梅秀莊 甘世明 宋鵬飛 牛方浩

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學機械工程學院）

為滿足社會對創(chuàng)新型跨學科人才需求，更好的服務(wù)新工科建設(shè)，探索新型教育培養(yǎng)方式已成為學校教育改革的主題。原始課堂教學方式側(cè)重于理論的講解，課堂相對枯燥乏味，使得學生學習的積極性低，課程教學效果不盡人意。秉持新工科、學生為中心的教學理念，以培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐意識、創(chuàng)新思維能力為教學改革的目標，積極探索新型教學模式、方法，是每位高等教育工作者須承擔的重要職責和使命。

利用先進的計算機虛擬仿真技術(shù)，將專業(yè)課程基礎(chǔ)與專業(yè)知識、工程實例進行形象的圖文展示，實現(xiàn)傳統(tǒng)教學與虛擬仿真教學的緊密融合，搭建課堂學習到實踐學習的橋梁，使學生較短時間內(nèi)掌握一些復雜的專業(yè)知識，充分調(diào)動學生積極性，增強學生的認知能力和工程實踐能力，有利于充分發(fā)揮虛擬仿真教學在高校教學實踐中作用[1]、推動高等教育教學質(zhì)量的提升[2]。

本文通過設(shè)計測控專業(yè)系列核心課程的虛擬仿真教學平臺，依據(jù)本校測控技術(shù)與儀器專業(yè)的培養(yǎng)目標和課程教學標準，將測控專業(yè)系列課程的重要、抽象的知識點實例化、可視化，使學生更容易理解；將測控專業(yè)系統(tǒng)課程知識系統(tǒng)化，促進測控專業(yè)整體理論知識的整合，使專業(yè)性知識更加系統(tǒng)化；輔助學生解決日常生活中與本專業(yè)相關(guān)的實際問題，鍛煉其編程能力和邏輯思維能力。

將研發(fā)出的虛擬教學平臺應(yīng)用于測控專業(yè)的本科教學，使一些晦澀難講、難以理解的原理、抽象的概念、以及性能分析等進行準確、形象、直觀地圖形化展示，加深學生對所學知識點的理解，起到事半功倍的教學效果。另外可將日常生活、實際工程中典型的實例，加入到虛擬仿真教學平臺，有利于開闊學生的視野，激發(fā)其學習的興趣和積極性?？奢o助老師教學，改善教學效果，提高學生學習效率，開闊學生視野。

通過建立虛擬教學平臺，將整個測控專業(yè)的大部分課程理論知識進行系統(tǒng)的整合，使專業(yè)知識系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到系統(tǒng)化展現(xiàn)，有利于促進專業(yè)教學的長期發(fā)展。將測控專業(yè)的一些抽象化知識點，通過友好的界面進行圖形化展示，有利于學生的理解和短時間內(nèi)消化所學專業(yè)知識。引入與專業(yè)相關(guān)的日常生活、實際工程應(yīng)用實例，使學生開闊眼界，有助于激發(fā)其學習積極性、主動性。

本文以提高課程教學效果、提升學生工程實踐和創(chuàng)新能力為目標[3]，利用MATLAB編程軟件系統(tǒng)搭建測控技術(shù)與儀器專業(yè)系列核心課程虛擬仿真教學平臺，為學生提供方便、便攜的虛擬仿真操作，有助于培養(yǎng)測控儀器專業(yè)學生在信號檢測與分析、模式識別、智能控制等方面的知識技能、實踐動手能力。

