劉海波，沈 晶，王革思，劉書勇，國 強

工程教育視域下的虛擬仿真實驗教學資源平臺建設

劉海波1，沈 晶1，王革思2，劉書勇1，國 強2

（1. 哈爾濱工程大學 計算機科學與技術學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

以培養(yǎng)學生具有扎實的信息基礎知識、強烈的工程創(chuàng)新意識、較強的實踐動手能力和創(chuàng)新能力為核心，構建了“123456”虛擬仿真實驗教學體系；以“計算機邏輯設計綜合實驗”課程急需的信息化實驗教學內容為指向，依托現(xiàn)代信息網絡技術，研發(fā)了模塊化、層次化、多元化、系列化虛擬仿真實驗教學項目以及虛擬仿真實驗教學網絡平臺，在時間、空間、內容和儀器設備方面實現(xiàn)了全面開放, 解決了學生參與工程實踐和科技創(chuàng)新活動的難題，提高了實驗教學質量和實踐育人水平。

工程教育；虛擬仿真；實驗教學資源；網絡平臺

高等工程教育作為培養(yǎng)工程科技人才的重要環(huán)節(jié)，與國家和產業(yè)的發(fā)展密切相關[1-2]。隨著國家創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略、“一帶一路”倡議和“中國制造2025”的進程，如何培養(yǎng)具有工程創(chuàng)新意識、工程實踐能力和創(chuàng)新能力的復合型人才，已經成為國內高等教育領域最重要的任務[3]。為推動工程教育不斷改革創(chuàng)新，以適應國家戰(zhàn)略的發(fā)展需要和國際競爭的新形勢，我國2016年加入了《華盛頓協(xié)議》[4-5]，2017年提出了“新工科”建設的思路[6-11]，強調培養(yǎng)目標為導向，注重教育成果產出及持續(xù)改進人才培養(yǎng)質量，實施以學生為中心的教學理念[12]。工程創(chuàng)新能力是學生在工程實踐活動中綜合素質的體現(xiàn)。實驗教學是工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)的啟蒙環(huán)節(jié)，是工程教育中不可或缺的組成部分。實驗教學是在一定的實驗資源支撐下，以實驗項目為載體，通過讓學生循環(huán)往復地學習、模仿和積累，訓練學生掌握實驗技能的過程。實驗教學需要內容優(yōu)化、資源平臺支撐和過程管理三位一體的協(xié)調運作[13]。

教育部《關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》要求“深入推進信息技術與高等教育實驗教學的深度融合，不斷加強高等教育實驗教學優(yōu)質資源建設與應用，著力提高高等教育實驗教學質量和實踐育人水平”。各高校已經和正在進行著諸多有益的探索[14-15]。

為了適應當前經濟社會發(fā)展對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)以及高等教育實驗教學改革的新要求，依托我校省級和部級計算機實驗教學示范中心并聯(lián)合我校國家級電工電子實驗教學中心，在原有工作基礎之上[16-18]，以“計算機邏輯設計綜合實驗”課程急需的信息化實驗教學內容為指向，依托現(xiàn)代信息網絡技術，研發(fā)了模塊化、層次化、多元化、系列化虛擬仿真實驗教學項目以及虛擬仿真實驗教學網絡平臺，拓展了教學內容的廣度和深度，延伸了實驗教學的時間和空間，積極探索線上線下教學相結合的個性化實驗教學新模式，逐步形成教學效果優(yōu)良、開放共享、運行有效的實驗教學項目新體系，為培養(yǎng)具有扎實信息基礎知識、強烈工程創(chuàng)新意識、較強實踐動手能力和創(chuàng)新能力的計算機類專業(yè)創(chuàng)新型人才提供有力保障。

1 教學體系構建

實驗教學示范中心堅持課程建設與人才培養(yǎng)相結合、教學與科研相結合、理論教學與實驗教學相結合、虛擬仿真與真實實驗相結合的原則，構建了“123456”虛擬仿真實驗教學體系，如圖1所示。

