基于电子信息技术的高校虚拟仿真实验教学平台构建研究

孙小亮

（河南牧业经济学院，河南 郑州 450046）

在互联网时代全面综合素质人才培养的要求下，教师需要搭建起虚拟仿真实验教学平台，开展电子信息技术理论、实验案例、科研成果的网络化教育，推动高校实验教学、校企合作共享、科研成果转化等活动的顺利开展。

1 虚拟仿真实验教学平台建设的重要意义

1.1 迎合新时代网络在线教育的数字化需求

虚拟仿真实验教学平台作为网络探索性的课程平台，主要通过一系列网络交互展示、仿真演示、智能运算等技术的应用，引导学生参与到专业课程的内容学习、互动实践之中。因而在互联网信息技术飞速发展，以及国家教育部门对网络教学的支持下，势必要利用最先进的仿真实验教学技术，开展新时代虚拟仿真实验课程教学，既符合网络数字化“智能+教育”的发展趋势，也可以带动高校专业教学体系、虚拟仿真实验设备的不断完善，对高等教育数字化发展具有重要的全局性意义。

1.2 创新专业课程的单一教育内容、教学方式

在社会市场有关全方位综合素质人才需求的指导下，不同专业课程内容、教学方式的改革创新，需引入虚拟仿真实验教学平台，进行理论知识内容、实践演示案例等的数字化教育，不断创新实验教学方式、师生交互方法。如电子信息技术的专业课程虚拟仿真实验教学，通过采取课堂讲授、虚拟仿真实验相结合的教学方式，可以有效创新电子信息技术教育内容、教学方式，调动学生学习参与积极性、自主实践探究能力，加强理论与实践的融合教学，提高学生在不同课外项目实践中的专业技能、问题解决能力。

1.3 促进专业课程教育的产学研一体化发展

面对电子信息技术、工业生产等操作执行日益复杂的环境，高校对于理工专业课程的教育教学，也要引入更多新的理论知识、实践应用案例，对现有的自动化控制与操作内容作出改革创新。而与此同时，高校教师还有着更多的产业实训、科学研究等任务工作，需要与专业课程教学协同进行。这一情况下，将虚拟仿真实验教学平台、实践项目内容，应用到电子信息技术等专业的课程教育之中，不仅可以构建起科学的教育知识体系，也能够对现有教学资源、智能教学实践的整合，以及带动教学、生产、科研活动的一体化发展，实现电子信息工程实践教育的创新。

2 虚拟仿真实验中心包含的主要实验室与组成配置

2.1 现代通信实验室

现代通信原理实验室，包括光纤通信网络、程控交换机、宽带接入端口等组成部分，通过围绕e-Bridge系统，形成交流实验平台、光传输实验平台、宽带接入实验平台、客户终端等结构之间的拓扑连接，利用e-Bridge软件进行网络数据的通信传输。在借助于现代通信实验室开展虚拟仿真教学过程中，主要根据不同学生的学习状况、个人喜好，引导其在现有电子信息理论的基础上，引入OSN3500、Metro1000和虚拟e-bridge配套软件，开展商用机上级实践、操作使用，加强脉冲编码、脉冲幅度调制与解调、普通双边带调幅与解调、差分移相键控调制与解调、二进制振幅键控、移频键控、抽样定理验证等的实训学习，使学生真正理论联系实际，参与到网络通信、数据传输处理中，并完成数据通信测量误差的分析。

2.2 电子技术仿真实验室

电子技术仿真实验室配备有专业的教学设备、仿真软件，包含网络计算机、数字存储示波器、合成函数信号发生器、稳压电源、模拟组合模块实验台、数字实验箱、数字万用表、交流毫伏表等组成构件，使其成为开放式的电子实验教学平台。所以电子技术仿真实验室的基本配置，可以用于单片机原理及应用、计算机辅助设计、MATLAB仿真技术、计算机绘图等课程中，开展计算机软件仿真、多媒体仿真的教学。

2.3 EDA技术实验室

EDA技术实验室主要用于FPGA项目、PCB项目的设计与制作，通常配备Smart EDA实训箱、单片机实验教学系统、EDA实验教学系统、网络计算机，以及与EDA技术相关的应用软件。在电子信息技术专业学生的课程教学、毕业设计、实习实训等过程中，利用SmartSOPC+ 多功能教学实验开发平台，进行PCB电路板设计与制作、FPGA语言编程教育，培训学生对FPGA理论知识、Verilog HDL编程语言的了解，解决逻辑编程中遇到的实际问题。

2.4 通信原理实验室

通信原理实验室是面向电子信息技术，以及通信技术的实验平台，可以为现代通信技术、通信原理、电子测量等专业课程的教学提供实验场所。当下通信原理实验室包括网络计算机、数字示波器、通信原理实验箱、频谱仪等装置，针对现代通信技术教学的课内实验，进行数字频带和基带传输、同步技术、复用技术、交换技术等的教育，完成通信网络系统总体设计，对一系列抽象的理论知识点，作出观察、实践与验证，提高学生的实验动手能力和业务素质。

3 基于电子信息技术下虚拟仿真实验教学平台的组成架构

当前高校虚拟仿真实验教学平台的建设，主要以电子信息技术专业课程为中心，围绕课内与课外、线上与线下、现实与虚拟等教学空间，构建起包括基本实验教学、科研成果转化、企业合作共享等平台网络模块，进行课程基础理论知识、虚拟仿真实验的组织教学，具体组成架构如图1所示。

