信息类课程中的虚拟实验项目设计与应用

李薇，杨庆华，沈雪珍

（1.西华师范大学计算机学院，南充 637000；2.川北医学院医学影像学院，南充 637000）

信息类课程中的虚拟实验项目设计与应用

李薇1，杨庆华2，沈雪珍1

（1.西华师范大学计算机学院，南充 637000；2.川北医学院医学影像学院，南充 637000）

信息类课程使用虚拟实验具有方便性、低成本、开放性、深入性等优点，但因为其受众具有较好软件和数学基础的特点，使得实验设计具有很大特异性和难度。从项目选择、描述层次、结构形式、重点问题、开放性和综合性等多角度，探讨此类虚拟实验设计中可能面对的问题，从方法学角度也给出建议和基本设计思路，并从应用效果及学生素质培养角度上，探讨实验设计的具体方法。

虚拟实验；实验教学；信息类课程；教学设计

0 引言

对理工类学生而言，作为教学的重要环节，实验教学相对理论教学更加直观方便，且具有趣味性和教学效果好的特点。传统意义上的实验教学中，实验项目种类、效果均有一定局限，其开展实施需要一定场地、人力和成本等条件，且通常仅以验证性，单一性实物实验为主，在很多课程教学中也很难做到较高综合性和灵活性。近年来，虚拟实验开始在诸多专业和学科教学中采用，以弥补上述传统实物实验的不足以及进一步改善传统实验效果。虚拟仿真实验本身也包括实物仿真和软件仿真方法，其中尤以软件仿真特色明显，成为主流。其主要设计开发思路是：利用计算机易于图形化的特点，按照外形相似、原理相似、实现方法和过程相似等原理，在计算机上营造一个模拟的可替代传统实验各操作环节的软硬件操作环境[1]。

信号类课程，如《信号系统》、《数字信号处理》、《图像处理》等课程，其教学对象主要面向是计算机、通信、自动化、生物医学工程等专业。这些课程要求数学基础较高，难度较大，在电气信息类专业中有重要的地位。其虚拟实验的开设与其他学科相比具有很大差异：不同于计算机软件课程，可在程序环境中以纯粹模拟方式进行实验教学；也不似纯电子硬件学科，可完全实物操作，或具有通行的硬件模拟专门软件[2]。

该类学科学生本身也常具有较强的数理工程背景，需深入学习内容，而不满足于基本原理的直观展示或演示；另外，作为专业基础课程，信号类课程往往涉及硬件、软件、数学、控制理论等既广泛又深入的内容。上述原因使得信号类课程虚拟实验的开展具有很大特殊性。就目前实际而言，信号类课程的虚拟实验还处于发展阶段，远没有成熟产品可供选择；各校，各门学科，不同学生知识及学习能力、要求等都有巨大差异，这些决定了此类虚拟实验在近年内仍将以教学人员自己设计为主[3-4]。笔者尝试从方法学上对信号类虚拟实验的设计做出探讨。

1 虚拟实验项目的设计

1.1 虚拟实验开设项目

虚拟实验是仿真实验，在某种程度上可减少实验成本，提高实验效果的要求。教学过程中应遵循规则：①尽量以与实际应用类似为优先，其次为教学实验，最后才是虚拟实现；②虚拟实验可以是原理类似，结构类似，方法类似，但不能取代实物实验；③尽量将虚拟实验上学习的知识迁移到实物和实际应用中。可以虚实结合，在条件具备时，逐步增加实物实验内容[5]。

虚拟实验开设项目设计时，按照教学内容进行针对性设计，诸如参数调节，测试点设计，结果显示等若考虑得当，有时也可达到超越实物实验的效果。

1.2 实验的形式，结构考虑

由于信息类学生本身属于虚拟实验的“专业用户”，可以在虚拟实验的形象直观性等方面降低。因此实验不需采用大量图画，背景去标定实物，也不需过多考虑有趣性。该做法的优点是可锻炼学生的数理建模思维，并可培养学生编程分析能力。因此，实验主要工具可采用MATLAB、LabVIEW等环境。在条件允许时，还可由虚到实，逐步向工业领域的方法靠拢[6]。

