浅析高职院校虚拟仿真实验教学模式

李冬 李敏 冯乔

高职教育的重要特征是具有鲜明的职业岗位针对性，实训教学是高职院校教学过程中的重要环节。目前国内高职院校办学规模扩大的速度迅速加快，但是教学经费不能随着办学规模的扩大而同比增加，这进一步加剧了实验资源短缺。另外，随着科学技术的发展和教学改革的需要，原有的实验技术和设备由于陈旧老化等原因不能满足实验教学的要求，符合要求的实验设备因价钱昂贵而只能配备很少套，而且原有的实验教学系统不利于学生与教师的互动。基于以上情况，积极探索实践教学的新途径，改革实验体系，革新实验手段也就势在必行。

虚拟技术在软件技术和计算机技术不断提高的基础上，广泛应用到教学和科研的很多领域。虚拟仿真教学能直接有效地提高学生的技能水平，具有多感知性、沉浸性、交互性、构想性等理念。这些特点有益于高职院校的工学结合的项目式教学，为解决高职教育面临的教学培养目标与学生就业相挂钩开辟了一条新思路。国内外学者一直不断地研究与探索新的实验教学方法，因此虚拟实验室就在此基础上应运而生了。

虚拟实验室的发展是一个控制虚拟设备至物理设备的过程，虚拟实验室在科研与其他创造性活动中，为了创造及获取成果，利用分散的信息和通信技术，进行远距离合作和实验的一种电子协作组。为了达到与在普通实验室中相同的实验效果，实验者通过网络发送指令给服务器端控制的实际设备或者仿真对象，并且可以通过图表、动画等形式的实验结果反馈给用户，实验者可以在计算机终端自由地学习有关实验内容并进行实验。利用计算机在虚拟实验室做实验，避免了传统实验对实验地点和实验时间的限制要求。

一、虚拟仿真实训教学的意义

我国职业教育正处于发展阶段，还存在许多薄弱环节，如何能把最新、最实用的技术有效地传授给学生，是职业教学迫切要考虑的问题，而虚拟仿真技术作为一种新兴的教学媒体正好迎合了职业教育的要求。

1.虚拟仿真实训教学有利于提高学生的学习兴趣。职业教育要突出真实环境，没有设备一切都是空谈。虚拟仿真技术采用计算机作为传播工具，开发一些优秀的辅助教学软件，可以根据实际设备和工程情况进行教学情景创设、互动来组织教学活动。虚拟仿真实训教学环境创设多种情景，采用三维动画模型，添加丰富的色彩和音乐，将“大型的设备”搬上了课堂，真正实现理论和实际的有机结合，这样的教学环境更有效地激发了学生的学习兴趣。学生在学习过程中针对真实设备通过虚拟系统建立模型的同时，可以直接观察到虚拟环境所产生的和真实设备相同的结果，从而使实验教学模式得到了革新，具有形象生动、交互性、反馈实时等明显的优势，并使学生的创造性思维得到了提高，培养了学生的主动性和创新性。因此，虚拟仿真实验教学模式增强了学生自主学习的能力，对学生在学校就能提前熟悉企业的现场环境和真实设备，熟练掌握职业岗位技能起到了很好的效果。

2.虚拟仿真实训教学有利于降低教学成本。信息技术迅猛发展，传统的教学媒介在学校教育中通常存在滞后性。教育的普及和教学技术的更新需要一定的条件，比如硬件资源的配备和师资条件是否达到要求。为了加快教学技术发展进程，学校通常会淘汰一些硬件设备和教学仪器，而这些教学资源和实训教学媒介其实没用多久，但是因技术上的革新和教学改革而面临“下岗”，高职院校实验设备的改造和教学资源的升级，只能通过购买新设备的方式来进行解决。这种对老设备采取全部淘汰的状况既造成有限教学资源的浪费，学校也会因为资金问题不能立马投资新设备，最终使教学改革不能持续，教学过程处于陈旧老套的状态。建立虚拟仿真实训室则可以使实验设备重复利用，实验室改造和升级也仅取决于电脑和软件的改进与升级，原来老设备等硬件资源也可以结合使用。虚拟仿真系统的最大特点是不需要实验耗材，且可以反复实践教学内容，有效降低了学校在实验设备的资金投入，虚拟仿真实验具有先进性、共享性、易扩充性和易于改进等特点，在虚拟的环境中实现了课程改革和教学内容的创新，满足不断变化的教学改革需求，学生职业技能的培养目标也能及时跟上时代新技术的发展。

