虛實結合分層遞進的電子信息工程實驗體系建設

周亞同, 武 一, 常和玲, 馬 杰

(河北工業大學 電子信息工程學院, 天津 300401)

虛實結合分層遞進的電子信息工程實驗體系建設

周亞同, 武 一, 常和玲, 馬 杰

(河北工業大學 電子信息工程學院, 天津 300401)

電子信息工程專業現有的實操型實驗分為基礎型、拓展型、綜合型和創新型等4個逐步遞進的層次。這種“分層遞進”的傳統實驗教學體系具有設備費用昂高、損耗大、污染嚴重等固有弱點。為此提出將實操型實驗與虛擬仿真實驗相結合，通過研制開發和引進購置虛擬仿真實驗模塊，構建“虛實結合、分層遞進”的全新實驗教學體系，達到這兩種實驗室教學模式優勢互補的目的。并給出兩個虛實結合的實驗教學案例，以此展示新教學體系的優勢。新實驗教學體系將現代科技與傳統教學相融合，既增強了學生的學習興趣和分析創新能力，又提高了實驗教學質量和學生學習效率，對工科專業實驗教學研究有一定參考價值。

電子信息工程； 虛實結合； 分層遞進； 實驗平臺建設

0 引 言

隨著京津冀協同發展規劃綱要出臺，培養符合本區域電子信息工程類產業發展需求的復合型、應用型、創新型人才已成為當地高校的重要目標之一[1]。在人才培養的整個環節中，實驗教學是很重要的一環。尤其對理工科院校培養學生動手實踐能力、開發創新意識以及提升大學生綜合素質等方面舉足輕重[2]。

河北工業大學作為河北省唯一“211”重點工科類大學，秉承“工學并舉”的辦學傳統和特色，在為京津冀地區培養電子信息類高等工程人才方面扮演著重要角色[3]。經過多年發展，我校在原有電子信息工程實驗室基礎上不斷擴充，購置了大批先進實驗設備，培養了一批合格的實驗教學隊伍，開拓了一些校企合作實驗基地，初步形成了較為完備的實操型實驗教學體系。在這套體系中，“分層遞進”是其一大特色。即把所有實驗分成基礎型實驗、拓展型實驗、綜合型實驗、創新型實驗等4個逐步遞進的層次。但上面這種傳統實操型實驗體系有其固有弱點，例如教學形式單一、受時間空間限制較大、部分實驗成本較高等[4]。當前虛擬仿真實驗技術已逐步走向成熟，如何有效將虛擬仿真實驗與傳統實操型實驗結合起來，構建“虛實結合、分層遞進”的實驗教學體系，是目前我校實驗建設亟待解決的重要問題。

1 虛實結合分層遞進實驗教學體系的必要性

虛擬仿真實驗教學旨在結合當今高速發展的計算機技術，通過軟件模擬仿真技術達到真實的實驗效果，是目前各高校高度重視的實驗教學體系新模式[5-6]。它克服了傳統實操型教學實驗暴露的一些缺陷和不足，如設備費用昂貴、損耗大、污染嚴重等；解決了傳統實驗教學形式單一、受限于時間和空間等條件限制。但是虛擬仿真實驗同樣也存在不足:① 回避了實操型實驗在理工科專業實驗教學的重要地位[7];② 不能完全顯示實操型實驗由于操作細節失誤及具體環境變化所導致的各種誤差的出現以及相應的解決辦法，致使學生不能很好學習并處理實際問題的能力等。因此實操型實驗的優勢和處理實際問題的能力同樣不能忽視[8]。最佳辦法是將二者融合，形成“虛實結合”的新實驗教學體系。

目前我校的實操型實驗采用“分層遞進”體系，該體系具有明顯優勢，在把實驗分成基礎型實驗、拓展型實驗、綜合型實驗、創新型實驗等4個逐步遞進的層次以后，基于不同年級學生的工程背景和知識體系引導學生循序漸進地進入各自的實驗層次，完成相應的實踐訓練內容[9]。在打好基礎之后，逐步推進到更高層次的平臺學習，長此以往勢必會提高學生對實驗學習的信心和興趣，逐步提高和鍛煉學生綜合分析和創新能力?；谝陨显?，電子信息工程專業提出將分層遞進和虛實結合，構建“虛實結合、分層遞進”的完整實驗體系。

