基于虚拟仿真与项目实训的“系统综合设计实验”新工科课程改革

【摘""要】针对传统“系统综合设计实验”课程存在的教学内容较单一、实验的设计性和创新性低、学生和教师互动较少和学生主观能动性不能得到积极调动等问题，文章以培养创新型卓越新工科嵌入式系统开发人才为目标，构建了基于PROTEUS虚拟仿真的嵌入式系统综合设计实验教学平台，以提升实验效率；设计了一系列创新性综合实训项目，以贴近工程实战；提出了“三七穿插式”教学模式，以增强师生互动，并探索建立了符合新工科特点的多维实验考核评价新体系，使“系统综合设计实验”成为一门具有创新性、综合性、实践性的新工科实训课程。【关键词】“系统综合设计实验”课程；虚拟仿真；项目实训；新工科一、引言“系统综合设计实验”是电子信息类专业本科必修课程群中一门重要的实践课程，要求学生能将嵌入式处理器、嵌入式操作系统及外围模拟器件相结合完成电路系统软硬件设计及PCB制作和系统调试，其理论性、实践性、综合性和应用性都很强。然而，传统教学中存在以下几方面问题。一是虽实行了先基础验证后综合探究的教学方案，但教学内容相对单一，基础验证性实验比重大，设计性和综合应用性实验少，与实际产业需求脱节严重；二是系统综合设计实验箱因体积限制，硬件资源有限，且课程的时间、场地、设备固定，弱化了“优化课内、强化课外”的教学意识；三是实验过程中学生和教师互动不多，缺乏学生对实验效果的反馈，学生的主体作用得不到很好发挥，教学效果较差；四是综合探究环节的时间安排靠后，学生设计和创新的机会较少，不能有效调动学生学习的主观能动性，不利于学生创新精神的培养。为解决上述问题，使“系统综合设计实验”课程实现培养多元化、创新型卓越工程人才的新工科人才培养目标[1-2]，教改团队革新传统实验教学方法，构建了基于PROTEUS虚拟仿真的嵌入式系统综合设计实验教学平台，并引入企业化项目驱动式工程实训，将课程打造成为一门具有创新性、综合性、实践性的新工科实验课程。二、“系统综合设计实验”课程改革内容（一）构建虚拟仿真实验平台，打破传统实验时间、场地、设备的限制以混合仿真软件PROTEUS为基础，构建一个和硬件实验箱相辅相成的虚拟化嵌入式系统综合设计实验教学平台，使学生可以打破时间、空间及实验箱的限制，先在虚拟仿真平台上进行代码调试后，再到实验室进行硬件下载验证，极大地节省了课内基础性实验所需的时间，为后期综合实训拓展了课时，提升了综合实验效果[3]。（二）设置开放性项目式实训环节，培养创新型卓越工程科技人才借助虚拟仿真平台，在课程设置中加入开放性项目式实训环节，设计一系列以当今信息科技领域主流技术为核心的创新性综合实训项目，并给学生充分的自由度以自主设计或创新实验系统，使“系统综合设计实验”成为一门既有课内软硬件基础实验，又有课内外实践的综合性创新项目驱动式实训课程。（三）指导学生进行二次创新，提升学生就业竞争力在实训过程中教师指导学生根据实训项目进行二次创新，形成了多项相关专利申请，并具有一定的学术价值。课程培养的创新型卓越工程科技人才成为科技型企业竞相争夺的人力资源，大大提升了学生的就业竞争力。（四）探索“三七穿插式”行进式互动开放实验教学新模式根据工科学生实际情况并结合建设的虚拟仿真综合设计实验教学平台和实验室网络门禁系统，教改团队提出“三七穿插式”行进式互动开放实验教学模式，增强学生与教师的互动，使学生形成“学习—实践—反哺理论知识点的再学习—再实践”的良性循环。三、“系统综合设计实验”课程改革的实施方法（一）构建基于PROTEUS虚拟仿真的综合设计实验教学平台，提升实验效率及效果由于课程涉及嵌入式微处理器相关的软硬件系统开发，而PROTEUS软件除了可以进行硬件电路仿真外，还可以仿真嵌入式系统软硬件运行环境，因此，教改团队设计了一套基于PROTEUS软件的虚拟仿真平台与现有实验箱搭配使用，如图1所示。课前，学生预习实验内容并在虚拟仿真平台上进行实验连线、程序编写和虚拟仿真调试，调用虚拟仪器即可在界面中看到对应的显示结果。实训过程为类企业项目管理式的实战训练，完全参考企业的项目驱动运行过程，定期进行项目总结汇报，让实验教育贴近工程实战。实训包含工程项目的全流程：需求评估→硬件原理图设计→硬件搭建→软件设计、实现、完成仿真验证后，学生再进入实验室将代码载入硬件实验箱观察实际效果以验证结果。这极大地节省了课内基础性实验所需的时间，为后期综合实训拓展了课时。