簡澤明 馮銘鋒 劉夢然 聶 磊 劉文超

（湖北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北 武漢 430068）

0 引言

近年來，由于虛擬仿真技術(shù)在高等工程教育中的創(chuàng)新作用，引起了眾多高校的關(guān)注。作為一種新的人才培養(yǎng)機制，目前虛擬仿真實驗平臺已經(jīng)成了眾多高校著重建設(shè)的教學(xué)平臺。國外許多著名高校已經(jīng)在虛擬仿真實驗平臺上進行建設(shè)，如麻省理工學(xué)院微電子在線實驗室與美國休斯頓大學(xué)虛擬物理實驗室等，這些虛擬實驗平臺都為其人才培養(yǎng)作出了顯著的貢獻。而在我國，虛擬仿真實驗平臺的人才培養(yǎng)機制也在不斷發(fā)展，如國內(nèi)的北京郵電大學(xué)計算機網(wǎng)絡(luò)課程群、中南大學(xué)虛擬實驗平臺以及國防科技大學(xué)云平臺實驗系統(tǒng)等。

測控技術(shù)與儀器專業(yè)是精密機械、電子、電路、光學(xué)、自動控制、計算機與信息技術(shù)等多學(xué)科互相滲透而形成的一門高新技術(shù)密集型綜合學(xué)科。測控學(xué)生所學(xué)的測控電路、信號與系統(tǒng)等專業(yè)課，往往需要用到與之配套的教學(xué)實驗軟件。作為一種新型人才培養(yǎng)模式，虛擬仿真實驗平臺能夠為測控專業(yè)學(xué)生提供良好的教學(xué)環(huán)境以及實驗氛圍，也能為湖北工業(yè)大學(xué)校“721”培養(yǎng)模式提供相應(yīng)的實踐教學(xué)支撐平臺。針對目前實驗教學(xué)中所存在的各項問題，我校測控專業(yè)對虛擬仿真實驗平臺展開了探索，并建立起適合測控專業(yè)學(xué)生的測控虛擬仿真實驗平臺。

1 目前高校實驗教學(xué)機制所存在的問題

1.1 只注重學(xué)生的共性培養(yǎng)而無法重視個性

目前各大高校所進行的教學(xué)模式主要是以課程導(dǎo)向性學(xué)習(xí)為主，即傳統(tǒng)意義上的將課本內(nèi)容教授給學(xué)生，學(xué)生能夠完成期終考試或者是結(jié)課論文即可。忽略了學(xué)生之間對知識的接受程度的個體差異，并且造成了學(xué)生只是機械性地傳承所學(xué)知識的局面，而并未將其應(yīng)用于具體的生產(chǎn)實踐中。這是高校學(xué)生所面臨的問題。測控學(xué)生需要學(xué)習(xí)光學(xué)、電子、機械和計算等科目，多學(xué)科的交叉學(xué)習(xí)僅僅培養(yǎng)的是共性的知識載體，而非知識間個性的有機結(jié)合。因此需要通過實驗教學(xué)平臺來幫助學(xué)生形成一個完整的知識體系，這也是傳統(tǒng)教學(xué)平臺所存在的劣勢。

1.2 傳統(tǒng)教學(xué)媒介限制了學(xué)生的想象力與創(chuàng)造力

傳統(tǒng)的教學(xué)模式主要為采用多媒體結(jié)合課本教學(xué)以及實驗課程理論相論證的方式來進行人才培養(yǎng)，但是此類傳統(tǒng)的教學(xué)忽略了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，并限制了其想象力，許多實驗僅僅只是交給學(xué)生一個實驗指導(dǎo)書，讓學(xué)生難以發(fā)揮自己的創(chuàng)造力。并且由于各高校在各專業(yè)的實驗室教學(xué)設(shè)施上各有側(cè)重，許多實驗室平臺的設(shè)備都已經(jīng)超過了使用壽命，再加上實驗室在管理以及設(shè)備規(guī)范安全等方面的限制，導(dǎo)致了實驗室并不能完全為學(xué)生提供一個理想的環(huán)境，許多學(xué)生在實驗學(xué)習(xí)上只能淺嘗輒止，并不能獲得沉浸式的學(xué)習(xí)體驗，并不利于學(xué)生建立一個完整的學(xué)習(xí)體系。

1.3 實驗教學(xué)評價考核制度存在缺陷

當(dāng)前教學(xué)評價考核制度主要為考試成績以及課堂表現(xiàn)占大部分，實驗成績往往占的比重在5%～15%之間，并沒有受到普遍重視，導(dǎo)致學(xué)生難以重視實驗課程和任務(wù)，進而將主要精力放在考前突擊上，難以真正融會貫通其所學(xué)知識。并且學(xué)生之間常存在抄襲問題，導(dǎo)致實驗所得數(shù)據(jù)時常雷同，這樣難以真正反饋出學(xué)生所學(xué)所想以及其真實水平，使得教師難以通過調(diào)整實驗方案實現(xiàn)真正的因材施教，進而不能培養(yǎng)出具有高科學(xué)素養(yǎng)的創(chuàng)新型人才。