圖1“123456”虛擬仿真實驗教學體系

“123456”虛擬仿真實驗教學體系包括：1個目標——以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)為目標；2個融合——通過第一課堂和第二課堂之間知識互補、機制互動的融合，優(yōu)化整合優(yōu)質教育資源；3個集成——著力打造數(shù)字邏輯理論課程、實驗課程和特色拓展實踐課程之間系統(tǒng)集成，從單元學習和設計、再到系統(tǒng)學習和綜合設計的全過程教學；4個導向——引導學生通過研發(fā)或設計成果展現(xiàn)其成功自信、專業(yè)能力、為學情操和績效責任等能力和素質；5個模式——通過探究式演示、觀察和驗證、反設計推論、網絡學習和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目訓練5種自主學習模式，完成知識學習、運用和能力訓練；6個能力——培養(yǎng)學生的工程知識運用、方案設計開發(fā)、現(xiàn)代工具使用、工程社會分析（工程中的社會因素及工程對社會的影響分析）、團隊溝通表達、項目工程管理6個方面工程實踐和創(chuàng)新能力。

依托省部級實驗教學示范中心打造高起點教學平臺，在教材建設、設備研發(fā)、項目開發(fā)、考核評價方面，開發(fā)高水平、高質量的優(yōu)質共享教學資源，保證虛擬仿真實驗教學體系高質量、高效率的運行，從而在專業(yè)技能、研究潛能、合作交流、項目管理方面能夠實現(xiàn)全方位培養(yǎng)創(chuàng)新人才。

2 教學資源平臺設計

2.1 設計原則

堅持以學生為中心、以實踐為中心、以能力培養(yǎng)為中心的設計原則，以解決復雜工程問題為主線，引導科學思維為目的，把理論知識、實驗技能以及創(chuàng)新意識融入到“計算機邏輯設計綜合實驗”課程的理論學習與工程創(chuàng)新實踐教學當中，既要體現(xiàn)知識的綜合性與工程創(chuàng)新性，又要體現(xiàn)能力與素質培養(yǎng)，遵循認識→理解→消化→實踐→提升→創(chuàng)新的循序漸進認知流程。學生可根據(jù)已有的知識、技能、愛好以及工程創(chuàng)新意識進行理論知識學習與工程創(chuàng)新實踐。通過以做帶學、以學促做，激勵自主科技創(chuàng)新學習，充分發(fā)揮自身探究能力特長，創(chuàng)造性地解決教師提出的復雜工程問題。

2.2 技術架構

計算機邏輯設計虛擬仿真實驗網絡平臺（以下簡稱“平臺”）包括理論學習、虛擬仿真實驗、輔助功能和系統(tǒng)管理4個部分，如圖2所示。

圖2 計算機邏輯設計虛擬仿真實驗網絡平臺架構

平臺基于Web技術構建，采用B/S架構.Net框架開發(fā)，插件為Multisim，選擇SQL Server 作為服務器后臺數(shù)據(jù)庫，托管校園網數(shù)據(jù)中心?？蛻舳思瓤梢栽谛韧ㄟ^校園網直接訪問仿真平臺，也可以在校外通過Internet訪問，支持500個并發(fā)用戶。

平臺基于全局的實踐教學觀設計。在設計中，注重學生設計的規(guī)范性，如系統(tǒng)結構與模塊構成，模塊間的接口方式與參數(shù)要求；在調試中，注重電路工作的穩(wěn)定性與可靠性；在測試分析中，注重分析系統(tǒng)的誤差來源并加以驗證；在學習中，注重對學生引導，加強學生對知識的理解、吸收、拓展和提升。

2.3 虛擬仿真實驗項目

以急需的實驗教學信息化教學內容為指向，將復雜工程問題和教研成果轉化成示范性虛擬仿真實驗項目。深入融合教研成果，依托信息技術，研發(fā)數(shù)量眾多、內容豐富、類型齊全的虛擬仿真實驗項目，與企業(yè)的真實案例和實用技術相當，提供工程氛圍的實驗教學條件，具有模塊化、層次化、多元化、系列化特色，引導學生探索工程創(chuàng)新項目研發(fā)過程，掌握科學研究基本方法，強調人人都能成功，激發(fā)學生內在的學習動力，使學生由被動式學習變成主動式學習，以便加快工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)。