图1

3.1 基础教学资源、实验案例的虚拟仿真平台

该开放式虚拟仿真平台采用B/S(浏览器/服务器)架构，利用实验室管理系统、门户网站等软件，针对不同电子信息技术专业课程，选择基础电子教学资源、实验案例，进行仿真实验系统的组织设计，包含系统设计、电子设计、工程应用等的虚拟仿真实验内容。

首先系统设计是针对网络计算机远程控制、NetFPUA路由器设置、虚拟对象系统集成设计等，进行相关应用程序仿真实验与执行。之后电子设计虚拟仿真系统，主要围绕数字电路、模拟电路和集成电路，开展片上系统虚拟仿真实验。而工程应用则包括机器人虚拟现实仿真、运动控制仿真、工业流程拟实仿真等方面内容，结合现有实验教学的实际，进行网络化实验资源整合、远程实验活动设计，学生只需在任何空间登录门户网站、教学管理系统，就可以完成实验流程参与、虚拟仿真操作和结果提交。

3.2 科研成果转化的虚拟仿真教学平台

在电子信息技术科学研究的虚拟仿真教学平台中，通常依托电子科学与技术、电子信息工程等学科内容，展开现有实验教学资源、科研成果的教育教学。该平台主要由虚拟现实仿真实验平台、应用软件与云计算共享实验平台等部分组成，通过面向电子工程人才培养，对网络计算机、后台数据库、云存储、电子设计自动化系统(EDA)等软硬件作出整合，培养学生对电子信息工程理论知识掌握、技术应用能力，来实现实验教学资源、科研成果向内在能力的转化。

3.3 校企合作共享的虚拟仿真教学平台

校企合作环境下电子信息技术的虚拟仿真教学平台，包括物联网虚拟实验平台、大学生科技创新实验平台，主要面向学生电子工程应用、创新能力，进行工程通用电路仿真、调试工作，从解决实际工程问题出发，进行整个虚拟仿真系统执行流程的控制、组态调试。通常教师会引导学生深入到企业实验室，与不同行业应用实际进行紧密结合，完成产学研项目开发、虚拟仿真电路设计和调试等工作，拓展学生在实验资源使用、探究学习中的合作意识。

4 电子信息技术虚拟仿真实验教学平台的管理功能实现

4.1 以学生为中心的实验教学管理

在电子信息技术虚拟仿真实验系统开发中，通常秉持着以学生为主体的需求导向方案，进行虚拟仿真实践教学环节、教学管理的组织规划。现阶段高校虚拟仿真实验教学管理，注重理论知识讲解、课堂实践操作等环节的管理，涵盖了实验预习、实验考勤、实验准备、实验流程、实验报告、实验成绩等多方面内容的考核与管理，以此调动学生参与电子信息技术实验学习的积极性、自主探究性，具体管理系统如图2所示。

图2

教师利用实验教学管理系统，在电子信息技术试验的开课计划执行前，进行实验室在线预约、实验课程安排、实验资源上传。之后电子信息技术虚拟仿真实验进行过程中，利用教学管理系统加强学生考勤、实验进展情况等的控制，并在现场对学生的实验结果做出打分。最后，在电子信息技术虚拟仿真实验结束后，对实验报告在线提交、批量导出，并统计与发布学生的实验成绩。

4.2 准确适宜的实验教学内容设置

虚拟仿真教学平台的课程实践内容设置，主要以问题为导向，结合专业课程教材大纲、实践案例，搭建用于课程实验设计、毕业设计、顶岗实习等的知识体系，教师与学生共同参与到虚拟仿真实训教学内容的定制、实践之中。如针对电子信息技术的社会实训教学计划，利用网络计算机、数字存储示波器、合成函数信号发生器、稳压电源、模拟组合模块实验台、数字实验箱等设备和仪器，结合e-Bridge虚拟实验软件，分层次、分步骤展开单片机原理及应用、程控交换、光纤通信等的虚拟仿真实验教学。同时借助于EDA技术实验室、DSP应用软件工具及其他实验资源，开展综合性的电子信息技术实验，包括专业课题研究、科研实验等，增强学生的动手实践操作能力、创新能力。

4.3 多样化虚拟仿真教学方式创新

高校电子信息工程专业课程的开设与实施，包括器件与电路、信号与处理、传输与控制、单元与系统等理论实践内容的教学。而这一专业课程的虚拟仿真教学执行中，要结合LahVIEW、DSP、Matlah、Opnet、Simulink、Quartus、Proteus等软件工具，对原有“教师讲解、学生接受”的单一化教学方式作出改革创新。其中LahVIEW、DSP、Matlah用于网络信号数据的采集、分析和仿真实验教学；Opnet、Simulink用于网络通信传输与控制的仿真实验教学；Quartus、Proteus用于嵌入式系统功能单元、集成系统设计的仿真实验教学。

5 结语

相比于传统以“老师讲、学生听”为主的理论知识灌输教学而言，虚拟仿真实验教学平台，可以通过在线教学服务、技术支持等业务的提供，对不同电子信息课题、专业理论内容、实践案例等进行仿真操作，验证提出的电子信息问题、实验步骤是否准确。通过多种实验教学平台、仿真技术软件的应用，有助于将碎片化电子信息理论、实验内容进行整合归纳，引导学生展开学习探究，帮助其构建起完整的知识体系，提高学生的课堂参与实践、创新能力。