学生从知道原理，到知道实现方案，逐步过渡到怎么样工业化实现，怎么样处理故障，考虑容错问题等。在教学安排上可设计一个典型事例，由理论教学（基本概念）到虚拟实验，再放回理论（复杂部分），最后完善虚拟实验内容这样一个反馈回路，使得学生更加认识深入。

1.3 平衡问题表述

信息理论课程的教育，应使得学生了解信号采集处理的一般方法和经典方法。学生应对本学科领域里的基本技术路线熟悉，了解应用背景，知晓处理方法。对重要的方法应给予重视，亦即应对实验项目进行细化。在此基础上可让学生了解各个章节内容。

例如信号系统，本身不仅仅是电子线路中信号的基本处理方法，其也是机械、生物、图像等诸多领域中通用的处理方法；在传统验证性实验基础上，可大量的补充，并考虑如何应用相似的方法，进行各类物理系统建模，抽象出大家所熟悉的信号与系统，并在课程中找到可用的方法。“高观点”的表达，适合水平较高、教师专业背景来源广泛的院校，设计实验也可以丰富多样化。

又如图像处理，信号处理等课程，或统计处理，微分方程，积分变换等课程，数学知识是整门课程的难点和核心。如果不予以适当的“低观点”化，整个课程教学可能会完全变成数学教学。对大多数本科生而言，没有能力也没有必要对这些内容完全深入。正如一本模式识别的教材中提到：“掌握课程的先导课程是代数学、矩阵论、函数论、概率论与数理统计、最优化理论与方法、模糊数学、信号处理、人工智能原理、计算机软件与设计。对于多数读者，不可能也不必要花费大量精力和时间去学完上述全部课程”[7]。

1.4 处理教学重点问题

虚拟实验的一个较大优势是避免了较大的实验设备投入。由于实验方法通常在计算机上完成，其效果必然没有实体实验那么直观和有针对性。在实验设计中，尤其应注意突出教学重点，及发挥其本身的优势。

例如图像处理课程的教学，使用较实际的编程语言C++等，学生和教师会将大量的时间用于语言程序的学习，编写和调试，这样课程似乎变成了程序设计课，反而忽视了图像处理本身的内涵。采用虚拟实验，则可以根据学生学习进度适时调整学习的重点。图像处理的第一层次是像素处理，基于灰度的操作。第二层次是考虑尺度、时频处理、包括小波、分形、编码、形态学、表示与描述等等，第三层次是模式识别，图像分析，计算机视觉等，教师可以根据学生学习进度和情况，在不同教学阶段设计出突出该阶段特色的处理方法。这样，学生可由浅入深逐渐领会课程的完整性[8]。

1.5 操作性，直观性的考虑

增加实验的操作性和直观性，学生可较易利用多参数及动态的角度得到实验结果。相比于学生自己编程，或进行程序调试，虚拟实验的趣味性、易用性更好。

编程、调试和分析，在时间允许时，可以鼓励学生进行。但是在日常教学时，可能出现的问题是分散学生的精力，如前文所述。此外难度也会增大。所以，较为实用的方法是，将虚拟实验封装好，或设计一个易于执行和选择的界面。为学有余力学生还可以开放编程接口，调试窗口。

操作性良好的界面，具有以下优点：①和实际应用相似，和编程中参数调试内容相似；②最好是所见即所得，可以有多角度的显示方法；③考虑人机工程学的因素，符合学生学习的心理及认知过程。

总体而言，虚拟实验的界面是简单，向真实靠拢，满足实际需要即可。

1.6 实验开放性，探索性的设计

实验的开放性主要包含两方面含义，一是实验对象应用的方便性，如网络访问、交互实验等等，由于涉及大量网络设计的工作，此类问题这里不做赘述，另一方面，开放性是指学生易于使用，并且可以基于原有实验内容的扩展和深入。这个概念类似于通常所说的一些开放免费软件的开放性。探索性，主要强调其适合于学生，遵循该虚拟实验思路，对某类特殊问题的研究。