（1）邏輯測試實驗。讓學生熟練掌握邏輯門、編碼器、加法器、寄存器、計數(shù)器等常用數(shù)字集成電路使用和測試，相比實物操作，可達到事半功倍的效果。

（2）數(shù)字單元實驗。讓學生熟練使用邏輯門、編碼器、譯碼器、觸發(fā)器、寄存器、計數(shù)器、RAM、ROM、DAC、ADC等，進行簡單應用電路的設計、理論計算、電路圖繪制、仿真分析以及調試等全過程，具備分析和解決一般性工程問題的能力，養(yǎng)成實事求是的科學作風和認真嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。

（3）數(shù)字系統(tǒng)實驗。讓學生熟練掌握常用數(shù)字系統(tǒng)、數(shù)字式控制器、數(shù)字式電子儀器、接口與數(shù)據(jù)通信等系列工程項目所涉及的學習研究、方案論證、系統(tǒng)設計、仿真分析、設計修改、實驗樣機制作、設計總結等全過程，具備利用數(shù)字邏輯技術知識構成數(shù)字邏輯系統(tǒng)的意識，能夠應用數(shù)字邏輯技術的基本原理對工程復雜問題進行分析和設計，熟悉和掌握科學研究的基本過程及方法。

2.4 教材編寫

為了拓展教學內容的廣度與深度，編寫與課程相關的工程教育系列教材，如《數(shù)字邏輯與仿真設計》《數(shù)字系統(tǒng)實驗設計與指導》《數(shù)字電路實驗與實踐教程》等。新教材具有可讀性、實用性和技術性，讓學生感到學有所值、學有所用，無論是在課堂上學習，還是在課外自學，都能在一定程度上幫助學生學習掌握工程基本要素、工程技術設計方法和分析方法。

2.5 服務方式

（1）在實驗的時間、空間、內容和儀器設備方面為學生全面開放?；涌梢暬僮髫灤┯谌^程中，實現(xiàn)自主學習、自主實踐、自主創(chuàng)新。

（2）為課堂教學、遠程教學、學術交流提供有力支持。

（3）讓其他高校學生和社會上的學習者分享學習機會。

（4）為各種競賽培訓、個性化培養(yǎng)提供便利，打下堅實基礎。

3 運行機制

平臺提供的虛擬實驗環(huán)境近乎真實情境，與實際工作相似，能夠激發(fā)學生實驗興趣和學習動力。學生能夠親自動手接觸電路，邊學習、邊設計、邊實踐，完全沉浸在現(xiàn)實的學習、工作情境中。虛擬仿真實驗教學整體實施過程包括實驗準備、實驗仿真、實驗總結和自我評價4個階段，經過21個具體環(huán)節(jié)和步驟。

3.1 實驗準備階段

（1）實驗需求分析：通過在線教材或者互聯(lián)網自學，查閱與實驗題目相關的背景資料，進行理論知識、實踐技能等方面準備。

（2）方案設計與論證：學習教材的相關內容，還可以查閱其他設計方案資料。

（3）技術性能參數(shù)設計：選用教材中給出的數(shù)據(jù)，還可以自行調整數(shù)據(jù)。

（4）電路結構設計及理由：按照教材中指定的去做，還可發(fā)揮自身創(chuàng)造力。

（5）理論推導：按照教材指定步驟，進行公式推導及理論計算。

（6）實驗設計報告編寫：歸納整理步驟（1）—（5）所形成技術資料，完成實驗設計報告編寫工作。

3.2 實驗仿真階段

（7）電路下載：在線瀏覽、下載虛擬仿真電路，進入虛擬仿真實驗環(huán)境。

（8）電路檢查：按照設計報告或教材，嚴格仔細檢查電路及線路連接。

（9）儀器仿真數(shù)據(jù)測量：參照教材，選擇合適的測試點，接入相應的儀器儀表，儀器參數(shù)設置，運行電路，觀察測試點波形和狀態(tài)變化，記錄測量數(shù)據(jù)。

