虚拟仿真技术在机电类课程教学中的应用研究

徐建亮 徐文俊 李东方 兰叶深

摘要：高职机电类专业的教学实践性与专业性都很强，需要投入大量的设备和耗材等。学生操作技能的培养需要通过有效的训练方能掌握，加上传统实验作业工作环境相对较差、劳动强度较大，对于初学者来说有一定的难度。为改善工作条件，节约训练成本，提高人才培养的质量，衢州职业技术学院在机电类专业人才培养过程中将虚拟仿真设备应用于教学之中，提高了学生的学习积极性，有效地节约了训练成本。本文通过对机电类课程的教学方式及特点，提出了一些虚拟仿真技术在电工基础课程教学中的应用策略。

关键词：虚拟仿真技术；课堂教学；电工基础；改革

1.引言

作为高职院校的机电类专业，其人才培养的目标是培养出面向生产、管理、服务一线需要的高端技能型人才，面向的工作岗位主要有机电一体化装备和产品的设计、制造、装配、操作、调试、维修和售后技术服务等，机电行业范围很大，产品种类很多，而且工种也很多，因此在教学过程中需要学生掌握很多技能。但是，实验实训设备毕竟是有限的，这就需要我们探索新的教学方法。

仿真技术是继数学推理与科学试验之后认识世界自然规律的第三类基础方法。虚拟仿真教学是指利用实物和计算机软件共同模拟出真实的情境，让学生在模拟的情境下进行探究和学习。这种教学方法生动形象，很接近现实工作场景，有利于提高学生兴趣，使学生在短时间内进入相应情境，真实的体验在现实生活中进行操作的感觉，以达到更快掌握操作技能的目的，而且这种教学方法可以利用计算机软件的优势创造出灵活多样的工作场景，使学生掌握更多的操作技能。

机电类课程的教学，在传统的教学模式中，理论课与实验课是分离的，这就导致技能训练得不到及时的理论指导，而理论课也没有结合生产、生活实际，这样导致了学生的技能掌握不到位。随着教学改革的发展，出现了“项目教学”、“教、学、做”一体化等新型的教学模式，但在这些新的教学模式下采用的技能训练通常有两种：第一种是仅限于实验箱提供的几个固定实验，学生只需按图接好线、按实验指导书输入程序就可完成实验，学生动手机会少，不能真正地参与到学习活动中；第二种是通过制作一些实际的实验电路板或实物，然后在上面进行安装、试验和调试，大大提高了学生的动手能力，但是实际操作时要受到设备数量、品种等方面的限制，而且耗时大，占用课时太多，耗材的消耗量也很大，成本高。

虚拟仿真教学则以其高效率、低成本、内容丰富、性能有效和安全等优势得到越来越多的应用和推广。因此应该将“项目教学”、“教、学、做”一体化和虚拟仿真教学的方法结合起来，充分发挥各自的优点，得到更好的教学效果。

2.虚拟仿真实验室在教学中的作用

打造良好的虚拟实验平台，有助提高实验教学水平。传统的教学过程中，理论课程教学与课程涉及实验的教学是分开进行的，上理论课的时候没有实验演示。借助虚拟实验平台，就可以一边进行课程的讲授一边进行实验。教师在上课的过程中，碰到可以通过实验验证的理论，借助虚拟仿真实验技术，通过实验辅助理论的教学，使得学生更容易理解所学的知识。

通过建立虚拟实验室，既是完成教学信息化的一个重要环节，又能使得实验教学有一个本质的提升，跟上国际化的发展步伐，使得学科的优势能得到充分发挥。虚拟仿真实验可以提供开放式实验环境，真真正正实现实验室向学生长时期开放。学生可以不用受到时间和空间的约束，随时随地进行实验，这样能较好地培养学生自主创新能力，对学生的学习兴趣能起到正面的激发作用。

面对复杂的实验系统，虚拟实验室方便搭建规模宏大的实验平台。有的课程的实验会比较复杂，搭建整个实验平台需要耗费较长的时间。而在传统给学生开设的实验课程中，由于学生人数一般比较多，给每个学生安排的实验时间都比较有限，在这有限的时间内要完成大型实验台的搭建是一件不可能完成的事情，这带来的后果是大型实验往往开展起来非常困难。如复杂电路的设计实验，一般学生进行这样的实验需要花费2～3天的时间。学校一般无法给予学生这么长的时间完成一个实验，迫使取消这样的实验或者改为简单的对结果进行验证的实验。针對这样一个问题，虚拟实验平台能给出完美的解决方案，为学生进行大型实验提供条件，只要学生实时保存搭建实验过程的实验流程，该实验流程可在其他地方打开继续进行实验。