一、虛擬仿真實驗教學平臺建設(shè)的必要性與優(yōu)勢

（一）平臺建設(shè)的必要性

隨著新工科理念在高校的不斷深入，社會對跨學科人才的要求也在逐漸提高，傳統(tǒng)的教學模式難以適應(yīng)新工科概念下的人才培養(yǎng)，發(fā)展教學新方式勢在必行。測控專業(yè)中《信號與系統(tǒng)》《數(shù)字信號處理》《誤差理論與數(shù)據(jù)處理》《數(shù)字圖像處理》《測控電路》《自動控制原理》等課程屬于專業(yè)的核心課程。由于測控專業(yè)學科跨度較大，理論性強、概念抽象、分析邏輯繁瑣，學生在課堂專業(yè)知識的學習中經(jīng)常會遇到很多復雜、難以理解問題，短時間難以消化和吸收繼而影響后續(xù)的學習。與此同時，現(xiàn)如今由于新冠疫情原因等多種不確定因素影響，學生不能正常返校，不能在教室內(nèi)進行授課、學習，需要采用網(wǎng)絡(luò)的線上教學模式進行專業(yè)課程、實驗課程的遠程學習，對老師授課、學生學習都提出了新的挑戰(zhàn)，教師授課過程中不能通過察言觀色來了解學生對知識的理解程度，很難動態(tài)調(diào)節(jié)講課節(jié)奏、靈活調(diào)整授課內(nèi)容，學生也通常出于禮貌不忍心打斷老師的正常授課而提出自己不懂的問題，這些都大大增加了學生對專業(yè)知識的理解和掌握難度，

為了更好地迎合新工科需求和適應(yīng)現(xiàn)有的教學模式、克服疫情防疫等因素影響，構(gòu)建能將抽象知識進行形象展示，并提供方便快捷實踐操作手段的虛擬仿真教學平臺，以虛補實，整合測控專業(yè)整體理論知識，加強理論與實踐的結(jié)合，優(yōu)化教學方法，提升教學效果，為實現(xiàn)測控專業(yè)人才培養(yǎng)目標提供有力支撐[4]。

本文通過研發(fā)一套測控專業(yè)系列核心課程的虛擬仿真教學平臺，解決課堂教學中一些抽象概念、原理等難以形象、直觀展現(xiàn)的問題。將測控專業(yè)系列核心課程中抽象、難以理解的重要知識點，以圖形圖像、動畫的方式進行展現(xiàn)。使測控專業(yè)知識更加系統(tǒng)化，通過平臺對系列課程的整合，能使專業(yè)知識更加系統(tǒng)化。有利于學生總體上系統(tǒng)掌握知識。增加重要知識點在日常生活、實際工程中的應(yīng)用實例，輔助教學，擴展學生視野，加深了理論與實踐的結(jié)合、理論向?qū)嵺`的轉(zhuǎn)化。

傳統(tǒng)的課堂教學方式側(cè)重于理論的講解和分析，極少考慮所學知識在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)實踐中的實際應(yīng)用，在一定程度上降低了學生學習的積極性、弱化了課程教學效果。通過借助MATLAB軟件系統(tǒng)搭建虛擬仿真教學平臺，引入測控專業(yè)系列核心課程的共性基礎(chǔ)知識、各門課程基礎(chǔ)原理及過程分析，借助MATLAB強大的計算功能和圖形處理功能，利用圖形圖像、聲音、動畫、特效等方式，將一些晦澀難講、難以理解的原理、抽象的概念、以及性能分析等進行準確、形象、直觀地表現(xiàn)，從而使學生加深對所學知識點的理解，起到事半功倍的教學效果。激發(fā)其學習的興趣和積極性。

在課堂教學過程中一些理論性強且抽象的概念在老師的講解過后，同學們很難理解消化，現(xiàn)通過虛擬仿真教學平臺，通過點擊不同的按鈕，進行圖形圖像的形式展示，使抽象的知識變得更加形象具體，便于同學的理解掌握，同學們對于一些性質(zhì)難以記憶，通過仿真平臺改變相應(yīng)的參數(shù)，圖形圖像就會進行相應(yīng)變換，這樣就使得難于記憶的知識點記憶的更加準確。