虚拟实验最大优点是实验的低或无成本，学生做实验时，虚拟实验可以具有无运行成本，无需考虑器材的破坏，无物理伤害等特点，这样可以大大鼓励学生的开放性和探索性设计。教师也可以开放程序，让学生参与界面交互操作，甚至参与实验程序的设计，这样可以满足学生的深入学习需求。

1.7 综合性课题实验的设计

虚拟实验在综合性课题和实验中也可发挥出自己的优势。无需或较少考虑接口问题，更加灵活性，更深难度与综合性这些特点可进一步体现出虚拟综合性实验的优势。事实上，一些大型军工武器实验，大型工业实验项目的预验证也是利用虚拟仿真方法来实现的。在信号类课程的实验设计中也有类似方法思路。

较完备的综合性实验可以帮助学生对多门课程知识进行整合，学生通过实验可更牢固地掌握课程间的联系，从而对以前支离孤立的知识点有更加深入的认识。较好的综合性实验设计，本身也可作为学生的毕业论文题目。

2 结语

一个良好虚拟仿真实验的设计，其主要出发点应是学生学习过程中的良好收获，因此需满足以下几点：1.目的明确：实验内容紧紧围绕教学内容，突出重点；2.满足教学要求和特点：包括符合学生和初学者的由易到难，既有理论描述理解，又可以满足技术路线，方法的训练；3.安全有效和便捷成本低：贴近真实和实物实验，发挥虚拟实验成本低，安全，参数易调等优势；4.内容更深入、探索性和新的感知：内容上，较之传统实验难度深入，可以培养学生综合探索精神，尽量增加学生新的感知。

[1]苏培华.基于虚拟仪器的虚拟实验应用研究.电子设计工程[J]，2015，23(13):172-175.

[2]涂铮铮,程凡,徐沁等.计算机专业硬件类课程虚拟实验平台设计电脑知识与技术[J]，2015,11(32):106-108.

[3]耿艳香,徐文超,张立毅等.教学实践中虚拟实验的发展与完善.计算机教育[J]，2014,24：119-121.

[4]姜树杰.巧用虚拟实验技术解决教学难点.实验技术与管理[J]，2016,33(4)：100-102.

[5]刘芸,张文辉.基于内容分析法的虚拟实验教学应用研究.中国教育技术装备[J].2014,12：3-6.

[6]燕慧英,杜娟.信号类课程的虚拟实验平台设计.大众科技[J]，2015,17(7)：155-157.

[7]孙即祥.现代模式识别（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2008.

[8]蒋世忠,黄展鹏,赵洁.医学图像处理虚拟实验室的研究与构建[J].微计算机信息，2010，26(5)：212-213.

Design and Application of Virtual Experiment in Information Courses

LI Wei1，YANG Qing-hua2，SHEN Xue-zhen3

（1．College of Computer Science,West Normal University，Nanchong637000；
2．Department of Medical Imaging,North Sichuan Medical College，Nanchong 637000）

The virtual experiments used in information courses have many advantages of convenience,low cost,openness,depth.Their audiences have good foundation of software and mathematical,so the designs of virtual experiments have great specificity and difficulty.From the aspects of project selection,description level,structural style,key issues,openness and comprehensiveness,discusses the possible faced problems in this kind of virtual experiment designs.From the point of view of methodology,it also puts forward some suggestions and basic design ideas,and discusses the specific methods of the experimental design from the perspective of the application effect and the cultivation of students'quality.

Virtual Experiment;Experimental Teaching;Information Course;Teaching Design

1007-1423（2017）04-0045-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.04.010

李薇（1982-），女，四川广安人，副教授,硕士研究生，研究方向为图像处理、嵌入式、物联网技术

2017-01-10

2017-02-06

四川省教育厅自然科学一般项目（No.17ZB0430）、四川省教育厅自然科学一般项目（No.13ZB0012）、西华师范大学教改项目（No.JGXMQN1329）

杨庆华（1977-），男，江西弋阳人，硕士研究生，副教授，研究方向为医学成像技术、医学图像处理分析

沈雪珍（1972-），女，四川南充人，硕士研究生，讲师，研究方向为计算机应用