信息电子技术虚拟仿真实验教学中心建设的探索与实践

程 勇， 孙科学， 郭宇锋， 黄 刚(南京邮电大学 .电子与光学工程学院,微电子学院;.资产管理与实验室建设处,南京 210023)

0 引 言

信息电子是当今科技领域中发展最为迅速、应用最为广泛的产业之一，业界激烈技术竞争以及信息通信技术的发展给电子行业带来了挑战。如何在产品设计阶段对产品性能进行评估，从而保证最终产品满足预计的性能要求是产业界非常关注的问题[1-3]，当前的许多新的技术和产品的复杂度越来越高，通过传统的研发手段和流程来实现，则设计周期过长，而且难以实现。例如当前通信界正在开展的第五代移动通信的研发和推广工作，由于系统复杂，牵涉面广，诸如系统所牵涉到的毫米波多址接入技术、大规模MIMO天线技术、新型调制技术等一系列的关键技术。目前华为、爱立信等国际知名企业都是通过前期的虚拟仿真技术对系统性能进行分析和评估，通过高效建模方法，重建演化规律以及各种相互关系描述，对其中种类繁多、构形复杂的信息做出准确、完备的描述，实现硬件软化，才投入设备生产，从而大大缩短研发周期，提高设备研发的成功率，虚拟仿真已经成为信息电子技术产业发展的必然途径[4-5]。

在当今社会处于工业化4.0和“互联网+”的发展背景下，面向我国对信息电子相关专业工程型创新型人才培养的迫切需求，虚拟仿真具有实体实验无可比拟的优势，通过虚实结合、虚实互补的实验教学模式，可以为培养学生的综合应用能力、工程实践能力、创新能力提供必要条件，是工程型创新型信息电子人才培养的必然需求[6]。

信息电子技术产业界通常采用仿真模拟、封装测试、正式生产的企业运作模式，为实现人才培养与产业界无缝对接，高校必需加强虚拟仿真实验教学环节的设置与建设。高校现有实体实验教学资源无法为所有学生参与认识实习、生产实习、专业实习、毕业设计等工程实践环节提供充足条件，因为虚拟仿真具有不需实验场所、真实再现实体实验等优势，因此迫切需要虚拟仿真教学资源给予必要补充与有力支撑。

针对未来先进的信息电子技术和学科发展前沿问题，高校没有条件实现实体实验，例如14 nm的集成电路设计等技术，虚拟仿真实验是了解先进信息电子技术的有效途径，可以有效引导学生的创新意识和培养学生的创新能力。传统的高校创新人才培养模式已经远落后于当前信息电子技术的发展，仅仅依靠课堂教学和实体实验难以实现信息电子相关专业学生的创新能力培养。这就要求改革高校创新人才培养模式，通过引入虚拟仿真技术，构建面向创新能力培养的虚拟仿真平台，丰富教学内容，拓展实践领域，更好地推动信息电子化条件下的创新能力培养[7]。

高等教育的根本任务是培养具有创新精神和工程素养的高级人才[8-9]。信息电子技术虚拟仿真实验教学中心建设以实践能力提升为出发点[10-13]，以创新能力和工程能力提升为目标[14-15]，将实体实验和虚拟实验有机结合，形成了三结合的实验教学平台，完善了一体化的实践实验课程体系；同时实验中心围绕电子信息实验实践能力培养，对“实践为基、创新为重、工程为要”的质量工程建设和教学改革进行了探索和研究，并创建了“自主学习、探究学习、协作学习”的实践实验教学模式。多年来，坚持特色和创新举措，取得了突出的人才培养成效和示范效应。

1 信息电子技术虚拟仿真实验教学中心简介

南京邮电大学是国家工业和信息化部与江苏省人民政府共建的以信息与通信为特色的高水平教学研究型大学，办学70年来，不断践行“厚德、弘毅、求是、笃行”的校训，深入实施“质量立校、人才强校、特色兴校、创新活校”的方针，综合办学实力和整体办学水平不断提升。

