仿真教学在工程教育中的应用分析

邹祝英，彭文武，罗清海，刘小凤

（1.南华大学 文法学院；2.湖南科技经贸职业学院；3.南华大学 城市建设学院，湖南 衡阳 421001）

仿真教学在工程教育中的应用分析

邹祝英1，彭文武2，罗清海3，刘小凤2

（1.南华大学 文法学院；2.湖南科技经贸职业学院；3.南华大学 城市建设学院，湖南 衡阳 421001）

用工程教育中仿真教学的特性，在仿真教学中体现建构主义学习理论，提出仿真教学应该遵循的基本原则。仿真教学不能完全代替基于实物的实验、实训教学，两种教学方式应当有机结合，优势互补，进一步提高模拟情境的仿真性。

仿真教学；工程教育；软件；建构主义

仿真教学就是利用实物或电脑创设各种虚拟环境来模拟真实环境，并根据真实环境中的理论和实际操作情况在虚拟的环境中进行操作、验证、设计、运行等的教学方式。目前在各类教育中广泛使用仿真教学，而且多数仿真教学利用计算机技术来完成［1－3］。建构主义学习理论在现代教育中的广泛使用，也促进了仿真技术在教学中的快速发展［4，5］。大多数学科的教学都有相关的仿真教学软件，而且各类仿真软件的升级更新日新月异，更加智能化、“真实”化的软件不断涌现。伴随计算机技术和软件水平的快速提高，以及高校持续扩招中实践教学硬件建设的滞后，工程技术教育中推广仿真教学既具备了物质技术基础，也有其现实刚性需求，加强工程技术教育中的仿真教学研究，对提高教学成效，促进教学相长有十分重要意义。

一、工程技术教育中仿真教学的优势

工程技术教育对实践教学设施依赖性较强。在工程技术教学中广泛使用仿真技术，一方面是因为计算机性能的提升和计算机及网络应用的普及为仿真教学提供了硬件环境，另一方面，连续十几年的高校扩招，实践教学配套建设的欠缺、滞后，为仿真教学产生了刚性需求［6，7］。工程技术教育中仿真教学的优势主要体现在以下方面：

（1）节约成本，缓解实践教学硬件建设压力。使用仿真教学，设备投入少，只需要建设机房，投入计算机和购买软件，相对于实验室、实训基地建设，成本非常低廉。并且，设备的利用率很高，借助网络技术，一个仿真实验室安装一套专业仿真软件，可以同时满足多人实训、实验等仿真实践训练。

（2）维护简单，升级方便，能够跟踪学科发展前沿。实物仪器设备维护成本高，折旧快，更新时造成大量的浪费，而仿真教学只需要维护计算机和升级软件，可以及时跟踪相关技术发展的最前沿，这个难度和费用都是很低的。

（3）使用灵活，利于学生自主学习。依赖计算机及网络技术，仿真教学不受时空局限，不仅教师上课演示也达到了前所未有的便利，学生也可以根据自己的情况进行自主的实验或探索学习，也方便学生在任何场合进行协作学习，对提高学生学习积极性和学习效果具有不可忽视的作用。

（4）资源丰富，网络提供各种素材资源。很多仿真软件公司在销售软件之后，有相关的售后服务，提供各种教学素材，有利于软件功能的扩充；借助现代Internet网络，也可以搜索得到海量的教学素材，丰富教学内容和提高教学效率。

（5）适用面广，便于建设资源共享平台。有些仿真软件是综合多个相关学科的功能于一身，一个软件可以适用于多个学科使用。比如MATLAB是一种功能强大的系统分析和仿真软件。作为编辑语言和可视化工具，MATLAB具有丰富的一系列功能，可解决工程、科学计算和数学学科中的许多问题。国外，尤其是美国，各著名大学早在20世纪80年代已把MATLAB列入电气、土木、机械等工程类专业课程的教学计划，成为大学生、研究生必修的课程和实验环境下必须掌握的技术工程。

（6）提高时间效率，便于控制教学节奏。在使用仿真软件后，实物教学需要花费很长时间的项目，可以在短时间内高效的完成。比如电路图的连接，只需用鼠标轻点需要连接的对象即可，而在实际操作中无论是用面板插件连接还是焊锡焊接，都比较费时。在仪器仪表的使用上，仿真软件可以简便快捷地获得直观的结果，而在实物试验中，要调整、校对、读数，占用大量时间。目前多数仿真软件都可以提供技术参数或文档生成功能，需要的一些文字材料可以直接生成，大大节约了文字输入的时间。

（7）提高实验安全，防范教学意外事故。工程类专业课程教学中，有时候需要进行破坏性实验或模拟故障实验，例如电子电器中的极限电压实验、电子制作完成后加电实验、电器故障模拟实验等。这些实验有些将破坏实习件，有些具有安全隐患。采用计算机系统配合仿真软件进行演示实验和观察，将带来很大的方便。