2 測控虛擬仿真實驗平臺構(gòu)建

測控虛擬仿真實驗平臺主要使用Java 語言進行開發(fā)，并使用MySQL 對數(shù)據(jù)庫進行建設(shè)，網(wǎng)站基于WordPress 進行搭建，其中實驗項目的界面采用Photo Shop 配合Unity 3D 進行設(shè)計。

平臺采用了測控專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)軟件的資源整合的交互系統(tǒng)建立方案，將測控專業(yè)的電子仿真軟件如Multisim、LabVIEW、Proteus、 計算機及自動控制類仿真軟件Keil、MATLAB 以及精密機械專業(yè)軟件CAD與Solidworks 進行教學(xué)資源的整合。將各軟件的教學(xué)資料以及現(xiàn)有的網(wǎng)課資源錄入虛擬仿真實驗平臺中，以教學(xué)視頻或是設(shè)置操作步驟的教學(xué)模式讓學(xué)生熟悉相應(yīng)軟件的操作。而后將各個軟件分為各教學(xué)模塊，如精密機械模塊或是電路設(shè)計模塊，針對不同的模塊設(shè)置不同的學(xué)習(xí)任務(wù)，以任務(wù)為導(dǎo)向引導(dǎo)學(xué)生進行實驗操作。由于其良好的拓展性，平臺能夠兼容機械、計算機以及電子等專業(yè)領(lǐng)域的教學(xué)軟件及開放性實驗方案。

圖1 虛擬仿真實驗平臺界面

測控虛擬仿真實驗平臺的運行機制以數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為主，其由仿真實驗數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)以及仿真實驗應(yīng)用系統(tǒng)三部分構(gòu)成。此交互系統(tǒng)旨在構(gòu)建起一個學(xué)生與教師之間有效溝通的橋梁，科學(xué)準(zhǔn)確地反映出學(xué)生的真實學(xué)習(xí)水平，從而幫助教師進行教學(xué)規(guī)劃以及評測。

（1）仿真實驗數(shù)據(jù)庫包括用戶資料庫、教學(xué)資源庫以及實驗仿真數(shù)據(jù)庫。在用戶資料庫中，主要通過收集學(xué)生在虛擬實驗平臺上所留下的學(xué)習(xí)記錄以及實驗成績，對學(xué)生進行評測，而后為應(yīng)用系統(tǒng)提供學(xué)生的學(xué)習(xí)水平數(shù)據(jù)。而教學(xué)資源庫主要由軟件的教學(xué)視頻以及課程資料組成，為虛擬仿真實驗平臺提供教學(xué)資料以及學(xué)習(xí)任務(wù)。在實驗仿真數(shù)據(jù)庫中，主要存儲著實驗方案以及實驗軟件信息。

（2）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)通過收集用戶資料庫中的學(xué)生數(shù)據(jù)以及評測結(jié)果，在教學(xué)資源庫中選用相應(yīng)水平的教學(xué)資料設(shè)計和與之水平相適應(yīng)的實驗方案。學(xué)生再通過數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)完成階段性的學(xué)習(xí)以及實驗仿真，從而達到教學(xué)目的。

（3）仿真實驗應(yīng)用系統(tǒng)的用戶使用端口分為學(xué)生端與教師端。教師通過教師端錄入實驗任務(wù)，以任務(wù)或者階段性測驗的形式發(fā)送至學(xué)生端，而學(xué)生可以自主選擇完成實驗任務(wù)的地點與時間。當(dāng)學(xué)生完成教師所發(fā)布的任務(wù)之后，平臺將對學(xué)生的整個實驗過程進行評分與能力分析。在設(shè)置的截止日期前，每個學(xué)生都可以重新改進實驗（可以設(shè)定限制實驗次數(shù)）。最終得出實驗結(jié)果，避免學(xué)生由于實驗操作的錯誤而半途而廢，并且學(xué)生可以自主選擇實驗方案進行拓展。平臺將會自動錄入優(yōu)秀學(xué)生的實驗操作，為下一屆學(xué)生提供實驗范本，從而實現(xiàn)平臺實驗方案的自我優(yōu)化。該舉措旨在實現(xiàn)學(xué)生的個性培養(yǎng)并增強學(xué)生實驗的信心，以及提高學(xué)生的操作能力。教師也可通過平臺所提供的數(shù)據(jù)分析進行相應(yīng)地課程方案改革，循序漸進地提高學(xué)生的實驗?zāi)芰λ健?/p>

圖2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)架構(gòu)

3 結(jié)語

通過虛擬仿真實驗平臺培養(yǎng)的測控專業(yè)學(xué)生，有著較高的科學(xué)素養(yǎng)以及實踐創(chuàng)新能力，推進虛擬實驗仿真實驗平臺的發(fā)展與建設(shè)在我校實驗與教學(xué)課程改革中具有重大的意義，同時也能夠為其他專業(yè)及高校提供人才培養(yǎng)模式范本。