劉小花,唐貴進(jìn),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(dá)學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225127)
在信息電子技術(shù)學(xué)習(xí)過(guò)程中,學(xué)生不僅要掌握相關(guān)理論知識(shí),而且要將理論應(yīng)用于實(shí)踐。實(shí)踐技能主要是在實(shí)驗(yàn)中獲得的,但是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室具有如下局限性:①電子實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴,學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中容易損壞芯片;②信息電子技術(shù)發(fā)展迅速,而實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新相對(duì)緩慢,不能及時(shí)支持實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的擴(kuò)展;③實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放時(shí)間與空間受到限制;④實(shí)驗(yàn)課程脫離理論課程內(nèi)容。近年來(lái),隨著Web與計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,為各種遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室[1-3]與虛擬實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)成為了教育信息化進(jìn)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(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué),大力推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革,創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法,將實(shí)踐教學(xué)與信息技術(shù)進(jìn)行深度融合是信息電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)[15-16]。當(dāng)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(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā),往往周期過(guò)長(zhǎng)。
目前在信息電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)界,如華為、愛(ài)立信等國(guó)際知名企業(yè),都是首先通過(guò)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(shí)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(kāi)發(fā)成本。為實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)界的無(wú)縫對(duì)接,并解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室存在的問(wèn)題,本文基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可持續(xù)性發(fā)展策略,深入研究信息電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)規(guī)律,構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革創(chuàng)新的新模式。
南京郵電大學(xué)信息電子虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心根據(jù)專(zhuān)業(yè)實(shí)際需求,規(guī)劃相應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,其是學(xué)校實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心——電子科學(xué)與技術(shù)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jì)、電磁場(chǎng)與微波技術(shù)、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化5個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),以及綜合創(chuàng)新、校企聯(lián)合2個(gè)虛擬仿真實(shí)踐平臺(tái),其中實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真平臺(tái)下共包括12個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K,如圖1所示。
圖1 仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)
本虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建立的5個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)與所依托的電子科學(xué)與技術(shù)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建立的實(shí)體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)形成了“虛實(shí)互補(bǔ)、相互支撐”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源格局,并與校企聯(lián)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)一同構(gòu)成完整的一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)體系。
虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索,具有方便共享、全面開(kāi)放、便于交互等諸多優(yōu)點(diǎn),從而彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)室的不足,為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)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(diǎn),涉及到電子材料、器件芯片、集成電路設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域。下面簡(jiǎn)要介紹目前信息電子技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的促進(jìn)作用。
(1)將抽象的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容形象展示出來(lái),提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。電子信息類(lèi)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容與理論課程內(nèi)容具有較強(qiáng)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真平臺(tái)可直觀(guān)、形象、生動(dòng)地向?qū)W生展示實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,以幫助學(xué)生更好地掌握專(zhuān)業(yè)知識(shí)與實(shí)踐技能。例如:通過(guò)虛擬平臺(tái)項(xiàng)目——基于射線(xiàn)跟蹤方法的電波傳播仿真與分析實(shí)驗(yàn)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(xiàn)追蹤方法,同時(shí)建立了有實(shí)用價(jià)值的室內(nèi)電波傳播模型。
