工程教育视域下的虚拟仿真实验教学资源平台建设

刘海波，沈 晶，王革思，刘书勇，国 强

工程教育视域下的虚拟仿真实验教学资源平台建设

刘海波1，沈 晶1，王革思2，刘书勇1，国 强2

（1. 哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2. 哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

以培养学生具有扎实的信息基础知识、强烈的工程创新意识、较强的实践动手能力和创新能力为核心，构建了“123456”虚拟仿真实验教学体系；以“计算机逻辑设计综合实验”课程急需的信息化实验教学内容为指向，依托现代信息网络技术，研发了模块化、层次化、多元化、系列化虚拟仿真实验教学项目以及虚拟仿真实验教学网络平台，在时间、空间、内容和仪器设备方面实现了全面开放, 解决了学生参与工程实践和科技创新活动的难题，提高了实验教学质量和实践育人水平。

工程教育；虚拟仿真；实验教学资源；网络平台

高等工程教育作为培养工程科技人才的重要环节，与国家和产业的发展密切相关[1-2]。随着国家创新驱动发展战略、“一带一路”倡议和“中国制造2025”的进程，如何培养具有工程创新意识、工程实践能力和创新能力的复合型人才，已经成为国内高等教育领域最重要的任务[3]。为推动工程教育不断改革创新，以适应国家战略的发展需要和国际竞争的新形势，我国2016年加入了《华盛顿协议》[4-5]，2017年提出了“新工科”建设的思路[6-11]，强调培养目标为导向，注重教育成果产出及持续改进人才培养质量，实施以学生为中心的教学理念[12]。工程创新能力是学生在工程实践活动中综合素质的体现。实验教学是工程创新能力培养的启蒙环节，是工程教育中不可或缺的组成部分。实验教学是在一定的实验资源支撑下，以实验项目为载体，通过让学生循环往复地学习、模仿和积累，训练学生掌握实验技能的过程。实验教学需要内容优化、资源平台支撑和过程管理三位一体的协调运作[13]。

教育部《关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》要求“深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合，不断加强高等教育实验教学优质资源建设与应用，着力提高高等教育实验教学质量和实践育人水平”。各高校已经和正在进行着诸多有益的探索[14-15]。

为了适应当前经济社会发展对创新型人才培养以及高等教育实验教学改革的新要求，依托我校省级和部级计算机实验教学示范中心并联合我校国家级电工电子实验教学中心，在原有工作基础之上[16-18]，以“计算机逻辑设计综合实验”课程急需的信息化实验教学内容为指向，依托现代信息网络技术，研发了模块化、层次化、多元化、系列化虚拟仿真实验教学项目以及虚拟仿真实验教学网络平台，拓展了教学内容的广度和深度，延伸了实验教学的时间和空间，积极探索线上线下教学相结合的个性化实验教学新模式，逐步形成教学效果优良、开放共享、运行有效的实验教学项目新体系，为培养具有扎实信息基础知识、强烈工程创新意识、较强实践动手能力和创新能力的计算机类专业创新型人才提供有力保障。

1 教学体系构建

实验教学示范中心坚持课程建设与人才培养相结合、教学与科研相结合、理论教学与实验教学相结合、虚拟仿真与真实实验相结合的原则，构建了“123456”虚拟仿真实验教学体系，如图1所示。

图1“123456”虚拟仿真实验教学体系

“123456”虚拟仿真实验教学体系包括：1个目标——以创新创业能力培养为目标；2个融合——通过第一课堂和第二课堂之间知识互补、机制互动的融合，优化整合优质教育资源；3个集成——着力打造数字逻辑理论课程、实验课程和特色拓展实践课程之间系统集成，从单元学习和设计、再到系统学习和综合设计的全过程教学；4个导向——引导学生通过研发或设计成果展现其成功自信、专业能力、为学情操和绩效责任等能力和素质；5个模式——通过探究式演示、观察和验证、反设计推论、网络学习和创新创业项目训练5种自主学习模式，完成知识学习、运用和能力训练；6个能力——培养学生的工程知识运用、方案设计开发、现代工具使用、工程社会分析（工程中的社会因素及工程对社会的影响分析）、团队沟通表达、项目工程管理6个方面工程实践和创新能力。