随着计算机技术和电路设计的发展，我校从1985年开始引入虚拟仿真实验CAA，1990年设立虚拟仿真实验课程。之后，虚拟仿真实验建设呈体系化发展，目前已形成面向全校、突出工程、学用结合、虚实互补、实体和虚拟并行发展的信息电子实验教学体系。在长期的发展过程中，依托 “电子科学与技术”一级学科博士点、江苏省重点学科“电磁场与微波技术”、江苏省重点序列学科“智能电网与控制技术”的学科优势；依托“江苏省射频与微纳电子技术重点实验室”“江苏省射频集成与微组装工程实验室”等科研平台；依托电子科学与技术等国家特色专业、教育部卓越工程师培养教育计划专业、教育部工程教育专业认证专业、教育部高等学校专业综合改革试点专业、省级品牌专业；依托“国家级电子科学与技术实验教学示范中心”“江苏省射频与微纳电子综合训练中心”“江苏省电工电子实验教学示范中心”和数十个校企合作实验室和企业实习基地。

2 信息电子技术虚拟仿真实验教学中心实验平台建设

中心长期以来始终坚持以实践能力提升为出发点，以创新能力和工程能力提升为目标，充分利用计算机和互联网的最新技术进展，将实体实验和虚拟实验有机结合，形成了富有特色的实验平台体系、实践课程体系和质量保障体系，构成了完善的信息电子类实验教学体系。

中心目前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和综合创新、校企联合2个虚拟仿真实践平台，其中5个实验教学平台共包含12个虚拟仿真实验模块，如图1所示。以学生的学习和发展为中心，围绕学生的复杂工程创新能力培养，中心所建立的这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9个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和综合创新实验平台一起，构成了完整的一体化实验教学平台体系。在实验课程方面，中心一贯坚持以“虚实结合、校企结合、教研结合、资源共享”为建设理念，以“虚实互补、以虚促实、以实证虚、能实不虚”为原则，以培养信息电子技术领域创新性、工程性高素质人才为目标，建立了“基础与专业一体、理论与实验一体、设计与工程一体”的分层次实验教学课程体系。

图1 中心平台结构图

实验实践教学体系在我校信息类人才培养中发挥了重要的作用。中心作为重要支撑的电子科学与技术、电子信息工程和通信工程3个专业分别通过了全国工程教育专业认证。在专家现场考察过程中和最终的认证报告中，考查专家对中心的建设理念、教学改革、平台体系、课程体系、教学模式和质量保障等都给予了高度评价。“信息学科高素质创新人才培养体系的研究与实践”“培养电子设计创新人才的教学与实践”“基于工程实践和创新能力提升的信息类专业教学改革探索与实践”“学为中心的地方高校教学质量保障体系研究与实践”等一系列成果连续获得国家级和省级教学成果奖。

3 虚拟仿真实验教学中心建设的特色与创新

(1) 贯彻“实践为基、创新为重、工程为要”的教学改革探索。始终坚持以实践能力提升为出发点，以创新能力和工程能力提升为目标，持续坚持教育教学改革探索，大力加强实验实践教学，创新人才培养改革模式，推进课程、教材建设与资源共享，建设教学团队与高水平教师队伍，在本科教学质量工程建设中成效显著。10余年来，标志性成果不间断地获得江苏省高等教育教学成果一等奖。2001年，在实施创新教育，培养电子设计创新人才方面做了大量探索工作，逐步形成了“常规教学与强化训练相结合、课内教学与课外科技活动相结合”的创新人才培养机制，其成果“培养电子设计创新人才的教学与实践” 获得江苏省高等教育教学成果一等奖；2005年，以“加强基础，拓宽专业口径，改善学生知识结构，全面培养学生能力，充分发挥学生对学习的主动性和积极性”为指导思想，积极实施宽口径专业人才培养方案，采用“2+2”教学模式，其成果“电气与信息类宽口径专业人才培养模式改革的研究”获得江苏省高等教育教学成果一等奖；学院不断倡导利用计算机技术结合实验验证的虚实结合的方式提高创新能力，其研究成果“信息学科高素质创新人才培养体系的研究与实践”在2007年和2009年分别获得江苏省教学成果特等奖和国家教学成果一等奖； 2009年，以电子科学与技术专业建设为契机，通过凝练专业方向、构筑实验平台、整合教学资源、优化课程体系，在学生的实践能力和创新能力培养方面取得了显著成绩，其成果“电子科学与技术专业建设的探索与实践”获得江苏省高等教育教学成果一等奖；在信息技术向多学科、多领域交叉与融合的大信息时代，充分吸收了国际大工程大信息教育的新成果，把实践教学作为一种通识教育贯穿人才培养全过程，在实验实践教学中，学院建立了基于工程能力达成度评价的双闭环的实践教学质量保障体系，保证了能力培养的达成度的完成。