(2)有效提升學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。在電子電路課程設(shè)計(jì)中,很多實(shí)驗(yàn)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(jì)等技能,并要求學(xué)生在完成基本指標(biāo)后進(jìn)行創(chuàng)新。整個(gè)設(shè)計(jì)難度大、電路復(fù)雜。學(xué)生可先通過(guò)仿真實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì),甚至可以對(duì)面包板進(jìn)行模擬布線(xiàn),從而大大節(jié)省實(shí)際操作時(shí)間,高質(zhì)量地實(shí)現(xiàn)基本指標(biāo)設(shè)計(jì),并能自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新。
(3)引導(dǎo)并培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神。高校實(shí)驗(yàn)室的軟硬件設(shè)備不足將影響實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目創(chuàng)新,特別是缺乏一些收費(fèi)昂貴的大型專(zhuān)業(yè)軟件,如業(yè)界主流用來(lái)進(jìn)行超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)的Cadence軟件。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可將教學(xué)重點(diǎn)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(shí)。實(shí)驗(yàn)教師引導(dǎo)學(xué)生利用虛擬實(shí)驗(yàn)室資源進(jìn)行自立、自為、自律的自主學(xué)習(xí),以及進(jìn)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(xiàng)目。
當(dāng)前在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,教師和學(xué)生越來(lái)越多地使用虛擬仿真。因此,實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要不斷根據(jù)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)特點(diǎn)與需要達(dá)到的實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行改革,以促進(jìn)虛擬仿真教學(xué)開(kāi)放平臺(tái)的良性發(fā)展。
(1)傳統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與專(zhuān)業(yè)特色實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相結(jié)合。凝練出以學(xué)生為本、理論知識(shí)傳授與實(shí)踐能力培養(yǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念,構(gòu)建基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與專(zhuān)業(yè)特色實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。針對(duì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),主要面向大二學(xué)生的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有:帶溫濕度顯示電子鐘、具有記憶力功能秒表設(shè)計(jì)與實(shí)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(jì)與實(shí)現(xiàn)、FPGA可編程門(mén)陣列實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)譯碼顯示等。除必修的課程設(shè)計(jì)外,在專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)方面也對(duì)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)、綜合的訓(xùn)練。針對(duì)專(zhuān)業(yè)特色實(shí)驗(yàn),涉及的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要有信息電子材料、信息電子器件、集成電路設(shè)計(jì)、電磁場(chǎng)與微波技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),例如集成電路設(shè)計(jì)平臺(tái)通過(guò)業(yè)界主流的設(shè)計(jì)仿真軟件實(shí)現(xiàn)不同層次與復(fù)雜度模擬的數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。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(jì)內(nèi)容,借助于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的推進(jìn),學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)、電路仿真、版圖設(shè)計(jì)、版圖驗(yàn)證、芯片測(cè)試等模擬集成電路設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容,學(xué)生可以完成從系統(tǒng)定義、RTL綜合、時(shí)序分析、可測(cè)性設(shè)計(jì)到版圖實(shí)現(xiàn)的完整數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)流程。同時(shí),配備了先進(jìn)的集成電路測(cè)試系統(tǒng),將虛擬仿真與實(shí)際硬件仿真相結(jié)合,以進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)功能的驗(yàn)證。圖2給出了南京郵電大學(xué)虛擬仿真平臺(tái)上一個(gè)典型的“虛實(shí)互補(bǔ)、互連共享”的射頻系統(tǒng)多層次實(shí)驗(yàn)流程。該實(shí)驗(yàn)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(guò)程,然后在實(shí)體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成加工,最后進(jìn)行測(cè)試。
圖2 射頻系統(tǒng)多層次實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。虛擬仿真平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中需要教師指導(dǎo)學(xué)生熟練運(yùn)用,學(xué)生在進(jìn)行真實(shí)的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)前,首先對(duì)實(shí)驗(yàn)課題進(jìn)行預(yù)習(xí),然后通過(guò)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化虛擬仿真平臺(tái)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬仿真,以對(duì)知識(shí)獲得更直觀(guān)、深入的理解[18]。依托優(yōu)質(zhì)的虛擬實(shí)驗(yàn)資源及網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),以大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃(STITP)項(xiàng)目、校企聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)項(xiàng)目、大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、各類(lèi)科學(xué)競(jìng)賽以及科研項(xiàng)目為載體,鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)參加科協(xié)、C&S協(xié)會(huì)及參與項(xiàng)目小組等方式,構(gòu)建出一個(gè)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(shí)驗(yàn)教學(xué)模式(見(jiàn)圖3),以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)踐能力及團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)教學(xué)模式
