劉國(guó)權(quán)，陳尚良，肖靜，劉建昌，周煥銀

（東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

0 引言

國(guó)家教育部自2013年起，連續(xù)三年發(fā)布要建設(shè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的通知[1]，截止目前全國(guó)已批準(zhǔn)建設(shè)了300多個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，自2019年起，高等學(xué)校要將國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心納入年度考核范圍。虛擬仿真技術(shù)以其靈活方便、可視可控等特點(diǎn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合越來(lái)越深入，但相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革還未能同步跟進(jìn)。

如何建立起虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并構(gòu)建起相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是很多高校研究的熱點(diǎn)問題[2]。提出自“三平臺(tái)、三層次、一體化”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，該教學(xué)模式在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和學(xué)習(xí)興趣的提升有一定幫助[3]。指出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教材也是提升教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，依靠好的教材讓學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)可以讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的目的、方法、過程、原理做到心中，在實(shí)驗(yàn)過程中不至于出現(xiàn)一問三不知情況[4-9]。也針對(duì)不同的專業(yè)提出了相應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，一定程度上提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了教學(xué)效果。

本文將以自動(dòng)化專業(yè)為例，本著能實(shí)不虛，虛實(shí)互補(bǔ)的原則，基于虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，提出理論學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)、實(shí)物實(shí)踐為輔、虛擬仿真為重點(diǎn)三者相結(jié)合的“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

1 自動(dòng)化專業(yè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在的問題

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式大多是線下進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)常常在老師的指導(dǎo)下，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)際上學(xué)生常常出現(xiàn)注意力不集中、提不起興趣、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)不明確一問三不知等情況，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不明顯。產(chǎn)生這些問題的主要原因有三點(diǎn)。

1.1 前期知識(shí)點(diǎn)鋪墊深而不廣

任何實(shí)驗(yàn)教學(xué)前期都是要進(jìn)行相關(guān)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，然而自動(dòng)化專業(yè)本科的課程很多，涉及的電路控制理論繁多，學(xué)習(xí)在接受大量知識(shí)的同時(shí)，沒有一個(gè)對(duì)知識(shí)點(diǎn)的宏觀理解，不明白繁多的知識(shí)點(diǎn)下哪些是重點(diǎn)，就沒有學(xué)習(xí)的方向性，在沒有方向的情況下追求知識(shí)點(diǎn)的深度學(xué)習(xí)往往會(huì)忽略對(duì)知識(shí)點(diǎn)宏觀層面的理解和梳理，從而使學(xué)生陷入迷茫的尷尬境地，漸漸地失去學(xué)習(xí)興趣，產(chǎn)生畏難心理。

盡管傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在實(shí)驗(yàn)前會(huì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的知識(shí)梳理，實(shí)驗(yàn)過程中也會(huì)有實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書幫助學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，但是現(xiàn)實(shí)情況是實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果并不明顯。首先，實(shí)驗(yàn)前的知識(shí)梳理只是對(duì)知識(shí)的簡(jiǎn)要介紹和回顧，但并不是宏觀層面的梳理和回顧，學(xué)生在平常的學(xué)習(xí)中本身就對(duì)該知識(shí)沒有很深的理解，僅僅停留在公式框圖上的理解，沒有對(duì)全局知識(shí)的把握，僅僅通過簡(jiǎn)單的知識(shí)梳理對(duì)學(xué)生幫助并不大。其次，學(xué)生抱有實(shí)驗(yàn)過程中有指導(dǎo)書的投機(jī)心理，在老師進(jìn)行講解過程中也不會(huì)認(rèn)真地聽講，后續(xù)實(shí)驗(yàn)效果往往較差。最后，現(xiàn)階段的實(shí)驗(yàn)教材和實(shí)驗(yàn)設(shè)備相對(duì)滯后，知識(shí)點(diǎn)更新緩慢，本身學(xué)生在前期學(xué)習(xí)中對(duì)知識(shí)就沒有宏觀層面的認(rèn)識(shí)，沒有進(jìn)行先大致了解，再選擇性學(xué)習(xí)的過程，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣本就不高，因此實(shí)驗(yàn)效果更加不好。