依托省部级实验教学示范中心打造高起点教学平台，在教材建设、设备研发、项目开发、考核评价方面，开发高水平、高质量的优质共享教学资源，保证虚拟仿真实验教学体系高质量、高效率的运行，从而在专业技能、研究潜能、合作交流、项目管理方面能够实现全方位培养创新人才。

2 教学资源平台设计

2.1 设计原则

坚持以学生为中心、以实践为中心、以能力培养为中心的设计原则，以解决复杂工程问题为主线，引导科学思维为目的，把理论知识、实验技能以及创新意识融入到“计算机逻辑设计综合实验”课程的理论学习与工程创新实践教学当中，既要体现知识的综合性与工程创新性，又要体现能力与素质培养，遵循认识→理解→消化→实践→提升→创新的循序渐进认知流程。学生可根据已有的知识、技能、爱好以及工程创新意识进行理论知识学习与工程创新实践。通过以做带学、以学促做，激励自主科技创新学习，充分发挥自身探究能力特长，创造性地解决教师提出的复杂工程问题。

2.2 技术架构

计算机逻辑设计虚拟仿真实验网络平台（以下简称“平台”）包括理论学习、虚拟仿真实验、辅助功能和系统管理4个部分，如图2所示。

图2 计算机逻辑设计虚拟仿真实验网络平台架构

平台基于Web技术构建，采用B/S架构.Net框架开发，插件为Multisim，选择SQL Server 作为服务器后台数据库，托管校园网数据中心。客户端既可以在校内通过校园网直接访问仿真平台，也可以在校外通过Internet访问，支持500个并发用户。

平台基于全局的实践教学观设计。在设计中，注重学生设计的规范性，如系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数要求；在调试中，注重电路工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，注重分析系统的误差来源并加以验证；在学习中，注重对学生引导，加强学生对知识的理解、吸收、拓展和提升。

2.3 虚拟仿真实验项目

以急需的实验教学信息化教学内容为指向，将复杂工程问题和教研成果转化成示范性虚拟仿真实验项目。深入融合教研成果，依托信息技术，研发数量众多、内容丰富、类型齐全的虚拟仿真实验项目，与企业的真实案例和实用技术相当，提供工程氛围的实验教学条件，具有模块化、层次化、多元化、系列化特色，引导学生探索工程创新项目研发过程，掌握科学研究基本方法，强调人人都能成功，激发学生内在的学习动力，使学生由被动式学习变成主动式学习，以便加快工程创新人才培养。

（1）逻辑测试实验。让学生熟练掌握逻辑门、编码器、加法器、寄存器、计数器等常用数字集成电路使用和测试，相比实物操作，可达到事半功倍的效果。

（2）数字单元实验。让学生熟练使用逻辑门、编码器、译码器、触发器、寄存器、计数器、RAM、ROM、DAC、ADC等，进行简单应用电路的设计、理论计算、电路图绘制、仿真分析以及调试等全过程，具备分析和解决一般性工程问题的能力，养成实事求是的科学作风和认真严谨的科学态度。

（3）数字系统实验。让学生熟练掌握常用数字系统、数字式控制器、数字式电子仪器、接口与数据通信等系列工程项目所涉及的学习研究、方案论证、系统设计、仿真分析、设计修改、实验样机制作、设计总结等全过程，具备利用数字逻辑技术知识构成数字逻辑系统的意识，能够应用数字逻辑技术的基本原理对工程复杂问题进行分析和设计，熟悉和掌握科学研究的基本过程及方法。

2.4 教材编写

为了拓展教学内容的广度与深度，编写与课程相关的工程教育系列教材，如《数字逻辑与仿真设计》《数字系统实验设计与指导》《数字电路实验与实践教程》等。新教材具有可读性、实用性和技术性，让学生感到学有所值、学有所用，无论是在课堂上学习，还是在课外自学，都能在一定程度上帮助学生学习掌握工程基本要素、工程技术设计方法和分析方法。

