基于虚拟仿真技术的自动化专业实验教学模式构建探索

2022-01-17刘国权陈尚良肖静刘建昌周焕银

电子元器件与信息技术 2021年10期

刘国权，陈尚良，肖静，刘建昌，周焕银

（东华理工大学机械与电子工程学院，江西南昌 330013）

0 引言

国家教育部自2013年起，连续三年发布要建设国家级虚拟仿真实验教学中心的通知[1]，截止目前全国已批准建设了300多个国家级虚拟仿真实验教学中心，自2019年起，高等学校要将国家级虚拟仿真实验教学中心纳入年度考核范围。虚拟仿真技术以其灵活方便、可视可控等特点与传统实验教学的融合越来越深入，但相应的实验教学模式改革还未能同步跟进。

如何建立起虚拟仿真实验平台，并构建起相应的实验教学模式是很多高校研究的热点问题[2]。提出自“三平台、三层次、一体化”的虚拟仿真实验教学体系，该教学模式在实验教学中使学生对知识点的理解和学习兴趣的提升有一定帮助[3]。指出虚拟仿真实验教学的教材也是提升教学质量的关键环节，依靠好的教材让学生进行课前预习可以让学生对实验的目的、方法、过程、原理做到心中，在实验过程中不至于出现一问三不知情况[4-9]。也针对不同的专业提出了相应的虚拟仿真实验教学方案，一定程度上提高了学生的学习兴趣，提升了教学效果。

本文将以自动化专业为例，本着能实不虚，虚实互补的原则，基于虚拟仿真技术在实验教学中的应用，提出理论学习为基础、实物实践为辅、虚拟仿真为重点三者相结合的“虚实结合”实验教学模式。

1 自动化专业传统实验教学模式存在的问题

传统实验教学模式大多是线下进行的，实验环节常常在老师的指导下，学生根据实验指导书进行实验，实际上学生常常出现注意力不集中、提不起兴趣、实验目标不明确一问三不知等情况，使实验教学效果不明显。产生这些问题的主要原因有三点。

1.1 前期知识点铺垫深而不广

任何实验教学前期都是要进行相关理论知识的学习，然而自动化专业本科的课程很多，涉及的电路控制理论繁多，学习在接受大量知识的同时，没有一个对知识点的宏观理解，不明白繁多的知识点下哪些是重点，就没有学习的方向性，在没有方向的情况下追求知识点的深度学习往往会忽略对知识点宏观层面的理解和梳理，从而使学生陷入迷茫的尴尬境地，渐渐地失去学习兴趣，产生畏难心理。

尽管传统实验教学模式在实验前会进行简单的知识梳理，实验过程中也会有实验指导书帮助学生进行实验操作，但是现实情况是实验教学效果并不明显。首先，实验前的知识梳理只是对知识的简要介绍和回顾，但并不是宏观层面的梳理和回顾，学生在平常的学习中本身就对该知识没有很深的理解，仅仅停留在公式框图上的理解，没有对全局知识的把握，仅仅通过简单的知识梳理对学生帮助并不大。其次，学生抱有实验过程中有指导书的投机心理，在老师进行讲解过程中也不会认真地听讲，后续实验效果往往较差。最后，现阶段的实验教材和实验设备相对滞后，知识点更新缓慢，本身学生在前期学习中对知识就没有宏观层面的认识，没有进行先大致了解，再选择性学习的过程，学生学习兴趣本就不高，因此实验效果更加不好。

1.2 实验教学方式单一不足

传统的实验教学模式往往是让学生先进行理论知识的学习，再进行实验仿真学习，最后进行实验报告的编辑工作，而这种教学模式是单一的、有局限性的，具体表现在三个方面。一是，实验教学采取线下方式进行在时间和空间上很不灵活，学生不能根据自己的情况进行针对性的学习，无法对学过的知识进行备案保存反复回顾复习；二是，依赖与硬件平台进行实验教学的方式并不是开放可控的，由于受制于硬件平台的约束，往往一套电气设备并不能模拟多个场景进行多次不同的实验，实验教学效率不高，学生也不能根据自己的想法去设计实验过程中的数据和参与建模，忽略了学生自我探究的价值和意义，无法充分发挥学生的主体作用，对于提高学生专业能力、培养学生思辨思维和扩展视野还显不足；三是，由于实验内容的一致性导致实验报告的重复性，缺少学生自主实验结果的差异性，仅通过提交实验报告反馈学生学习效果的方式是不及时且不足的。

1.3 实验教学环境落后

自动化专业的传统实验教学环境较为复杂，自动化专业的很多课程都是涉及到强电、大型机械类的设备，尤其是使用多年的设备，元器件普遍老化，若采用传统实景参观教学的方式，学生难以深入了解其内部结构和原理，无法将难懂的知识变得形象化、可视化，具体化，而且对学生的安全也存在很多隐患；若采用硬件平台进行仿真实验教学，教学内容又相对有限，学生还有可能会损坏设备，加大资金的消耗。