（二）设置“类企业式”项目驱动式工程实训环节，鼓励学生二次创新申请专利课程设置10个教学周为开放性实训环节，实训项目既可以参考教师设计的多种与时俱进的综合实训项目（图2），也可由学生根据兴趣自主创新实训案例，鼓励学生将创新性课外实践项目带入实训过程。电子技术的发展日新月异，无线、高速、集成、智能成为发展主流。教改团队通过引入大量新器件、新模块来加强综合实训项目的先进性与趣味性（图3）。例如，引入现代通信技术，包括使用蓝牙、ZigBee、WIFI、XBEE、LORA、UWB、NFC、物联网等通信模块；引入现代传感技术，包括使用TOF、陀螺仪、压力传感、加速度计、血氧脉搏检测、北斗定位等智能感知模块。通过把新技术、新理论充实到实验中，学生能够及时了解电子技术的发展，适应技术进步的潮流。调试→产品报告、用户手册提交，做到项目牵引、侧重能力、学科交叉、主动学习。注重教师与学生的互动和探讨，参考企业项目组节点汇报管理模式，增加实验汇报环节和教师总结补遗环节：实验目的→硬件设计→软件设计→检验（验收）→学生汇报→教师总结补充。对于创新性实训环节中的新知识，教师给出相关参考书，由项目小组成员分工自学互补，从而培养学生的沟通能力、表述能力、自主学习能力及团队精神，实现师生互动、生生互动，促进教学相长。在实训过程中，教师鼓励学生在实训项目基础上进行二次创新，进一步指导学生申请发明专利。例如，一种基于STM32的游戏实现系统及实现方法、基于STM32的迭代法等精度测频方法，一种LCR串并联网络识别的装置等。同时，鼓励学生以此为基础申报大学生创新创业项目或参加相关电子信息类竞赛，进一步提升学生的实验参与度与科研积极性，取得的相关成果也可使学生获得较高的自我认同感和价值感。（三）改革教学理念，因地制宜创新适合电子信息类专业学生的教学模式针对传统基础验证性实验的诸多痛点，将封闭式实验要求改为半开放式要求，即在实验时提出需要解决的问题，只给验收目标，不给实验步骤过程，让学生根据问题自主选择实验目标。例如，“信号灯输出”基础实验只告诉学生需要输出信号点亮LED灯，至于怎么点亮、形成什么效果则由学生自行决定。验收实验时，有的学生只能点亮信号灯，有的学生能做出霓虹灯，还有的学生能做出呼吸式LED广告屏，而实验评分也据此确定。如此，单个基础性实验也能包含多个实验层次，形成“基础—应用—创新”的问题型、设计型、研究型实验教学新体系，发挥了学生在实验教学中的主体作用，让其思考并研究如何运用所学知识解决问题，学习观念得到了转变，从被动学习转为主动尝试、自主分析设计，提高了学生自主性学习和探究性学习能力[4]。考虑到电子信息类专业课程量大，如何在学时有限的情况下保证实训和实践的效果，教改团队创新性地提出了“三七穿插式”行进式互动开放实验教学模式。这一教学模式的核心理念是利用所建设的虚拟仿真实验平台，将十分之三的课时用于课内实验，十分之七的课时用于课外项目实训，并利用互联网门禁系统进行开放式管理，学生可刷卡出入实验室以保证开放项目实训时间[5]。同时，开展行进式互动教学，即学生在课外项目实训中遇到问题时会思考理论学习的薄弱之处，并在“大夏课堂”的留言界面与指导教师进行线上问答，遇到线上无法解答的问题时再回到课堂上由教师予以指导操作，进一步加强师生互动，形成“学习—实践—反哺理论知识点的再学习—再实践”的良性循环。如此，学生的实训效果提升明显，能够完成较为复杂的嵌入式系统（图4、图5）。（四）探索多维实验考核新方式，建立符合新工科培养要求的评价体系针对新工科“多元化、创新型卓越工程科技人才”的培养要求，“系统综合设计实验”课程主要考查学生运用所学知识解决实际工程问题的能力和水平，以及管理能力、团队合作能力等。因此，教改团队将过程性评价和形成性评价有机结合[6]，采取多维度考核方式，包括合作互助、课堂表现、实验验收、实验报告、随堂测试、期末考核、自主创新、课外实践。课堂表现包括学生对实验的重视程度、学习效果及实验预习的情况，并加大平时考核成绩比例，考查学生的合作互助能力、项目实训过程中组员间的互评情况；实验成果逐个学生进行验收，根据编程思路的优劣进行打分；期末实验操作考核由学生随机抽取题目，独立完成考核任务，当场检查完成情况；自主创新、课外实践亦作为综合创新实训的一个评价指标，将积极进行创新实践并成功申请专利的过程也纳入评分体系。四、结束语文章探讨了新工科背景下对“系统综合设计实验”进行的课程改革，包括构建虚拟仿真嵌入式系统综合设计实验教学平台、引入开放性项目实训等。课程改革在华东师范大学通信工程系的教学实践中已取得了积极成果，学生能够更深刻地理解电子通