(2) 构建“虚实结合、校企结合、教研结合”的实验教学平台。建立了的5个虚拟仿真实验平台与9个实体实验平台形成了“虚实互补、相互支撑”的一体化的实验教学资源格局，并与校企联合实验平台和综合创新实验平台一起，构成了完整的一体化实验教学平台体系，如图2所示。形成虚拟仿真实验与实体实验相结合的模式，做到“虚实结合、能实不虚”。

与校外企业密切合作，与多个知名电子类企业建立了联合实验室、共建实验室，构成了共建虚拟仿真平台。其中包含“南京邮电大学—美国德州仪器大学生创新学院模拟技术联合实验室”“南京邮电大学—美国德州仪器大学生创新学院MSP430单片机联合实验室”等11个实验室，通过企业家进课堂、企业项目进课程、学生进企业实习、学生进企业进行毕业设计、教师进企业挂职的多种方式，加强产学合作教育，对于学生培养工程意识，提升综合实践的素养，激发主动性和积极性均具有重要意义。

教研结合是我们长期秉承实验教学原则，充分利用学科所拥有科研平台的先进性，开展虚拟仿真的实验实践教学活动，近3年学院教师承担并完成80余项包括科技部重大专项、国家自然科学基金等高水平的科研项目，主持科研的教师通过将课题成果提炼分解转化为实验项目，融入实验教学，通过课堂实验、课程设计、毕业设计、大学生创新创业计划等方式，进行虚拟仿真实验教学。此类实验教学极大地培养了学生的创新意识和实践能力，目前有20余项虚拟仿真实验项目来源于教师的科研成果转化。

图2 “虚实互补、相互支撑”的一体化实验教学平台体系

(3) 完善创新实践实验课程体系。以培养电子信息技术领域多元化、全方位的高素质人才为目标，建立了“基础与专业一体、理论与实验一体、设计与工程一体”的实践实验教学课程体系，涵盖了电子信息材料、电子信息器件、电子信息电路以及电子信息系统等4个方向。该体系的形成满足了从基础技能到专业知识再到创新综合的实践能力培养要求，体现了从学科基础知识过渡到专业综合技能再到研究与创新能力培养的教学教育规律，取得了显著成效。在基础实验层次中，为了增加学生知识的广度，拓展学生视野，开设了电子材料类、电工电子类、信号与系统类等虚拟仿真实验课程，为电子信息领域的学生的专业学习奠定了电子、物理、信息等学科基础。在专业实验层次中，开设集成电路类、电磁场类、电子电路类等虚拟仿真实验课程，注重学生已有知识体系和认知特点，充分考虑不同年级学生的能力层次和个体差异，由易到难、由浅入深、循序渐进，体现了从基础技能到专业能力培养要求。在综合创新层次中，借助大学生电子设计竞赛、大学生创新训练计划、开放实验、校企联合实验室和科技社团活动等方式，实现了对学生创新能力训练的全覆盖。建立了“基础与专业一体、理论与实验一体、设计与工程一体”的分层次实验教学课程体系(见图3)。