（10）實驗分析：對實驗數(shù)據(jù)、波形、曲線進行認真仔細分析、研究，判斷設計的合理性、正確性以及存在的問題等。

（11）設計修改：以達到電路性能指標要求為目的，或適當提高技術性能參數(shù)。

（12）電路布局調整與子模塊電路生成：規(guī)范或完善電路設計，并為進一步設計提供便利。

3.3 實驗總結階段

（13）實驗過程描述：主要包括設計方面、操作方面、分析方面等環(huán)節(jié)。

（14）實驗數(shù)據(jù)整理：整理實驗數(shù)據(jù)，輸出波形，繪制曲線，要求實驗數(shù)據(jù)表格規(guī)范，波形、曲線圖清晰、全面，且大小適中。

（15）實驗結論：利用數(shù)據(jù)、波形、曲線，闡述設計的技術性、改進性、創(chuàng)新性等。

（16）技術討論：圍繞實驗過程、改進性、建議等展開討論。

（17）實驗收獲：闡述宏觀知識、技能等方面的收獲、水平和提高。

（18）實驗情況報告編寫：歸納整理步驟（7）—（17）所形成技術資料，完成實驗情況報告編寫工作。實驗報告=實驗設計報告+實驗情況報告。

3.4 自我評價階段

（19）實驗報告成績：參照實驗報告評分指標體系，自行估算得分情況。

（20）實驗操作成績：參照實際操作評分指標體系，自行估算得分情況。

（21）實驗成績：實驗報告分值100分，實驗操作分值100分。

實驗總分=報告分數(shù)×40%+操作分數(shù)×60%。

成績等級：90~100分為優(yōu)秀，80~89分為良好，70~79分為中等，70~69分為及格。

4 結語

依托省部級計算機實驗教學示范中心，以培養(yǎng)學生工程創(chuàng)新意識、工程實踐能力和創(chuàng)新能力為核心，引入網絡與虛擬仿真技術，建設了虛擬仿真實驗網絡平臺，將教師的教研成果源源不斷轉換成實驗教學內容，破解了學生參與工程實踐和科技創(chuàng)新活動機會少的難題，提高了實驗教學質量和實踐育人水平，形成一個真正基于互聯(lián)網的優(yōu)質的高等教育實驗教學資源共享平臺。

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Construction of virtual simulation experimental teaching resource platform based on engineering education

LIU Haibo1, SHEN Jing1, WANG Gesi2, LIU Shuyong1, GUO Qiang2

(1. College of Computer Science and Technology, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. College of Information and Communication Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Based on the cultivation of students’ solid basic knowledge of information technology, strong sense of engineering innovation, strong practical ability and innovative ability, the “123456” virtual simulation experimental teaching system is constructed. With the content of information-based experimental teaching urgently needed in the Computer Logic Design Comprehensive Experiment course as the orientation, and by relying on modern information network technology, a modular, hierarchical, pluralistic and serialized virtual simulation experimental teaching project and a virtual simulation experimental teaching network platform are developed.In terms of time, space, content and equipment, this platform is fully opened up, the difficult problems of students’ participation in engineering practice and scientific and technological innovation activities have been solved, and the quality of experimental teaching and the level of practical education have been improved.

engineering education; virtual simulation; experimental teaching resource; network platform

G642.0

A

1002-4956(2019)12-0019-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.005

2019-04-10

黑龍江省高等教育教學改革項目（SJGY20180094）；全國高等院校計算機基礎教育研究會計算機基礎教育教學研究項目（2019—AFCEC-111）；黑龍江省高等教育教學改革項目（SJGY20170537）

劉海波（1976—），男，黑龍江肇東，博士，副教授，主要從事科學計算與數(shù)據(jù)處理實驗、人工智能課程教學及計算機視覺領域科研工作。E-mail: liuhaibo@hrbeu.edu.cn

沈晶（1969—），女，黑龍江雞西，博士，副教授，主要從事科學計算與數(shù)據(jù)處理實驗、組合數(shù)學課程教學及機器學習領域科研工作。E-mail: shenjing@hrbeu.edu.cn