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式單一不足

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式往往是讓學(xué)生先進(jìn)行理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真學(xué)習(xí)，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)報(bào)告的編輯工作，而這種教學(xué)模式是單一的、有局限性的，具體表現(xiàn)在三個(gè)方面。一是，實(shí)驗(yàn)教學(xué)采取線下方式進(jìn)行在時(shí)間和空間上很不靈活，學(xué)生不能根據(jù)自己的情況進(jìn)行針對(duì)性的學(xué)習(xí)，無(wú)法對(duì)學(xué)過的知識(shí)進(jìn)行備案保存反復(fù)回顧復(fù)習(xí)；二是，依賴與硬件平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式并不是開放可控的，由于受制于硬件平臺(tái)的約束，往往一套電氣設(shè)備并不能模擬多個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行多次不同的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率不高，學(xué)生也不能根據(jù)自己的想法去設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)和參與建模，忽略了學(xué)生自我探究的價(jià)值和意義，無(wú)法充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，對(duì)于提高學(xué)生專業(yè)能力、培養(yǎng)學(xué)生思辨思維和擴(kuò)展視野還顯不足；三是，由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的一致性導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)報(bào)告的重復(fù)性，缺少學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異性，僅通過提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告反饋學(xué)生學(xué)習(xí)效果的方式是不及時(shí)且不足的。

1.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境落后

自動(dòng)化專業(yè)的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境較為復(fù)雜，自動(dòng)化專業(yè)的很多課程都是涉及到強(qiáng)電、大型機(jī)械類的設(shè)備，尤其是使用多年的設(shè)備，元器件普遍老化，若采用傳統(tǒng)實(shí)景參觀教學(xué)的方式，學(xué)生難以深入了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理，無(wú)法將難懂的知識(shí)變得形象化、可視化，具體化，而且對(duì)學(xué)生的安全也存在很多隱患；若采用硬件平臺(tái)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教學(xué)內(nèi)容又相對(duì)有限，學(xué)生還有可能會(huì)損壞設(shè)備，加大資金的消耗。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式構(gòu)建

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的推陳出新，最大的改進(jìn)點(diǎn)就是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用了虛擬仿真技術(shù)，該技術(shù)以可視化強(qiáng)、操作靈活簡(jiǎn)單、過程可控等諸多優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)程中扮演著重要角色。針對(duì)于自動(dòng)化專業(yè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在的問題，如何構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是解決該問題的關(guān)鍵。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式為一個(gè)閉環(huán)教學(xué)模式，分為課前課中三個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)有不同的教學(xué)方式和任務(wù)，下面將具體對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)的任務(wù)和作用進(jìn)行論述。下圖1為基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

圖1 基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

2.1 知識(shí)點(diǎn)的梳理歸納

實(shí)驗(yàn)教學(xué)前期的教學(xué)工作要以知識(shí)點(diǎn)的梳理歸納出發(fā)，將繁雜的相關(guān)與否的知識(shí)進(jìn)行篩選歸納整理，將具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的知識(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前的重點(diǎn)講述，重點(diǎn)是要將所學(xué)知識(shí)與虛擬仿真環(huán)節(jié)結(jié)合起來(lái)，形成一一對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系。

具體方式是從一個(gè)宏觀的角度進(jìn)行由淺入深，由表及里的、由點(diǎn)到面教學(xué)方式。目的是讓學(xué)生更快速的入門，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生自己的職業(yè)有一個(gè)大致了解，并且針對(duì)自身情況選擇感興趣的領(lǐng)域進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的宏觀思維，擴(kuò)展學(xué)生的視野。在講述知識(shí)點(diǎn)時(shí)應(yīng)注意不要對(duì)一個(gè)問題過于深入的講解，有意的提醒學(xué)生哪些是重點(diǎn)知識(shí)，哪些大致了解即可，讓學(xué)生做到心中有數(shù)，慢慢培養(yǎng)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，要避免面面俱到的教學(xué)方式和囫圇吞棗的學(xué)習(xí)方式。

講課不是死板的，課堂氣氛很重要，學(xué)生和老師應(yīng)該是有互動(dòng)的，要根據(jù)學(xué)生的聽課效果進(jìn)行相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)教學(xué)，如果學(xué)生興趣濃厚就應(yīng)該多講深講，如果學(xué)生出現(xiàn)畏難逃避心理，也要及時(shí)溝通和鼓勵(lì)，避免學(xué)生出現(xiàn)聽不懂還不敢提問的情況，培養(yǎng)好學(xué)生的求知欲與學(xué)習(xí)興趣是這個(gè)環(huán)節(jié)的中心任務(wù)。