2.5 服务方式

（1）在实验的时间、空间、内容和仪器设备方面为学生全面开放。互动可视化操作贯穿于全过程中，实现自主学习、自主实践、自主创新。

（2）为课堂教学、远程教学、学术交流提供有力支持。

（3）让其他高校学生和社会上的学习者分享学习机会。

（4）为各种竞赛培训、个性化培养提供便利，打下坚实基础。

3 运行机制

平台提供的虚拟实验环境近乎真实情境，与实际工作相似，能够激发学生实验兴趣和学习动力。学生能够亲自动手接触电路，边学习、边设计、边实践，完全沉浸在现实的学习、工作情境中。虚拟仿真实验教学整体实施过程包括实验准备、实验仿真、实验总结和自我评价4个阶段，经过21个具体环节和步骤。

3.1 实验准备阶段

（1）实验需求分析：通过在线教材或者互联网自学，查阅与实验题目相关的背景资料，进行理论知识、实践技能等方面准备。

（2）方案设计与论证：学习教材的相关内容，还可以查阅其他设计方案资料。

（3）技术性能参数设计：选用教材中给出的数据，还可以自行调整数据。

（4）电路结构设计及理由：按照教材中指定的去做，还可发挥自身创造力。

（5）理论推导：按照教材指定步骤，进行公式推导及理论计算。

（6）实验设计报告编写：归纳整理步骤（1）—（5）所形成技术资料，完成实验设计报告编写工作。

3.2 实验仿真阶段

（7）电路下载：在线浏览、下载虚拟仿真电路，进入虚拟仿真实验环境。

（8）电路检查：按照设计报告或教材，严格仔细检查电路及线路连接。

（9）仪器仿真数据测量：参照教材，选择合适的测试点，接入相应的仪器仪表，仪器参数设置，运行电路，观察测试点波形和状态变化，记录测量数据。

（10）实验分析：对实验数据、波形、曲线进行认真仔细分析、研究，判断设计的合理性、正确性以及存在的问题等。

（11）设计修改：以达到电路性能指标要求为目的，或适当提高技术性能参数。

（12）电路布局调整与子模块电路生成：规范或完善电路设计，并为进一步设计提供便利。

3.3 实验总结阶段

（13）实验过程描述：主要包括设计方面、操作方面、分析方面等环节。

（14）实验数据整理：整理实验数据，输出波形，绘制曲线，要求实验数据表格规范，波形、曲线图清晰、全面，且大小适中。

（15）实验结论：利用数据、波形、曲线，阐述设计的技术性、改进性、创新性等。

（16）技术讨论：围绕实验过程、改进性、建议等展开讨论。

（17）实验收获：阐述宏观知识、技能等方面的收获、水平和提高。

（18）实验情况报告编写：归纳整理步骤（7）—（17）所形成技术资料，完成实验情况报告编写工作。实验报告=实验设计报告+实验情况报告。

3.4 自我评价阶段

（19）实验报告成绩：参照实验报告评分指标体系，自行估算得分情况。

（20）实验操作成绩：参照实际操作评分指标体系，自行估算得分情况。

（21）实验成绩：实验报告分值100分，实验操作分值100分。

实验总分=报告分数×40%+操作分数×60%。

成绩等级：90~100分为优秀，80~89分为良好，70~79分为中等，70~69分为及格。

4 结语

依托省部级计算机实验教学示范中心，以培养学生工程创新意识、工程实践能力和创新能力为核心，引入网络与虚拟仿真技术，建设了虚拟仿真实验网络平台，将教师的教研成果源源不断转换成实验教学内容，破解了学生参与工程实践和科技创新活动机会少的难题，提高了实验教学质量和实践育人水平，形成一个真正基于互联网的优质的高等教育实验教学资源共享平台。

[1] 袁炎成，吕念玲，赖丽娟，等.工程教育实验教学的科学设计与过程管理方案[J].实验技术与管理，2019, 36(1): 192–198, 216.

[2] 于靖军，郭卫东，陈殿生.面向工程教育的STEP教学模式[J].高等工程教育研究，2017(4): 73–77.

[3] 李会鹏，王海彦，封瑞江，等.高等工程教育工程能力培养的探讨[J].教育教学论坛，2016(5): 254–255.