律師稱楊偉東被警方帶走，并不能以此就認定其有罪。但他分析，消息爆出后阿里巴巴很快確認，并且應(yīng)對有序，“當事人可能都不知道，但該知道的人或許早已知道，阿里內(nèi)部很可能已經(jīng)做了初步調(diào)查并掌握了一定的證據(jù)。而且楊偉東剛好在輪值結(jié)束后出事，要么是阿里真的非常幸運，要么是一切都在安排之中?！?/p>

（二）虛擬仿真教學在測控專業(yè)的應(yīng)用優(yōu)勢

專業(yè)授課教師、專業(yè)學生均可以在自己的計算機上使用本文的虛擬仿真教學平臺，具有不受時間、空間限制的特點，能很好的適應(yīng)疫情防控形式下的遠程網(wǎng)絡(luò)教學。該平臺具有在靈活性、實踐性、可操作性等方面具有顯著的優(yōu)勢。

（1）靈活性。平臺的使用者可以靈活更改各模塊單元中的參數(shù)，動態(tài)了解各參數(shù)對結(jié)果數(shù)據(jù)、分析結(jié)論的影響，同時也可以通過圖形或列表形式的數(shù)據(jù)分析、仿真結(jié)果，來掌握各調(diào)整參數(shù)對結(jié)果影響的差異[5]。通過靈活的參數(shù)調(diào)整、動態(tài)圖形、動態(tài)列表展示，使學生更能深入掌握專業(yè)理論知識，理解抽象難懂的一些概念、定理或公式。

（2）實踐性。測控專業(yè)屬于多學科交叉的專業(yè)，對學生實踐動手能力、工程問題分析和解決能力的培養(yǎng)要求高。通過平臺引入專業(yè)知識實例、工程應(yīng)用實例，使學生在課堂內(nèi)、外均可進行自主學習、實踐動手操作，將學生自己日常生活中的聲音、圖像等實際數(shù)據(jù)加載到該仿真平臺，經(jīng)平臺算法的輔助、自己獨立思考、老師專業(yè)輔導，學生自己可總結(jié)分析出自己的結(jié)論，可增強學生分析、解決實際工程問題的能力。

（3）擴展性。平臺采用計算機編程語言來實現(xiàn)，具有很強的擴展性，學生或教師在教學過程中可將自己感興趣的一些知識點、工程實例加入到該系統(tǒng)平臺，并可將原來不足的地方進行逐漸改進，隨著該平臺的使用人數(shù)、使用頻次的增多，該平臺在專業(yè)知識擴充、工程實例儲備等方面會不斷得到完善、升級。

二、虛擬仿真實驗教學平臺建設(shè)的目標和思路

（一）平臺的總體設(shè)計目標

基于現(xiàn)代教育的課程教育改革理念，依據(jù)測控技術(shù)與儀器專業(yè)的培養(yǎng)目標和課程教學標準，并通過對測控技術(shù)與儀器專業(yè)的任課教師、本科生、畢業(yè)生的深入調(diào)研，確定該虛擬仿真教學平臺的總體設(shè)計目標為：對測控專業(yè)的基礎(chǔ)知識、專業(yè)知識進行提煉、系統(tǒng)融合，并在教學平臺中形象、友好的展示，對與測控相關(guān)的專業(yè)實例、工程實例進行甄選、融入到虛擬仿真教學平臺，增強學生在測量、控制等方面的實踐動手、實驗數(shù)據(jù)分析、實驗結(jié)果總結(jié)等能力，為測控專業(yè)建設(shè)添磚加瓦。

（二）虛擬仿真實驗教學平臺架構(gòu)