图3 中心实验课程体系

基于本中心的教学资源，完成了100余项国家级大学生创新训练计划，30余项国家级大学生电子类设计竞赛奖，注册公司34个。

(4) 探索电子信息技术实验教学新方法。在现代信息技术与实验教学的深度融合下，建立了教学资源丰富、技术和管理水平先进的电子信息技术实践实验平台。依托优质实验室资源、雄厚师资力量和网络平台保障，以大学生创新训练计划项目、校企联合实验室开放项目、大学生电子设计竞赛和各类科学竞赛研究为载体，鼓励学生参加科协、C&S协会和课外兴趣小组等方式，多角度全方位地推进信息化条件下自立、自为、自律的自主学习，进行探索、发现、创造的探究学习，开展竞争、辩论、合作的协作学习。在教学过程中，始终贯彻以培养人才、提升学生实践能力为己任，深入研究实验实践教学规律，构建实验教学改革创新的新局面。在“自主学习、探究学习、协作学习”实验实践教学培养模式下，近3年来学院学生的基础实践能力、综合设计能力和创新能力均得到了显著提升，国家级大学生创新训练计划项目数逐年迅速增加，大学生电子设计竞赛的获奖纪录稳居江苏省属高校前列，各类竞赛学术成果悉数呈现，毕业生社会认可度高，在知名电子信息产业发挥重要作用。

4 实验教学效果与成果

多年来，中心坚持自己的特色和创新举措，取得了突出的人才培养成效和示范效应。学生科技创新能力突出，学生创新受益面大、创新层次高，年接待学生1 300人以上；学科竞赛和创新创业成果丰硕，特别是电子设计竞赛。我校先后2次获最高奖“索尼杯”和“瑞萨杯”，近3年获得省级以上电赛奖237项，其中国家级33项；根据麦可思报告、江苏省就业报告、清华大学NSSE-China等的第三方报告，毕业生就业质量高、从业竞争力强。

中心建设成效产生了重要的辐射和示范效应，同行专家评价高，高校示范作用明显。“电子科学与技术”和“通信工程”专业分别于2013年和2016年通过全国工程教育专业认证，在专家现场考察过程中，对中心建设理念、教学改革、平台体系、课程体系、教学模式等都给予了高度评价。近年来中心接待了北京理工大学、北京工业大学、北京邮电大学、中国矿业大学、重庆邮电大学、贵州大学、南京理工大学等国内知名高校的考察和交流40余次，对中心体制、教学模式和成果、管理方法均给予高度评价。此外，由于在电子创新能力培养和竞赛方面取得的优异成绩，受全国大学生电子设计竞赛组委会委托，中心承办了2013年全国大学生电子设计竞赛的全国复测，受江苏省大学生电子设计竞赛组委会委托，承办了2013年全国大学生电子设计竞赛的全程测试，接待了来自全国近200所高校、3 000余名师生，参赛队员以及组委会对中心的软硬件条件、组织管理工作和取得的建设成绩给予高度评价。中心老师编写的教材也被西安电子科技大学、西安交通大学、哈尔滨工程大学、南京航空航天大学、湘潭大学等多所高校采用，发挥了显著的示范作用。

5 结 语

国家级实验教学中心是新时期教育改革发展的重要组成部分。本文结合国家级实验教学示范中心的建设经验，介绍了信息电子技术虚拟仿真实验教学中心在实验教学改革及教学体系建设方面的探索与实践。中心建设以实践能力提升为出发点，以创新能力和工程能力提升为目标，将实体实验和虚拟实验有机结合，形成了“虚实结合、校企结合、教研结合”的实验教学平台，完善了“基础与专业一体、理论与实验一体、设计与工程一体”的实践实验课程体系；围绕电子信息实验实践能力培养，对“实践为基、创新为重、工程为要”的质量工程建设和教学改革进行了探索和研究，并创建了“自主学习、探究学习、协作学习”的实践实验教学模式。多年来，坚持自己的特色和创新举措，突出人才培养，学生科技创新能力突出，学生创新受益面大、创新层次高；学科竞赛和创新创业成果丰硕。

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