[4] 陈涛，邵云飞.《华盛顿协议》：内涵阐释与中国实践：兼谈与“新工科”建设的实质等效性[J].重庆高教研究，2018(1): 56–64.

[5] 华尔天，计伟荣，吴向明.中国加入《华盛顿协议》背景下工程创新人才培养的探索与实践[J].中国高教研究，2017(1): 82–85.

[6] 林健.面向未来的中国新工科建设[J].清华大学教育研究，2017, 38(2): 26–35.

[7] 陈慧，陈敏.关于综合性大学培养新工科人才的思考与探索[J].高等工程教育研究，2017(2): 19–23.

[8] 孙科学，郭宇锋，肖建，等.面向新工科的工程实践教学体系建设与探索[J].实验技术与管理，2018, 35(5): 233–235.

[9] 周静，刘全菊，张青.新工科背景下实践教学模式的改革与构建[J].实验技术与管理，2018, 35(3): 165–168, 176.

[10] 刘振海，刘允，黄刚，等.新工科视域下电气类专业人才创新创业能力培养探索[J].实验技术与管理，2018, 35(10): 181–184.

[11] 王忠辉，李艳红，范浩军.以培养新工科人才为目标的综合教学实验探索[J].实验技术与管理，2018, 35(10): 177–180.

[12] 张珂，郑宾国，崔节虎.基于OBE模式的环境工程虚拟仿真实验中心建设探索[J].实验技术与管理，2019, 36(1): 270–273.

[13] 吕念玲，袁炎成，黄晓梅，等.实验教学重在过程[J].实验技术与管理，2017, 34(6): 154–156, 171.

[14] 胡今鸿，李鸿飞，黄涛.高校虚拟仿真实验教学资源开放共享机制探究[J].实验室研究与探索，2015, 34(2): 140–144.

[15] 刘亚丰，余龙江.虚拟仿真实验教学中心建设理念及发展模式探索[J].实验技术与管理，2016, 33(4): 108–110.

[16] 王革思.电子电路实验教学资源建设研究[J].实验技术与管理，2015, 32(1): 167–170.

[17] 王革思，周天，潘大鹏，等.基于探究式教学的“数字电子技术”实验案例设计[J].实验技术与管理，2017, 34(2): 166– 169.

[18] 王革思，高敬鹏，康维新，等.适应创新创业教育的电子电路特色实践教学研究与实践[J].实验技术与管理，2017, 34(11): 164–166.

Construction of virtual simulation experimental teaching resource platform based on engineering education

LIU Haibo1, SHEN Jing1, WANG Gesi2, LIU Shuyong1, GUO Qiang2

(1. College of Computer Science and Technology, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. College of Information and Communication Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Based on the cultivation of students’ solid basic knowledge of information technology, strong sense of engineering innovation, strong practical ability and innovative ability, the “123456” virtual simulation experimental teaching system is constructed. With the content of information-based experimental teaching urgently needed in the Computer Logic Design Comprehensive Experiment course as the orientation, and by relying on modern information network technology, a modular, hierarchical, pluralistic and serialized virtual simulation experimental teaching project and a virtual simulation experimental teaching network platform are developed.In terms of time, space, content and equipment, this platform is fully opened up, the difficult problems of students’ participation in engineering practice and scientific and technological innovation activities have been solved, and the quality of experimental teaching and the level of practical education have been improved.

engineering education; virtual simulation; experimental teaching resource; network platform

G642.0

A

1002-4956(2019)12-0019-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.005

2019-04-10

黑龙江省高等教育教学改革项目（SJGY20180094）；全国高等院校计算机基础教育研究会计算机基础教育教学研究项目（2019—AFCEC-111）；黑龙江省高等教育教学改革项目（SJGY20170537）

刘海波（1976—），男，黑龙江肇东，博士，副教授，主要从事科学计算与数据处理实验、人工智能课程教学及计算机视觉领域科研工作。E-mail: liuhaibo@hrbeu.edu.cn

沈晶（1969—），女，黑龙江鸡西，博士，副教授，主要从事科学计算与数据处理实验、组合数学课程教学及机器学习领域科研工作。E-mail: shenjing@hrbeu.edu.cn