增加,大學(xué)生電子設(shè)計競賽的獲獎紀(jì)錄穩(wěn)居江蘇省屬高校前列,各類競賽學(xué)術(shù)成果悉數(shù)呈現(xiàn),畢業(yè)生社會認(rèn)可度高,在知名電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)揮重要作用。
多年來,中心堅持自己的特色和創(chuàng)新舉措,取得了突出的人才培養(yǎng)成效和示范效應(yīng)。學(xué)生科技創(chuàng)新能力突出,學(xué)生創(chuàng)新受益面大、創(chuàng)新層次高,年接待學(xué)生1 300人以上;學(xué)科競賽和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)成果豐碩,特別是電子設(shè)計競賽。我校先后2次獲最高獎“索尼杯”和“瑞薩杯”,近3年獲得省級以上電賽獎237項,其中國家級33項;根據(jù)麥可思報告、江蘇省就業(yè)報告、清華大學(xué)NSSE-China等的第三方報告,畢業(yè)生就業(yè)質(zhì)量高、從業(yè)競爭力強(qiáng)。
中心建設(shè)成效產(chǎn)生了重要的輻射和示范效應(yīng),同行專家評價高,高校示范作用明顯。“電子科學(xué)與技術(shù)”和“通信工程”專業(yè)分別于2013年和2016年通過全國工程教育專業(yè)認(rèn)證,在專家現(xiàn)場考察過程中,對中心建設(shè)理念、教學(xué)改革、平臺體系、課程體系、教學(xué)模式等都給予了高度評價。近年來中心接待了北京理工大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、北京郵電大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)、重慶郵電大學(xué)、貴州大學(xué)、南京理工大學(xué)等國內(nèi)知名高校的考察和交流40余次,對中心體制、教學(xué)模式和成果、管理方法均給予高度評價。此外,由于在電子創(chuàng)新能力培養(yǎng)和競賽方面取得的優(yōu)異成績,受全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會委托,中心承辦了2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽的全國復(fù)測,受江蘇省大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會委托,承辦了2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽的全程測試,接待了來自全國近200所高校、3 000余名師生,參賽隊員以及組委會對中心的軟硬件條件、組織管理工作和取得的建設(shè)成績給予高度評價。中心老師編寫的教材也被西安電子科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、湘潭大學(xué)等多所高校采用,發(fā)揮了顯著的示范作用。
國家級實驗教學(xué)中心是新時期教育改革發(fā)展的重要組成部分。本文結(jié)合國家級實驗教學(xué)示范中心的建設(shè)經(jīng)驗,介紹了信息電子技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)中心在實驗教學(xué)改革及教學(xué)體系建設(shè)方面的探索與實踐。中心建設(shè)以實踐能力提升為出發(fā)點,以創(chuàng)新能力和工程能力提升為目標(biāo),將實體實驗和虛擬實驗有機(jī)結(jié)合,形成了“虛實結(jié)合、校企結(jié)合、教研結(jié)合”的實驗教學(xué)平臺,完善了“基礎(chǔ)與專業(yè)一體、理論與實驗一體、設(shè)計與工程一體”的實踐實驗課程體系;圍繞電子信息實驗實踐能力培養(yǎng),對“實踐為基、創(chuàng)新為重、工程為要”的質(zhì)量工程建設(shè)和教學(xué)改革進(jìn)行了探索和研究,并創(chuàng)建了“自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)”的實踐實驗教學(xué)模式。多年來,堅持自己的特色和創(chuàng)新舉措,突出人才培養(yǎng),學(xué)生科技創(chuàng)新能力突出,學(xué)生創(chuàng)新受益面大、創(chuàng)新層次高;學(xué)科競賽和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)成果豐碩。
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