仪器类专业虚拟仿真实验教学中心的建设思路

廖肖依 冯烨 王美军 庞立 周龙

[摘 要] 对仪器类专业虚拟仿真实验教学中心的建设思路进行了具体的分析，主要针对仪器类专业的相关知识、实验技能以及虚拟仿真实验教学中心的建设进行探讨。通过采取校企合作的方式，站在学科的优势角度上构建涵盖基础教学、专业训练以及学科前沿技术的多层次的实践教学平台，为我国仪器类专业的发展提供坚实的理论基础。

[关 键 词] 仪器类专业；虚拟仿真实验；教学中心；建设思路

[中图分类号] G434 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2018）22-0152-02

在高等教育信息化建設和教学示范中心建设中，虚拟仿真实验室教学是其中一个必不可少的部分，现代信息化技术高速发展，学科专业也要随之不断完善进步，而虚拟仿真实验教学就是这两者高度融合的产物。近年来，我国大力推进国家虚拟仿真实验教学中心的建设，对该项建设投入了大批资金，将其作为推进科学发展、共享资源规划的一个关键部分，以此来推进各高校实验教学方式的改革创新。

仪器仪表技术属于信息技术范畴，主要是针对信息检测、信息运输以及信息理论技术等。近几年，我国计算机网络技术取得了飞速发展，随之而来的虚拟仿真技术也取得了明显进步，将计算机技术融入其中，有效地开拓了虚拟仿真技术中的新领域。以天津大学为例，天津大学目前已经开展了虚拟仿真实验教学，并进行了光电子国家实验教学示范中心的建设，在发展现存学科的基础上，又构建了相对完备的虚拟仿真实验教学体系，发展至今，效果显著。

一、仪器类专业虚拟仿真实验教学体系的特点

许多高校都存在重教学而轻实验的问题。事实上，教学只是进行理论部分的传教，而实验才是将理论落实到实际的过程，这两者缺一不可，同等重要。具体来说，仪器类专业虚拟仿真实验教学体系具有以下特点。

（一）成本更低

实验教学不同于课堂教学，需要有相应的实验器材作为教学支撑，但对于高校中的仪器类专业来说，实验器材通常价格昂贵，大批量购置实验器材为高校带来了巨大的经济压力，因此，许多高校都无法及时开设虚拟仿真实验教学体系。而新时期，虚拟仿真技术取得了明显的进步，高校无需花费昂贵的价格购买实验器材，仅需要在计算机上构建虚拟实验室，即可为学生营造一个十分真实的实验环境，学生通过操作虚拟仪器，就可以身临其境般地完成每一个实验操作步骤。学生在虚拟仿真实验教学中心进行实验操作时，不会消耗实验器材，也不会受到外界条件的限制，学生可以反复操作，实验教学的作用可以被最大化。

（二）安全性更高

仪器类专业涉及许多精密的器件，在具体的实验操作时，一旦出现问题，不仅会对仪器本身造成损坏，严重时甚至会对学生的安全带来威胁。而通过虚拟实验教学，就有效地规避了这些问题，即便学生在这一过程中出现了失误的操作，也不会产生严重的后果。

（三）作用更强

实验过程通常较为复杂，高校的学生在进行具体的实验之前，通常都会提前进行实验预习。而虚拟仿真实验教学，不仅可以协助高校学生在实验之前进行预习，帮助学生充分了解实验的操作步骤，减少实验操作摸索的时间，而且对于一些操作难度较大的实验，学生可以先进行实际操作，再通过虚拟仿真实验教学系统进行，从而起到有效的复习作用，通过重复进行每一个实验步骤来消化实验内容。

（四）实验效率高

虚拟仿真实验教学可以有效地帮助学生完成实验目标，另外，随着计算机网络技术的逐步发展，学生不仅可以在校内进行虚拟仿真实验操作，还可以实现远程虚拟实验，高校的教育领域得到了明显的拓展。构建虚拟仿真实验教学中心使实验操作不仅仅局限于实验室，仪器类专业的学生可以通过网络随时进行实验操作，并且在实验的过程中可以与其他实验者进行沟通交流，不仅有效促进了学生之间的共同进步，还可以提高研究效率。

二、构建虚拟仿真实验教学资源的重要性和必要性

近年来，随着我国计算机网络技术的逐步发展，我国的高校教育也步入了一个新的阶段。传统的依靠教师进行知识教学已经无法满足当前学生获取知识的要求，计算机已经逐渐成为高校学生学习的一项重要工具。高校面临实验教育改革的新问题，而且虚拟仿真实验教学技术的出现，则有效缓解了高校教育改革过程中面临的危机。虚拟仿真实验教学中，虚拟是重点，仿真是实质，教学是目的，通过人机交互的方式，为高校学生创造进行实验活动的平台，协助教师完成教学任务，从而达到锻炼学生实验动手能力的目的。深究仪器类专业虚拟仿真实验教学中心建设的重要性，具体体现在以下几点：