(3)教學(xué)名師與科研團(tuán)隊(duì)相結(jié)合的高素質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)不僅需充分反映出所屬學(xué)科的要求和特點(diǎn),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(jī)制[19]。同時(shí),建立開(kāi)放科研實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用能力、提高創(chuàng)新意識(shí)的有效途徑[20]。因此,需要打造出一支專(zhuān)兼結(jié)合、滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要的高素質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍。信息電子技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心有14個(gè)科研團(tuán)隊(duì),涉及專(zhuān)業(yè)包括計(jì)算電磁學(xué)與射頻器件、先進(jìn)電磁信息材料與器件、信號(hào)采集與智能處理、射頻與天線(xiàn)以及功率與射頻微電子等。目前30余項(xiàng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來(lái)源于科研成果轉(zhuǎn)化,如學(xué)生開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“基于柔性材料的平面單極子天線(xiàn)仿真分析”來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“智能環(huán)境網(wǎng)絡(luò)中的穿戴式傳感天線(xiàn)與體域傳播特性研究”。學(xué)生通過(guò)主持課題的指導(dǎo)教師接觸科研實(shí)驗(yàn)平臺(tái),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(jìn)”和“三出”人才培養(yǎng)模式。國(guó)際化是高等教育的發(fā)展趨勢(shì),為了提高人才培養(yǎng)質(zhì)量,本平臺(tái)積極與國(guó)際著名高校開(kāi)展合作,通過(guò)“引進(jìn)來(lái)”與“走出去”兩條線(xiàn)提升實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)涵,加大人才培養(yǎng)力度。“引進(jìn)來(lái)”也即“三進(jìn)”策略,指聘請(qǐng)國(guó)際知名專(zhuān)家、招聘高素質(zhì)優(yōu)秀人才、引進(jìn)國(guó)外優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。近年來(lái),本平臺(tái)所在中心通過(guò)柔性引進(jìn)與聘請(qǐng)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(guò)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(shí)驗(yàn)教學(xué)資源進(jìn)入課堂,以MOOC或現(xiàn)場(chǎng)專(zhuān)題講座等形式開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)。同時(shí)引進(jìn)有海外留學(xué)經(jīng)歷、視野寬廣的青年博士或博士后,充實(shí)到實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)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(guó)外進(jìn)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(guó)參加國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議。通過(guò)這些措施,致力于加強(qiáng)教育國(guó)際化,推動(dòng)跨文化學(xué)術(shù)交流。
(5)建立全面、共享、開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開(kāi)放共享有利于緩解學(xué)校實(shí)驗(yàn)資源不足的問(wèn)題,避免實(shí)驗(yàn)室重復(fù)建設(shè)[17]。各院系實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心按照“因材施教、講求實(shí)效、形式多樣”的原則,充分重視虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)放共享工作,將專(zhuān)業(yè)課教師、虛擬實(shí)驗(yàn)室教師及學(xué)校網(wǎng)絡(luò)中心人員加以整合,并對(duì)現(xiàn)有虛擬仿真教學(xué)的軟硬件資源進(jìn)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(kù),將分散的資源采用云技術(shù)進(jìn)行集中存儲(chǔ)與管理,建立相應(yīng)的教學(xué)管理平臺(tái),為網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)競(jìng)賽、課堂教學(xué)、自主學(xué)習(xí)等提供支撐。將用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研的設(shè)備儀器軟件開(kāi)放共享,統(tǒng)一進(jìn)行使用與管理,鼓勵(lì)與支持各教學(xué)及科研團(tuán)隊(duì)將教學(xué)、科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,將先進(jìn)的教學(xué)手段與教學(xué)思想引入實(shí)驗(yàn)教學(xué),以滿(mǎn)足本科生、研究生對(duì)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。另外,鑒于企業(yè)在虛擬仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)實(shí)力、技術(shù)服務(wù)等方面具有優(yōu)勢(shì)[21],通過(guò)與從事教學(xué)教育系統(tǒng)研究的企業(yè)進(jìn)行合作,能夠?qū)崿F(xiàn)教育信息化的可持續(xù)發(fā)展。
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(chǎng)與無(wú)線(xiàn)技術(shù)、通信工程等多個(gè)專(zhuān)業(yè),開(kāi)設(shè)了網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目100余項(xiàng),MOOC課程6門(mén),可以訪(fǎng)問(wèn)的網(wǎng)絡(luò)資源達(dá)到1 200GB。通過(guò)平臺(tái)的智能網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)及時(shí)發(fā)布實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放時(shí)間、設(shè)備資源狀況、指導(dǎo)教師答疑時(shí)間與聯(lián)系方式等信息,提升了實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)代化管理水平。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相結(jié)合,創(chuàng)建了一個(gè)將課程建設(shè)、教學(xué)互動(dòng)、過(guò)程管理、優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共建共享等功能融為一體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。信息電子類(lèi)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè),體現(xiàn)了電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)與信息技術(shù)的深度融合,開(kāi)創(chuàng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新模式。
依托該仿真平臺(tái),指導(dǎo)完成國(guó)家級(jí)、省級(jí)與校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目300余項(xiàng),其中國(guó)家級(jí)項(xiàng)目110余項(xiàng);組織完成了多屆全國(guó)與江蘇省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的培訓(xùn)與選拔工作,受益學(xué)生達(dá)到1 000人次/年。