二、虚拟实验教学的研究目标与内容

高职教育课程的特点就是实践性非常强，面向工程的应用，只有通过实验进行操作，才能真正掌握应用技术。在高职院校现行的实践教学中，工程项目中典型的被控对象都具有体积大、价格昂贵、维护困难等特点，而且一套设备能容纳的学生数也有限，实验方案的改造与创新都比较困难，难以满足教学改革要求，影响培养质量。

建立一种新的实验教学模式，加强实训基地的内涵建设，充分发挥实训基地的作用，突出学生创新、开发技能的培养，将学院实训基地建设成应用研究的平台和职业技能培训的基地。

1.研究目标。针对各类课程，建立虚拟实验系统，充分利用有效的计算机资源，完成一些开放性和设计性实验，把这些教学新手段逐步融入课程教学中，这也将是课程改革的发展趋势。在探索课程实践教学方法及模式的同时，培养学生综合设计和操作能力，提高工程技术素质。具体而言，研究目标包括：（1）构建课程虚拟实验系统，例如针对机电、自动化和电子专业，主要包括电工、电子、单片机课程；可编程控制器的应用、电力电子和电机等课程。（2）教师所能达到的职业技能要求；需要教师自身的知识、能力方面有较大的提高，尤其是动手操作能力和解决实际问题的能力要有大的提高，并且要求过硬的计算机软件应用能力。（3）要确立教师主导、学生主体地位，做到教、学、做有机结合。激发学生的主动学习精神，培养学生探究真理的良好习惯和克服困难、解决问题的主动精神与创新意识。（4）课程中针对相关课程的开发系统的教学和项目的具体实施。

2.研究内容。针对各门课程的实验系统进行了项目开发并编写仿真实验指导书，另外在课程实践教学中逐步实施。项目开发主要根据原有实验项目，通过不同的仿真软件对实验项目进行虚拟仿真，通过多种应用软件开发系统进行虚拟动画仿真，最终还要引导学生毕业设计时结合实际课题，采用虚拟仿真技术进行仿真实现。

三、采用虚拟仿真技术的优势

虚拟实验系统不仅可以作为真实实验的前期准备工作，而且可以在一定程度上替代传统的试验。与传统试验相比，它具有明显的优势。

1.大幅度减少样机实验次数，缩短创新实验的开发研究周期，降低实际实验费用。采用虚拟仿真，可以做全部的软件实验和大部分的硬件实验，弥补了设备不全导致不能实现的项目。例如，在电工电子实验教学中涉及电阻、电容、电感的等多种元器件，实验中也常常需要调整某一元件的参数进行电路调试，而实验室不可能备全各种参数的元器件，不断地更换元件，会使电路板使用寿命缩短，这时，如果使用虚拟仿真软件进行电路连接实验，既方便实验，又可以不断地调整电路参数。

2.虚拟实验系统不受场地，时间和次数的限制，弥补没有真实设备的直观效果。当前的可编程课程教学都采用项目式教学，项目大都来源于企业实际的设备控制单元。比如，液位控制系统小车的往返运动等。实际上大部分学校实验室没有水泵、小车等设备，那就不能真实看到液位升降的效果和小车的运行过程。通过MCGS组态软件进行仿真运行，可以实时观察水罐水位的升降和具体的液位参数，并可以设置高低极限液位参数并报警，也可以看到小车的动作过程。另外，虚拟实验代替实际实验，可以不受场地、环境和时间、次数的约束，可对实验过程进行回放、再现和重复。

3.虚拟仿真避免学生由于在实验电路中的过失而引起元器件和仪器的损坏。又如在电力电子实验设备中，由于电路大都涉及三相交流电，学生实验中经常会接错线路而导致设备上元器件的损坏，而且元器件固定在设备中，参数就定死了；另外在信号检测时，双踪示波器同时检测两路信号，由于接地信号不共地，如果没有采取变压器隔离措施，会导致示波器损坏。采用MatLab软件，可以通过器件模型并进行参数设置组合各种电路，然后连接各种仪器，实时测量信号，而且能够改变参数进行实时的信号检测。对整流、逆变的等电路不同时刻的波形都可以实时监控波形图。

四、结语

虚拟仿真实验室投入极少，经济优势明显，不仅可以弥补实验仪器和元器件缺乏的不足，而且没有原材料损耗和仪器损坏的问题，实验调试方便灵活，有助于实验室的管理。虚拟实验技术以其低成本、高效能、灵活可靠等特点，将在实验教学中扮演越来越重要的角色。因此在以后的课程教学中要不断多开发开放性、创新性的实训内容；结合实际的工程项目，多开发校企合作项目。另外，如果课题实施要覆盖全部课程，各门课程的仿真系统都不是同一系统，那对教师提出了更高的要求，要求教师掌握多种仿真开发系统，不断进行知识更新。