（一）基础教学理论实践方面

虚拟仿真实验是在真实的实验基础之上构建的，通过进行虚拟仿真实验操作，可以有效促进学生对课堂所学知识更为深入地理解。虚拟实验同实际实验大致相同，学生可以通过虚拟实验环境完成与实际实验一致的实验操作，虚拟实验同时也具有更为明确的优势，仪器类专业的学生完成实验操作的时间得到了有效的缩减，且在实验过程中出现的失误也明显减少。设备及元器件损坏的情况大幅度减少，且基本不会发生影响学生安全的问题。加之虚拟仿真技术不受外界因素的影响，学生可以随时随地进行实验操作，有效避免了因实验室不足而造成的学生无法即时进行实验操作的问题。

（二）专业课程训练方面

虚拟仿真实验工具可以供多名学生同一时间进行实验操作，学生不会受到设备、场地等外界因素的限制，可以有效地实现课堂知识与实验操作之间的协作运行。另外，虚拟工具设计更能协助学生发现操作过程中的错误，且无需耗费实验资源和器材，学生可以反复进行实验操作，掌握实验要点。

（三）学科前沿研究角度

对高校来说，很多时候都需要采用大型的仪器设备来进行实验教学。大型仪器设备的购入通常需要耗费大量资金，且进行实验操作时，由于仪器体积过大操作步骤较为繁复，在实验过程中，不仅要消耗实验器材和资源，而且设备运行及后期维护的成本支出皆较高。采用虚拟仿真实验教学方式，不仅可以使学生获得使用大型仪器设备进行实验的同等体验，同时也避免了过多的资金支出，为学科前沿研究的发展打下了坚实的基础。

三、虚拟仿真实验教学资源建设的具体方法

（一）构建基础教学虚拟仿真实验平台

虚拟仿真实验最大的优势就在于其不受外界因素的限制，高校学生虽然具有较高的素质，但对于一些只经过了短期课堂学习的仪器类专业的学生来说，对实验的具体操作步骤了解较少，在进行实际性的实验时通常会手足无措，难以独立应对。而随着虚拟仿真实验技术的不断发展进步，各项元器件都可以通过实物图形来呈现，学生在进行具体的实验时有身临其境之感，可以切实体会到全方位的基本技能训练。除此之外，对具有实践经验的学生及研究生来说，也可以通过对虚拟仿真实验技术的调整，来实现针对各方面各专业学生的教学。

（二）构建专业训练虚拟仿真实验平台

虚拟仿真实验平台将实际的实验步骤通过虚拟的方式呈现出来，大量仿真实验的融合，更有助于仪器类专业学生实际操作意识的培养。虚拟仿真实验平台的构建全面利用了信号的控制，对学生综合能力的培养有着积极作用。

（三）建设学科前沿技术虚拟仿真实验平台

随着我国各项技术的不断发展进步，传统的研究成果已经难以满足新时期各项发展的需求，对虚拟仿真实验平台来说也是如此。这就要求高校不断地将新型的教育成果融入虚拟仿真实验平台当中，为学生营造更为良好的实验环境。

四、共享教学平台的构建

随着我国教育水平的不断发展，虚拟仿真实验教学资源得到了各高校的广泛应用。通过利用现代化的信息技术，虚拟仿真实验教学平台得到了良性的发展。虚拟仿真实验教学平台突破了传统教学过程中教师与学生的互动教学方式，融入了实验管理员这一第三角色。系统对于教师、学生以及实验管理员有针对性地构建了不同的用户界面，有助于发挥不同角色在虚拟仿真实验教学平台运行过程中的不同作用。学生可以通过平台进行实验类型的選择、实验室的预约、实验报告的提交以及实验成绩的查询等操作。教师可以通过平台进行实验结果的评定、实验步骤的指导、实验资源的发布等操作。此外，实验管理员可以通过平台对网络服务器进行远程的操控调整。三者之间协同发展，更有助于发挥系统的优势性。

除此之外，虚拟仿真实验教学平台可以对仪器类专业学生的实验操作数据进行有效的记录，例如，学生完成实验的正确率、学生实验操作的精准度、学生的具体实验次数等。通过对这些实验数据进行分析，可以对实验的难易程度进行合理的分配，有针对性地对各年级的学生分配不同的实验任务。

综上所述，随着我国计算机网络技术的逐步发展，虚拟仿真实验教学中心的建设已经成为各高校校园建设过程中的一个关键性部分。经过一段时间的发展，虚拟仿真实验教学中心的建设已经取得了一定的成果，但其中仍然存在一系列有待解决的问题。这就要求各高校在进行仪器类虚拟仿真实验教学中心的建设时能立足于学生的专业知识体系，以提升实验教学效果为目的，构建虚拟与真实相结合、教学与科研一体化的综合性实验教学体系。将虚拟实验教学平台与生产实践平台相结合，一方面可以切实提升学生具体操作实验的能力，另一方面也更有助于学生将课堂学习的知识落实到实践当中，从而有效解决仪器类专业学生在学习过程中所面临的各项问题。高校在进行虚拟仿真实验教学中心的构建时，应当充分利用学院与企业合作的优势，为高校各专业的发展开辟更为全面的新型教学模式，同时为仪器类专业的良性发展起到推进性作用。

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