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

為了解決自動(dòng)化傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在的教學(xué)方式不靈活、教學(xué)環(huán)境落后等問題，重點(diǎn)是搭建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的可視化、形象化、具體化的結(jié)果展示，可以讓學(xué)生更好的理解并掌握知識(shí)，克服學(xué)生興趣不足，目標(biāo)不明確，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建可以是校企合作、網(wǎng)上購(gòu)買或是自行構(gòu)建，如果要自己搭建設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以用Matlab、Labview等軟件去實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)上資源很多，學(xué)習(xí)起來(lái)也并不復(fù)雜，但具體搭建也需要一定的時(shí)間。

仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)過程、原理結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是可控高效的，仿真也使得學(xué)生學(xué)習(xí)更加有趣，更加直觀，相比于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法來(lái)說(shuō)其優(yōu)勢(shì)不言而喻。但需要注意的是，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)對(duì)象盡管生動(dòng)形象，但是與真正的實(shí)物實(shí)驗(yàn)還是有一定差異，在探索如何建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式時(shí)，不能舍本逐末，要充分依托現(xiàn)有智能執(zhí)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，堅(jiān)持“虛實(shí)結(jié)合，以人為本”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)思想，構(gòu)建虛擬仿真項(xiàng)目，故本環(huán)節(jié)采用硬件設(shè)備實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)線上線下混合方式進(jìn)行，構(gòu)建“虛實(shí)結(jié)合”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

2.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)后的交流與反饋

課后反饋與交流是提升教學(xué)質(zhì)量，檢查學(xué)生學(xué)習(xí)效果的重要一步。

通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可以自主選擇時(shí)間，自主選擇參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也是不一樣的，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后可以將實(shí)驗(yàn)報(bào)告和與相關(guān)問題在線提交給老師，老師在發(fā)現(xiàn)學(xué)生薄弱知識(shí)點(diǎn)后就可以進(jìn)行針對(duì)性的教學(xué)，同時(shí)通過老師線上或者線下的集中答疑，學(xué)生也會(huì)有新的思考與感悟，最終形成教學(xué)閉環(huán)，提升教學(xué)質(zhì)量。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索效果

實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)選取自動(dòng)專業(yè)的《微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》進(jìn)行開展教學(xué)模式探索。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)前期，首先對(duì)重點(diǎn)知識(shí)理論進(jìn)行梳理歸納工作，例如關(guān)于單閉環(huán)溫度恒值控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，首先使學(xué)生對(duì)溫度控制的基本原理有個(gè)大概了解，學(xué)習(xí)溫度傳感器的使用方法，并介紹該知識(shí)點(diǎn)學(xué)來(lái)有什么用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生擴(kuò)展視野，然后搭建起單閉環(huán)溫度恒指控制系統(tǒng)虛擬仿真試驗(yàn)平臺(tái)，教會(huì)學(xué)生如何使用該平臺(tái)，如何才調(diào)整溫度PID控制參數(shù)進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行相應(yīng)的演示。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生采用線上線下融合的學(xué)習(xí)方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，線上通過單閉環(huán)溫度恒指控制系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，線下通過硬件設(shè)備實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，兩者結(jié)合的學(xué)習(xí)方式使學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解進(jìn)一步加深。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生針對(duì)自身情況可選擇線上或線下的方式撰寫實(shí)驗(yàn)心得和提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及相應(yīng)的疑惑，最后老師根據(jù)學(xué)生的問題，針對(duì)性的對(duì)學(xué)生進(jìn)行答疑，形成學(xué)習(xí)閉環(huán)。實(shí)驗(yàn)表明，基于虛擬仿真技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，對(duì)學(xué)生積極性有一定促進(jìn)作用。學(xué)生依據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所作仿真結(jié)果如下圖2所示。

圖2 單閉環(huán)溫度恒值控制系統(tǒng)

4 結(jié)語(yǔ)

本文就自動(dòng)化專業(yè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在的前期知識(shí)點(diǎn)講解過于深入、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式單一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境落后三個(gè)問題進(jìn)行了分析，并針對(duì)這些問題提出了基于虛擬仿真技術(shù)“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。實(shí)踐證明這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式相比以往的教學(xué)模式效果顯著。