3.当前电工基础教学存在的问题

通过对机电类专业学生的走访调研，我们总结出了目前电工基础教学中主要存在的不足：

3.1 教学模式存在不足

（1）在当前的教学模式中，电工基础的教学，是把理论课与实验课进行分离的，这就导致了学生在实验实训中得不到及时的理论指导，而理论课也没有与实际生产、生活实际相结合；

（2）教学内容相对陈旧落后。绝大部分教学内容上都是对老教材进行“照本宣科”式的传授，对当前学科发展的前沿发展，如相关的新知识、新技术等等的更新相对较慢，无法适应电子技术发展更新快的现状；

（3）教学模式封闭，模仿痕迹比较明显。就专业知识的基础而言，专科的学生不如一本、二本的学生扎实。有些高职院校制定的课程教学计划，没有结合没有体现本校学生和教学方面的特点，照搬本科高校的课程培养计划安排，脱离了实际情况，且课程的门类和内容偏多、偏深；

（4）现代技术手段在教学中应用不多，教学设备和设施比较缺乏，教学方式相对落后，存在着“教师念讲义，学生记笔记，考试背笔记，考后都忘记”的现象；

（5）使用同本科院校一样的教材、教案给专科的学生授课，而且教学方法刻板，缺乏创新性；同时，新上岗年轻教师授课缺乏经验与方法，教学效果较差。

3.2 实验设备难以满足需求

原有的传统实验室，无论是在空间还是时间上都无法满足大量学生同时进行实验的要求，实践教学体系的建立不完善，实践教学条件缺失，实验室开放程度不够，学生的实验实训不能贯穿专业课教学的全过程；二是电子技术实验实训中，一些项目如模拟电子、数字电子等实训，仍采用较为旧式的实验课程，难以与当前的教育教学同步；三是某些实训项目的原材料损耗、工具及设备的损伤较大。以上原因都会导致高职院校电工基础的教学质量。虽然近年来，各大高校都大力加强校内实训基地建设，实训条件日臻完善，但是实验教学仍然存在前所未有的挑战。

因此，针对目前电力电工基础的教学方式进行深化改革很有必要，本文把一体化教学方式和虚拟仿真技术相结合，提出了一种基于“教、学、做”一体化的虚拟仿真技术教学方案。

4.虚拟仿真技术在电工基础教学中应用现状

4.1 虚拟仿真技术概述

虚拟仿真技术最先是由美国的学者提出的。在上世纪80年代期间，美国VPL公司创建人之一杰伦·拉尼尔提出了虚拟仿真的概念，实验者借助设备与虚拟环境中的研究对象进行互动，产生出身临其境的感受与体验。虚拟仿真技术是当前人类认识和探索自然界客观规律的重要手段之一，而随着电子计算机技术的不断发展，虚拟仿真技术也在不断地革新和进步，目前，虚拟仿真技术已经成为数学推理、科学实验之后，人类认识自然界客观规律的第三类基本方法。

4.2 在电工基础教学中使用虚拟仿真技术的必要性

（1）电工基础课是理论性强而又抽象的一门专业课，学好电工基础课，为今后轻松学习其它电子专业知识，以及从事电子类的生产和科研提供了条件。但是专科的学生一般文化基础课程比较薄弱，理论分析比较困难，较偏向于动手操作或接受直观性比较强的知识点。因此用相应的仿真软件来进行辅助教学，有助于学生理解课本中的知识点，能让抽象知识直观化，使实践与理论更好地融合，引导学生进行系统观察。

（2）实验实训教学是电工基础的学习过程中，培养学生实践能力与创新能力的重要方法，通过实验可以对理论课程进行科学验证，让学生加深理论知识的理解，同时通过实验培养学生的创新意识和科学严谨的作风。但是，有些实验实训耗时、耗力、耗物、耗财以及不可逆、不可重复等缺点。虚拟仿真技术恰恰可以弥补这方面的不足，辅助实验。因此，我们要鼓励学生对所做实验进行虚拟模拟研究，引导学生主动进行扩展研究，这样更有利于培养出具有创新精神和实践能力的人才。

（3）当前很多的实验实训内容僵化，学生只要按部就班地按照实验步骤就可以完成实验内容，只能满足学生的考试及认识需求，缺乏创新创造能力的培养。我们要学生在感知认识的基础上，让他们从中获取知识、技能并培养其观察能力。采用虚拟仿真技术的教学对培养学生的综合运用能力、排除电路故障能力以及开发创新能力有着极其重要意义。