2 現有分層遞進的實操型實驗教學體系

通過轉變實驗教學觀念、優化實驗教學內容，電子信息工程專業對實驗教學體系進行了一系列改革與探索，完善基礎實驗、課程設計、生產實習、畢業實習與畢業設計等各個環節，豐富基本訓練、拓展訓練、綜合提高、創新設計等不同層次的實驗教學內容，最終形成了分層遞進的實操型實驗教學體系(見圖1)。具體分成基礎型實驗、拓展型實驗、綜合型實驗、創新型實驗等4個層次。其中基礎型實驗是讓學生掌握最基本的軟件應用及硬件認知；拓展型實驗指導學生能夠熟悉掌握最基本的專業實驗技能；綜合型實驗指導學生在掌握基本設計的基礎上進一步提高綜合設計能力；創新型型實驗引導學生對學過的所有技能進行整合延伸，培養科學研究能力。

圖1 電子信息工程專業實操型實驗的分層遞進關系圖

2.1 加強實驗教學隊伍建設

為了使上述分層遞進的實操型實驗教學體系有效運轉，電子信息工程專業不斷充實實驗教學隊伍，匯聚了一批高水平的實驗教師和工程技術人員。為進一步調動實驗教師積極性，提高教學實驗水平，更好地發揮技術人員在實驗教學中的作用，還采用校外聘請企業科研人員參與實驗的方式，將實驗研究與社會應用相結合，使畢業生更快適應于社會企業的需要。另外從國內外著名高校引進年輕博士充實實驗教師隊伍，并為他們提供培訓和進修機會。

2.2 創建校企合作實驗基地

在分層遞進實操型實驗教學體系中，生產實習、電子系統綜合設計、大學生創新創業項目、畢業設計創新課題等環節，都離不開校外企業支持和配合。根據學校所在地天津對電子信息類人才的需求，建立了學校與社會協同培養人才的新機制。聯合社會資源，利用社會力量，共建實驗室與創新基地、實習和工程實踐基地等，向社會輸送更多迅速適應市場需求的人才，提高學生就業率，增加學生的就業前景[10-12]。

3 虛實結合分層遞進的實驗教學體系探索

為了充實完善上述分層遞進的實操型實驗教學體系，電子信息工程專業研制開發和引進了一些虛擬仿真實驗模塊，初步形成了虛實結合的新實驗教學體系(見圖2)。從縱向看體現的是分層遞進，從橫向看體現的是虛實結合。學生在虛擬環境中可以通過搭建實驗原理框圖，調節虛擬儀器參數，模擬真實的電路實驗過程。通過對各種虛擬儀器設備表觀察電路仿真的結果，學生熟悉實驗操作，把課本知識聯系起來，鞏固所學知識增強學習興趣，提高設計和實踐動手能力[13]。接下來再在實物儀器設備上進行操作，這樣既熟悉了實驗原理；又避免了實驗器材因不合理使用而造成成本的增加[14-15]。

圖2 我校電子信息工程虛實結合分層遞進實驗教學體系圖

虛實結合的實驗教學體系避免實操型實驗的時空限制，通過虛擬平臺設計搭建仿真，結合實物硬件配置調試。虛實結合優勢互補，既彌補了傳統實操型實驗經費大量投入、實驗器材損耗大的不足，又改善了學生僅做過于理想化虛擬實驗而無法處理排除真實環境產生的各種故障和誤差的能力。教師在整個實驗體系中起到演示講解、啟發指導、幫助探究的作用，學生則通過認證觀摩老師講解，再反復練習，熟悉深化掌握，達到綜合分析、自行創新的能力。從而逐步引導學生由基礎、提高再深化到科學研究能力。該實驗體系還很容易實現科教互哺，讓本科生提前進入教師課題組參加科研項目，由導師指導學生完成一些綜合型實驗和創新型實驗。導師也可以將科研成果應用于實驗教學，實現科研與教學互促進，提升學生的科學研究和科技創新能力[16]。

4 虛實結合的實驗教學案例剖析

4.1 案例1：電子線路虛實結合實驗舉例

電子信息工程專業的學生在開展電子線路課程(非線性部分)實驗時，涉及的元器件非常多，電路結構復雜，在正式進行實物操作前，通過虛擬仿真實驗既可以熟悉電路搭建又可以有效減少元器件在實操型試驗中的損耗。以互補對稱功率放大器實驗為例：圖3為虛擬仿真實驗平臺以及仿真調試結果，圖4所示為實操型實驗使用的電路板等相關硬件元件。