經(jīng)項目成員的反復探討分析、與相關(guān)技術(shù)專家的交流，確定出所設(shè)計的虛擬仿真教學平臺主要包括基礎(chǔ)知識模塊、專業(yè)知識模塊、工程實例模塊等三部分組成，其分別簡稱為基礎(chǔ)模塊、專業(yè)模塊、實例模塊。基礎(chǔ)模塊主要用于匯總、系統(tǒng)融合測控專業(yè)系列核心課程中重點學科基礎(chǔ)知識，主要涉及各課程共有的、交叉的基礎(chǔ)概念與原理、數(shù)學變換及其性質(zhì)等內(nèi)容，在平臺中以可動態(tài)參數(shù)調(diào)整、可視化圖形界面展示。專業(yè)模塊進行測控專業(yè)知識凝練，突出每門課程在專業(yè)人才培養(yǎng)方面的優(yōu)勢，可通過按鈕操作導入、導出數(shù)據(jù)、圖文分析結(jié)果并靈活設(shè)置各實驗參數(shù)。實例模塊主要引入測控專業(yè)相關(guān)的、學生比較感興趣的一些工程實例，增強學生對未知探索的渴求，為課程實踐、工程實踐提供一些解決問題的方法和思路。

三、平臺的建設(shè)內(nèi)容

使用者進入虛擬仿真教學平臺后首先進行賬號登錄，登錄成功后進入三個學習模塊，具體模塊建設(shè)內(nèi)容如下所述。

（一）基礎(chǔ)模塊

測控專業(yè)學生必須掌握的最基礎(chǔ)知識點是信號采樣與合成，以往學生經(jīng)常采用死記硬背形式來記憶該知識點，沒有深入理解其定理內(nèi)涵。在該平臺模塊中采樣定理知識點，通過輸入原始信號的幅值、頻率、相位等信息，生成原始信號并展示信號波形，再輸入采樣頻率，并展示采樣之后的波形，通過調(diào)整采樣頻率大小，可以直觀展示采樣之后原始信號的恢復情況，若不滿足采樣定理，信號將發(fā)生失真并失去了獲取真實、有用信號的信號采集目的。信號合成結(jié)果主要受待合成信號的樣式、頻率影響比較大，通過平臺改變待合成信號的樣式、頻率等參數(shù)，點擊“信號合成”按鈕之后，就可以直觀展現(xiàn)合成之后的信號，通過該實驗仿真，可總結(jié)出各個待識別信號樣式、幅值、頻率等參數(shù)之間的關(guān)系對合成信號的影響。

（二）專業(yè)模塊

專業(yè)模塊是針對測控專業(yè)核心課程進行開發(fā)設(shè)計，主要由《數(shù)字圖像處理》《信號與系統(tǒng)》《數(shù)字信號處理》《傳感器原理及應(yīng)用》《誤差理論與數(shù)據(jù)處理》《測控電路》《控制系統(tǒng)與仿真》等課程單元組成，依據(jù)課程大綱、不同課程的知識內(nèi)容特點，對每個課程的模塊知識結(jié)構(gòu)體系、知識點進行設(shè)計。這里以其中的幾個課程單位為例進行闡述。

《傳感器原理及應(yīng)用》《誤差理論與數(shù)據(jù)處理》課程中對傳感器、檢測裝置、檢測儀器等測量數(shù)據(jù)進行處理是測控專業(yè)學生的基本技能，以往學生的實驗訓練，主要是通過簡單數(shù)據(jù)用手算、復雜數(shù)據(jù)用計算工具的形式，耗費時間長，為達到準確需反復計算、修正，通過本文的虛擬仿真實驗平臺，點擊“導入數(shù)據(jù)”按鈕可將數(shù)據(jù)進行批量導入并在數(shù)據(jù)列表中進行呈現(xiàn)；點擊對應(yīng)的參數(shù)按鈕，就可快速、準備的計算出傳感器的靈敏度、線性度、遲滯等靜態(tài)特性參數(shù)；對測量數(shù)據(jù)的平均值、標準差、不確定度等參數(shù)進行快速計算、高效處理，并能進行回歸分析、最小二乘擬合、殘余誤差分布等運算，以波形、參數(shù)列表等形式進行形象展現(xiàn)，操作簡單、快捷。