因此，把虚拟仿真技术加入电工基础教学中十分必要，对学生进行系统的专业知识学习也具有重要的意义。

4.3虚拟仿真技术在电工基础中的应用

虚拟仿真技术已经发展到了一个较为成熟的阶段，其在各个领域都有着广泛应用，在教育领域也是如此，尤其在电子技术这种实践性非常强的课程中，虚拟仿真技术已经成为了辅助教学的重要工具。目前常用的电力电子模拟电路仿真软件大体可以分为以下几类，一类是利用包括有详细器件模型的通用电路仿真软件如SPICE，SABER进行电力电子电路仿真。另一些比如CAD、PCAD、Protel、Multisim、MATLAB等等仿真软件在电子技术虚拟仿真中也得到广泛的应用。其中Multisim以其界面直观、操作方便、电路元件库丰富和虚拟电子的设备种类齐全等等优点，成为了目前课程教学中较为认可的仿真软件。

5.虚拟仿真技术在电工基础教学中的应用策略

虚拟仿真技术在电子技术教学中的应用，可以通过将虚拟仿真技术引入到课堂教学中，激发学生的学习兴趣创设仿真电子技术教学实验，增强学生的实践操作能力，同时与企业开展虚拟项目合作实验等方式来开展教学活动。

5.1将虚拟仿真技术引进课堂

在传统的电工基础教学过程中，教师较为注重对学生理论知识的传授，而忽视了实践技能指导可提升学生电子技术操作能力。单纯的电子技术理论知识教学，一般都是对一些原理和公式进行推导得出结论，但是在这种教学模式下，基础不扎实的学生可能会出现脱节，进而产生一定的厌学情绪，无法将注意力完全集中在电子技术学习活动当中。而将虚拟仿真技术引入电工基础教学中，能够改善传统的教学方式中单一、枯燥的教学氛围，更加关注学生的实践体验，让学生在实践中获得更多的知识，并可以培养学生形成独立的思维和创新意识。虚拟仿真技术能够使学生在一个仿真的情境下，进行电子电路的实验和操作，这种教学模式能够为学生带来更多的电子技术学习体验，使学生把理论知识和实践操作相结合起来，不断丰富学生的理论知识体系； 借助理论知识的学习，不断提升学生的实践操作能力。

电工基础理论知识教学中，需要通过实际展示才能够加深学生对电子技术理论知识的理解，从而为接下来的课程内容教学和教学实践活动打下坚实的基础。然而，如果一味通过实验操作展现，不仅会浪费大量的时间，同时材料的消耗也是一个问题，虚拟仿真技术能够完美地解决这一问题，通过将虚拟仿真技术引入到电工基础教学中，通过虚拟仿真软件进行仿真模拟实验，将抽象化的内容变得相对直观明了，深化学生对电子技术知识的理解与掌握。

5.2创设仿真电子技术教学实验，增强学生的实践操作能力

实践是检验真理的唯一标准，只有通过理论与实践相结合才能更好的研究一门科学。在电工基础教学中，教师可以借助虚拟仿真技术，引导学生在模拟的场景中，进行电子电路的实验和操作，因此，创设电子技术的仿真实验的教學也相当重要。在平时的课程教学上加入仿真展示还是远远不够的，最重要的是要学生自己学会这种研究方式，通过创设对应的仿真技术教学和实验教学可以帮助学生更好的学到虚拟仿真这种研究方式，培养独立的思维模式和创新能力。这种模式能够为学生带来更多的电工基础学习体验，在电工基础的实验过程当中，提升学生的实践操作能力，电工基础教学实验中，教师可以结合学生的性格特点和电工基础教学的特点进行教学实验活动的创新，将虚拟仿真技术融入电工基础的教学活动当中。

5.3校企合作，共建更高水平的虚拟仿真实验、实训基地

要使得学生专业能力全面均衡的发展，不仅仅要指导学生学习电子技术，掌握电子技术，更加需要通过一定的电工基础教学活动，提升中职学生的综合能力和综合素养。高职院校教学质量的提高，离不开高水平的教学条件和教学设备的支持，而且这些教学环境必须与企业真实工作场景相似，因此在有限的时间、有限的条件下让学生接触到更多工作场景就显得尤为重要。

虚拟仿真教学具有较强的扩展性和较大的开放性，能够提供灵活多样的工作场景。因此，可以通过与企业密切合作，打造更多更真实的工作场景，有助于学生技能的掌握。比如，和企业一起建设虚拟仿真实验基地，让学生更早的接触到与实际项目相接近的仿真实验，更有利于学生把所学的专业知识合理高效的与实际相结合，并且能把企业的实验风险降到最低，有利于针对性的培养相关方向的人才。

6.结束语

虚拟仿真技术在电子技术教学中的应用，符合电工基础教学的特点，创新了当前电子技术教学的模式，提升了学生的电子技术综合能力，在电子技术教学中的应用中，可以通过将虚拟引进课堂，创设仿真电子技术教学实验以及和企业合作，共建更高水平的虚拟仿真实验、实训基地等方式进行探索，进而提升学生专业能力的综合素养，为学生未来的工作和研究奠定良好的基础。

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基金资助：衢州职业学院课改一般项目（KGXM201617）；衢州职业技术学院慕课项目（Mooc201714）。