圖3 互補對稱功率放大器電路虛擬仿真效果

圖4 互補對稱功率放大器電路實驗平臺

在具體實驗中首先結合教材給出的電路圖。然后利用虛擬仿真實驗平臺的電路設計和仿真功能以及電路參數調節的靈活性，建立OTL低頻功率放大電路仿真并確定直流工作點，測量放大器的功率性能指標，弄清自舉電容在電路中的作用，利用仿真平臺自帶的虛擬儀器進行測試。最后在電路板上進行真實實現，并對實際電路進行各種測試，將虛擬仿真結果和實際實驗結果進行比對分析。

4.2 案例2：信號與信息處理虛實結合實驗舉例

電子信息工程專業的學生在學習通信原理課程時，做“單邊帶調幅的波形及頻譜分析”實驗。該實驗目的是為了讓學生掌握單邊帶調幅信號的波形并對其進行頻譜分析，同時研究信道噪聲對調幅信號的影響。如圖5所示，首先讓學生使用虛擬仿真實驗方式構建簡單的仿真系統，了解實驗電路原理，觀察仿真實驗的效果。接下來在圖6所示的通信原理綜合試驗箱上實際操作，結合示波器觀察輸出波形的變化。最后將虛實兩種實驗結果對比，并對二者的誤差進行分析總結。

圖5 單邊帶調幅波形及頻譜虛擬仿真實驗

圖6 在通信原理實驗箱上進行單邊帶調幅實物實驗

上述虛實結合實驗方式集單邊帶調幅信號分析、處理、仿真、調試于一體，使電子信息工程的學生對常見調幅信號的時頻域特征有比較清楚的認識，對調幅信號通過通信系統進行處理、傳輸的基本方法有比較好地掌握，同時對于實現系統的軟硬件設計方法、特點、技巧以及軟硬件的結合有比較系統了解，做到學以致用的同時培養了學生的創新能力。

5 結 語

電子信息工程專業在多年的實驗教學改革中，形成了分層遞進的實驗教學體系，但是該體系在實際運行中暴露出不少缺點。為此提出將實操型實驗與虛擬仿真實驗相結合，通過研制開發和引進購置虛擬仿真實驗模塊，構建“虛實結合、分層遞進”的全新實驗教學體系。該體系使得學生可以先在虛擬實驗平臺上預習設計，大膽進行各種實驗操作，放心修改調試，無需顧慮器件浪費以及硬件整體的破壞，減少因為操作不當而損壞實驗設備。然后在實操平臺上進行配置調試，總結由于環境因素造成的各種誤差及錯誤。實驗教學表明，新的教學體系開闊了學生的視野，增強了學生的學習興趣和分析創新能力，同時，也提高了實驗教學質量和教學效率，促進實驗教學內容的不斷更新，為工科專業的實驗教學研究提供參考。

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Construction of Experiment System for Electronic Information Engineering Based on Virtual-real Combination and Graduated Progress

ZHOUYatong,WUYi,CHANGHeling,MAJie

(School of Electronic and Information Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China)

The practical operation experiment system is composed four hierarchically levels structure for electronic information engineering in our school, i.e., the basic type, expanding type, the comprehensive level and the innovative model. Because the traditional experimental teaching system of "layered progress" has its inherent weakness, such as higher equipment cost, larger waste and serious pollution, we propose to combine physical experiments with virtual simulation experiments by developing and purchasing virtual simulation module. It then forms a new experimental teaching system of virtual-real combination and graduated progress. The new system achieves the purpose of complementary advantages of two laboratory teaching modes. To show the advantages of this new teaching system, we demonstrate two experiment teaching cases based on the virtual-real combination. Through blending modern technology and traditional experiment teaching, we not only enhance students the interest in learning and the ability in innovation or analysis, and also improve the experimental teaching quality and students learning efficiency. Thus, it has certain reference values for construction of engineering professional experiment teaching system.

electronic information engineering; virtual-real combination; graduated progress; construction of experiment platform

2016-08-22

教育部人文社會科學研究規劃基金(15YJA630108); 河北省教學改革項目(2015GJJG019)資助

周亞同(1973-)，男，湖北松滋人，博士，教授，通信工程系系主任，長期從事通信工程專業教學管理、科研及實驗室建設等。

Tel.:18649020811; E-mail:zyt@hebut.edu.cn

G 642

A

1006-7167(2017)05-0093-04