（8）选择灵活，便于因“材”施教。得益于近年软件产业的快速发展，功能相近或交叉的软件很多，可以结合课程或项目教学的需要灵活选择。比如数控机床教学，国内公司开发的就有CVM系统、FANUC系统、SINUMERIK系统、MITSUBISHI系统、HNC系统、GSK系统、KND系统、DASEN系统等等。仿真教学具备沉浸感、感知性、交互性特点，实现了课程教学与工程应用的“无缝对接”。

二、工程技术教学中采用仿真教学的缺点

仿真教学在工程技术教学中广泛应用有其理论基础也有现实意义，但不可用仿真教学完全代替实物的实验、实训教学以及工厂生产实习。

（1）不能培养实物操作技巧和经验。仿真软件使用实效，直接制约于对相关实际物件感性基础。尽管很多教学软件可以实现“高仿真”，但和实际情景还是有很大差别的，实际仪器元件的使用有很多经验问题，这方面的“感觉”必须从实际操作来获得，仪器的摆放、连接等在电脑上是不能实现的。一般实物的连接会用到一些专用工具，其操作技巧也不可能通过鼠标点击来获得。另外，在实物操作中的一些安全注意事项一般在仿真中没有涉及，不利于安全意识培养。

（2）应用成效受计算机和英语基础的制约。使用仿真软件教学，学生是依赖计算机进行学习，人机对话的技能直接制约了仿真软件功能的发挥。很多软件是国外开发的，普遍使用英文，所以使用者的英文水平尤其是专业英语水平也制约了软件的使用。

（3）教学情境理想化，简单化，共性化。实际工程情境往往是多种工程因素相互制约的结果，是动态的；而且仿真软件给出的往往是基于某种简化模型的理想化结果，比如仿真软件在做电路的分析时，在教学中经常将工作环境理想化，简化分析数据和过程，便于学生理解问题的实质。但理想化结果必然与实际工作时的各种参数制约下的结果存在差异。

（4）不利于培养坚韧、刻苦精神。完全依赖仿真教学，缺乏实际操作中吃苦耐劳的磨练，有可能导致对虚拟现实的依赖思想，产生某种基于理想虚拟情景的空想；一些软件的动画演示绚丽多姿、节奏紧凑，容易导致思维的浅层化，缺乏对科学规律、机理深刻思索；过多依赖仿真软件容易形成某种浮躁情绪，不利于培养勤奋坚韧、刻苦探索的精神。

三、建构主义学习理论在仿真教学中的体现

由于多媒体计算机和基于Internet的网络通信技术所具有的多种特性特别适合于实现建构主义学习环境，能有效地促进学生的认知发展，所以随着多媒体计算机和Internet网络教育应用的飞速发展，建构主义学习理论正愈来愈显示出其强大的生命力。建构主义学习理论的情境、协作、会话和意义建构等四大要素在仿真教学中得以充分体现［8，9］。

（1）仿真教学为学生创设了一个“仿真”学习情境，有利于学生理解学习任务和认知重构。比如，在电子设计自动化 （EDA）技术的仿真软件EWB中，为学习者提供了一个虚拟的实验室环境，可以从各个器件库中选取元器件，搭建电路仿真运行。另外，有的软件还提供了设计印刷版的功能，使得这些软件既可应用于教学也可应用于实际电子工程项目的开发。

（2）协作发生在学习过程的始终。在利用仿真软件学习时，教师和学生之间存在诸如学习内容的布置，学习材料的分配之类的协作，在学生之间也需要搜集资料，合作实验、分析问题的协作，也有老师对学生、学生之间的相互评价等协作。

（3）会话是协作过程中的不可缺少环节。在仿真教学或学习过程中，必然产生各种会话，包括师生、学生之间的会话，也包括人机之间的会话。会话加速认知重构，将知识转化为能力。

（4）意义建构是整个学习过程的最终目标。在仿真教学中，通过创设的仿真情境、师生之间、学生之间的会话和协作，逐步理解问题情境中的知识，达成意义的建构，也就是将新的知识整合到学习者已有的知识结构中，转化成个人的能力。

四、仿真教学应该遵循的原则

尽管种类齐全、更新迅速的软件在很大程度上方便了工程技术教学，解决了很多因场地、设施、仪器的短缺而造成实验、实训无法开出的困难，但是软件主要解决的毕竟只是教学中的某些共性、常规的问题，实际教学过程中的个性、特殊的情形有赖于基于仿真软件的课件开发和创新，或者基于可视化编程语言开发专门的仿真软件，才能真正做到因“材”施教和因“才”施教，充分发挥仿真教学的成效［10］。比如，利用Authorware所具有的动态连接功能，把任何一种语言创建的程序或其他成果导入Authorware程序之中；可以利用Delphi，Visual C＋＋，Visual Basic等编程语言开发出小型仿真程序并编译成可执行文件，作为仿真软件或课件直接使用，或是被其他的页面链接；可以使用flash等软件制作动画，可以使用Photoshop等图形软件处理各种图形材料，可以使用DreamWave、Frontpage等网页软件来制作仿真页面。很多情况下，还需要设计仿真仪器或仪器操作面板，这时需要用软件来模拟仪器的内部功能并设计接口电路将仿真仪器或仪器操作面板和电脑连接。