2 虚拟仿真实验教学模式构建

虚拟仿真实验教学模式是传统实验教学模式的推陈出新，最大的改进点就是在实验教学中应用了虚拟仿真技术，该技术以可视化强、操作灵活简单、过程可控等诸多优点，在现代化实验教学改革进程中扮演着重要角色。针对于自动化专业传统实验教学模式存在的问题，如何构建虚拟仿真实验教学模式是解决该问题的关键。

虚拟仿真实验教学模式为一个闭环教学模式，分为课前课中三个环节，每个环节有不同的教学方式和任务，下面将具体对每个环节的任务和作用进行论述。下图1为基于虚拟仿真技术的实验教学模式。

图1 基于虚拟仿真技术的实验教学模式

2.1 知识点的梳理归纳

实验教学前期的教学工作要以知识点的梳理归纳出发，将繁杂的相关与否的知识进行筛选归纳整理，将具有实际应用价值的知识进行实验前的重点讲述，重点是要将所学知识与虚拟仿真环节结合起来，形成一一对应的映射关系。

具体方式是从一个宏观的角度进行由浅入深，由表及里的、由点到面教学方式。目的是让学生更快速的入门，激发学生学习兴趣，让学生自己的职业有一个大致了解，并且针对自身情况选择感兴趣的领域进行深入学习，培养学生的宏观思维，扩展学生的视野。在讲述知识点时应注意不要对一个问题过于深入的讲解，有意的提醒学生哪些是重点知识，哪些大致了解即可，让学生做到心中有数，慢慢培养起学生的学习兴趣，要避免面面俱到的教学方式和囫囵吞枣的学习方式。

讲课不是死板的，课堂气氛很重要，学生和老师应该是有互动的，要根据学生的听课效果进行相应的知识点教学，如果学生兴趣浓厚就应该多讲深讲，如果学生出现畏难逃避心理，也要及时沟通和鼓励，避免学生出现听不懂还不敢提问的情况，培养好学生的求知欲与学习兴趣是这个环节的中心任务。

2.2 虚拟仿真实验平台搭建

为了解决自动化传统实验教学模式存在的教学方式不灵活、教学环境落后等问题，重点是搭建虚拟仿真实验教学平台。通过虚拟仿真实验教学平台的可视化、形象化、具体化的结果展示，可以让学生更好的理解并掌握知识，克服学生兴趣不足，目标不明确，提升实验教学质量。

虚拟仿真实验平台的搭建可以是校企合作、网上购买或是自行构建，如果要自己搭建设计一个虚拟仿真实验平台可以用Matlab、Labview等软件去实现，网上资源很多，学习起来也并不复杂，但具体搭建也需要一定的时间。

仿真实验教学的实验过程、原理结构、实验结果都是可控高效的，仿真也使得学生学习更加有趣，更加直观，相比于传统实验教学方法来说其优势不言而喻。但需要注意的是，虚拟仿真实验过程和实验对象尽管生动形象，但是与真正的实物实验还是有一定差异，在探索如何建设虚拟仿真实验教学模式时，不能舍本逐末，要充分依托现有智能执行系统实验平台，坚持“虚实结合，以人为本”实验项目建设思想，构建虚拟仿真项目，故本环节采用硬件设备实验平台与虚拟仿真实验平台线上线下混合方式进行，构建“虚实结合”的虚拟仿真实验教学模式。

2.3 实验教学后的交流与反馈

课后反馈与交流是提升教学质量，检查学生学习效果的重要一步。

通过虚拟仿真实验平台，学生可以自主选择时间，自主选择参数进行实验，实验的结果也是不一样的，实验结束后可以将实验报告和与相关问题在线提交给老师，老师在发现学生薄弱知识点后就可以进行针对性的教学，同时通过老师线上或者线下的集中答疑，学生也会有新的思考与感悟，最终形成教学闭环，提升教学质量。

3 虚拟仿真实验教学模式探索效果

实验课程的教学选取自动专业的《微型计算机控制技术》进行开展教学模式探索。在实验教学前期，首先对重点知识理论进行梳理归纳工作，例如关于单闭环温度恒值控制系统实验，首先使学生对温度控制的基本原理有个大概了解，学习温度传感器的使用方法，并介绍该知识点学来有什么用，激发学生学习兴趣，帮助学生扩展视野，然后搭建起单闭环温度恒指控制系统虚拟仿真试验平台，教会学生如何使用该平台，如何才调整温度PID控制参数进行虚拟仿真实验，并进行相应的演示。在实验过程中，学生采用线上线下融合的学习方式进行学习，线上通过单闭环温度恒指控制系统虚拟仿真实验平台，线下通过硬件设备实验平台，两者结合的学习方式使学生对知识的理解进一步加深。实验结束后，学生针对自身情况可选择线上或线下的方式撰写实验心得和提交实验报告以及相应的疑惑，最后老师根据学生的问题，针对性的对学生进行答疑，形成学习闭环。实验表明，基于虚拟仿真技术的虚拟仿真实验教学模式，对学生积极性有一定促进作用。学生依据仿真实验平台所作仿真结果如下图2所示。