《數(shù)字圖像處理》課程單元包括圖像灰度化、二值化、基于各種算子的邊緣檢測、圖像增強、圖像濾波、形態(tài)學計算、AI識別算法等單元組成；《數(shù)字信號處理》課程模塊包括典型信號展現(xiàn)、典型信號分析、傅里葉變換及性質(zhì)、Z變換及性質(zhì)、數(shù)字濾波器設(shè)計、小波分析等內(nèi)容。

通過專業(yè)模塊在課程教學中的應(yīng)用，可使學生掌握專業(yè)課程中一些抽象概念、原理、公式，加深專業(yè)知識的記憶，同時也會提高任課教師的講課效率、教學質(zhì)量，為后續(xù)課程設(shè)計、專業(yè)綜合設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等實踐課程打下堅實的專業(yè)基礎(chǔ)。

（三）實例模塊

實例模塊有助于學生深入了解專業(yè)知識的應(yīng)用，培養(yǎng)理論與實踐相結(jié)合的能力，提高專業(yè)素養(yǎng)，并能擴展學生的科技視野，提升學生的科研探索精神，培養(yǎng)其創(chuàng)新、研發(fā)意識。實例模塊是對案例式教學方法的一種案例展示模式，通過本專業(yè)相關(guān)的實際工程案例呈現(xiàn)，激發(fā)學生的學習興趣，加深理論知識的理解，促進學生由被動接受知識向主動接受并積極去探索方向轉(zhuǎn)變，啟迪學生思維，使學生積極思考，努力探索工程實例的原理、實現(xiàn)過程，甚至提出更先進、完善的改進方案。此外該模塊可減少專業(yè)任課教師的案例搜集、整理的時間，減少其備課工作量，提高教學效率。

該實例模塊結(jié)合本校測控專業(yè)教師前期的公開研究成果、本科畢業(yè)設(shè)計研究成果、專業(yè)相關(guān)的典型工程應(yīng)用等內(nèi)容進行設(shè)計。主要包括工程信號處理、自動控制仿真、語音識別、車牌識別、車標識別、人臉識別、人體姿勢識別、智能交通燈等實例。例如，工程信號處理實例中包括聲發(fā)射檢測斷鉛過程信號、電機振動信號分析實例，點擊“導入數(shù)據(jù)”按鈕，將信號進行導入，可進行時域波形展示、時域特征參數(shù)計算、濾波分析、小波分析、頻域分析等操作。

四、結(jié)束語

通過提煉測控專業(yè)系列核心課程內(nèi)容并構(gòu)建虛擬仿真教學平臺，將學生難以理解的原理和抽象概念、繁瑣數(shù)據(jù)處理、難度較高的系統(tǒng)分析、工程應(yīng)用實例等內(nèi)容，利用平臺進行準確、形象、直觀地圖形化展示，實現(xiàn)了虛擬仿真與傳統(tǒng)教學方式相結(jié)合的混合教學模式。

利用虛擬仿真教學平臺將本專業(yè)一些知識形象、生動地展示，既提高了學生的學習興趣又節(jié)約了在黑板手繪示意圖以及公式推導的時間，促使學生在較短時間內(nèi)掌握一些復雜的專業(yè)知識；將課程理論知識與虛擬仿真相結(jié)合，有利于增加學生自主學習的參與度，提高學習效率，增強學生編程能力、邏輯思維能力，培養(yǎng)其創(chuàng)新意識、科研精神，同時也可輔助專業(yè)教師進行高效教學，改善教學效果；有力推進虛擬仿真實驗教學改革，做好課堂學習到實踐學習的銜接。

該虛擬仿真教學平臺經(jīng)專業(yè)教師試用、學生體驗后得到了普遍認可和很好的評價，后續(xù)會繼續(xù)深入、完善該平臺，以便該平臺為測控儀器專業(yè)人才綜合素質(zhì)的培養(yǎng)發(fā)揮更大的作用。