仿真软件和课件的开发应遵循以下几点原则：

（1）强调“双主”模式教学。教学系统的设计充分体现“主导—主体”教学理论和思想而展开。教师是教学活动的组织者、学习情境的创设者、学生实验过程的指导者和意义建构的帮助者；而学生应在教师的帮助下，进行探索式、发现式学习，成为信息加工的主体、知识意义的主动建构者。

（2）创设仿真情境。为了创设符合教学内容要求的“仿真”情境，在教学设计中，尽可能地提供和保持实际情况所具有的生动性、丰富性和系统性，并配以适量动画、文字和声音等媒体数据文件。在仿真情境下学习，一方面可以使学习者能利用原有认知结构中的有关经验去同化当前学习到的新知识，从而赋予新知识以某种意义；如果原有经验不能同化新知识，可以引起“顺应”过程，达到对新知识意义的建构；另一方面，通过逼真的仿真执行和动态演示，教师可以帮助学生建立“新知”与“旧知”之间的联系，提高学生的领悟和参与能力，从而激发动机，促进意义的建构，使学生实现有意义的学习。

（3）建立良好的协作学习环境。协作学习对于促进学习群体达到对当前所学知识的理解起着至关重要的作用，有利于学习者自由探索和自主学习。协作学习注重学习者与环境的交互作用：一方面，学生借助仿真软件，根据自身的情况，从不同的角度选择学习切入点，通过“同化”与“顺应”达到对新知识一定程度上的意义建构；另一方面，利用实际电子设备以及网络集成信息系统进行学习的自我评价。学生在教师的组织和引导下一起讨论和交流，使学习者群体的思维与智慧被整个群体所共享，共同完成对所学知识的重构。

（4）以认知重构为学习过程最终目的。在多媒体仿真系统设计中，一方面提供建构理解所需的基础，同时又留给学生广阔的建构空间。由于把媒体的选择、使用与控制的权力交给了学生，教师需要指导学生检索、提取、加工信息资源。因此，在这种学习环境里，既创设有利于学生意义建构的情境，又有老师在教学过程中的导学作用，建立了一种教学相长、协调一致的教学氛围。教学设计的整个过程紧紧围绕“意义建构”这个中心，不论是学生独立探索、协作学习，还是教师辅助学习，均把对知识的意义建构作为整个学习过程的最终目的。

在工程技术教育中推行仿真教学，是建构主义理论的具体实践。仿真教学为建构主义学习理论中的四要素在实际教学中的实现提供了一种现实性，反过来，这种实践又进一步检验、发展着建构主义理论。进一步提高仿真软件的情境仿真性是推广仿真教学的必要的、必然的努力方向。

［1］刘建高.基于自主学习的仿真教学研究与实践［D］.南昌：南昌大学，2011.

［2］李凌云，王佳，王海军.我国虚拟实验研究现状的实证分析［J］.现代教育技术，2009（12）.

［3］李凌云，王海军.网络虚拟实验系统研究现状与发展趋势［J］.现代教育技术，2008 （4）.

［4］艾兴.建构主义课程研究 ［D］.重庆：西南大学，2007.

［5］何克抗.建构主义——革新传统教学的理论基础（上）［J］.电化教育研究，1997（3）.

［6］王劲松，谢水波，谢磊，等.水质工程学课程的视频仿真教学实践［J］.中国现代教育装备，2011 （7）.

［7］季洪涛，许映秋，谈英姿.学生自主学习仿真系统模型分析［J］.计算机仿真，2009 （7）.

［8］陈泓宇.基于建构主义的网络课件设计［D］.杭州：电子科技大学，2010.

［9］胡强.面向自主学习的仿真虚拟学习环境的设计与实现［J］.软件导刊 （教育技术），2009 （4）.

［10］赵建华.课堂与Web环境下协作学习组成要素的对比分析［J］.中国电化教育，2007 （2）.

Application of Emulation Instruction in Engineering Education

ZOU Zhu－ying1，PENG Wen－wu2，LUO Qing－hai3，LIU Xiao－feng2
（1.School of Literature and Law，University of South China，Hengyang Hunan 421001，China；2.Hunan Vocational Colleges of Technology，Economics and Commerce，Hengyang Hunan 421001，China；3.School of Urban Construction，University of South China，Hengyang Hunan 421001，China）

The advantages and disadvantages of emulation instruction in engineering education were analyzed in this paper.The reflection of constructivism in emulation instruction was discussed，and the basic principles of emulation instruction were presented.Emulation instruction can not completely replace the physical experiment，training teaching，and the two teaching methods should closely combined，complementary advantages，and enhance the similarity of simulation scene.

emulation instruction，engineering education，software，constructivism

C427

A

1673－0313（2012）01－0146－04

2011－11－12

湖南省教育科学“十二五”规划课题 （XJK011BGD034），湖南省教育厅科研课题 （08D064）。

邹祝英 （1974—），女，湖南祁东人，讲师，从事高等教育研究。