测控专业虚拟仿真实验平台设计

2022-05-20简泽明冯铭锋刘梦然刘文超

科技视界 2022年12期

简泽明冯铭锋刘梦然聂磊刘文超

（湖北工业大学机械工程学院，湖北武汉 430068）

0 引言

近年来，由于虚拟仿真技术在高等工程教育中的创新作用，引起了众多高校的关注。作为一种新的人才培养机制，目前虚拟仿真实验平台已经成了众多高校着重建设的教学平台。国外许多著名高校已经在虚拟仿真实验平台上进行建设，如麻省理工学院微电子在线实验室与美国休斯顿大学虚拟物理实验室等，这些虚拟实验平台都为其人才培养作出了显著的贡献。而在我国，虚拟仿真实验平台的人才培养机制也在不断发展，如国内的北京邮电大学计算机网络课程群、中南大学虚拟实验平台以及国防科技大学云平台实验系统等。

测控技术与仪器专业是精密机械、电子、电路、光学、自动控制、计算机与信息技术等多学科互相渗透而形成的一门高新技术密集型综合学科。测控学生所学的测控电路、信号与系统等专业课，往往需要用到与之配套的教学实验软件。作为一种新型人才培养模式，虚拟仿真实验平台能够为测控专业学生提供良好的教学环境以及实验氛围，也能为湖北工业大学校“721”培养模式提供相应的实践教学支撑平台。针对目前实验教学中所存在的各项问题，我校测控专业对虚拟仿真实验平台展开了探索，并建立起适合测控专业学生的测控虚拟仿真实验平台。

1 目前高校实验教学机制所存在的问题

1.1 只注重学生的共性培养而无法重视个性

目前各大高校所进行的教学模式主要是以课程导向性学习为主，即传统意义上的将课本内容教授给学生，学生能够完成期终考试或者是结课论文即可。忽略了学生之间对知识的接受程度的个体差异，并且造成了学生只是机械性地传承所学知识的局面，而并未将其应用于具体的生产实践中。这是高校学生所面临的问题。测控学生需要学习光学、电子、机械和计算等科目，多学科的交叉学习仅仅培养的是共性的知识载体，而非知识间个性的有机结合。因此需要通过实验教学平台来帮助学生形成一个完整的知识体系，这也是传统教学平台所存在的劣势。

1.2 传统教学媒介限制了学生的想象力与创造力

传统的教学模式主要为采用多媒体结合课本教学以及实验课程理论相论证的方式来进行人才培养，但是此类传统的教学忽略了学生自主学习的兴趣，并限制了其想象力，许多实验仅仅只是交给学生一个实验指导书，让学生难以发挥自己的创造力。并且由于各高校在各专业的实验室教学设施上各有侧重，许多实验室平台的设备都已经超过了使用寿命，再加上实验室在管理以及设备规范安全等方面的限制，导致了实验室并不能完全为学生提供一个理想的环境，许多学生在实验学习上只能浅尝辄止，并不能获得沉浸式的学习体验，并不利于学生建立一个完整的学习体系。

1.3 实验教学评价考核制度存在缺陷

当前教学评价考核制度主要为考试成绩以及课堂表现占大部分，实验成绩往往占的比重在5%～15%之间，并没有受到普遍重视，导致学生难以重视实验课程和任务，进而将主要精力放在考前突击上，难以真正融会贯通其所学知识。并且学生之间常存在抄袭问题，导致实验所得数据时常雷同，这样难以真正反馈出学生所学所想以及其真实水平，使得教师难以通过调整实验方案实现真正的因材施教，进而不能培养出具有高科学素养的创新型人才。

2 测控虚拟仿真实验平台构建

测控虚拟仿真实验平台主要使用Java 语言进行开发，并使用MySQL 对数据库进行建设，网站基于WordPress 进行搭建，其中实验项目的界面采用Photo Shop 配合Unity 3D 进行设计。

平台采用了测控专业基础学习软件的资源整合的交互系统建立方案，将测控专业的电子仿真软件如Multisim、LabVIEW、Proteus、计算机及自动控制类仿真软件Keil、MATLAB 以及精密机械专业软件CAD与Solidworks 进行教学资源的整合。将各软件的教学资料以及现有的网课资源录入虚拟仿真实验平台中，以教学视频或是设置操作步骤的教学模式让学生熟悉相应软件的操作。而后将各个软件分为各教学模块，如精密机械模块或是电路设计模块，针对不同的模块设置不同的学习任务，以任务为导向引导学生进行实验操作。由于其良好的拓展性，平台能够兼容机械、计算机以及电子等专业领域的教学软件及开放性实验方案。

图1 虚拟仿真实验平台界面

测控虚拟仿真实验平台的运行机制以数据库系统为主，其由仿真实验数据库、数据库管理系统以及仿真实验应用系统三部分构成。此交互系统旨在构建起一个学生与教师之间有效沟通的桥梁，科学准确地反映出学生的真实学习水平，从而帮助教师进行教学规划以及评测。

（1）仿真实验数据库包括用户资料库、教学资源库以及实验仿真数据库。在用户资料库中，主要通过收集学生在虚拟实验平台上所留下的学习记录以及实验成绩，对学生进行评测，而后为应用系统提供学生的学习水平数据。而教学资源库主要由软件的教学视频以及课程资料组成，为虚拟仿真实验平台提供教学资料以及学习任务。在实验仿真数据库中，主要存储着实验方案以及实验软件信息。

（2）数据库管理系统通过收集用户资料库中的学生数据以及评测结果，在教学资源库中选用相应水平的教学资料设计和与之水平相适应的实验方案。学生再通过数据库系统完成阶段性的学习以及实验仿真，从而达到教学目的。

（3）仿真实验应用系统的用户使用端口分为学生端与教师端。教师通过教师端录入实验任务，以任务或者阶段性测验的形式发送至学生端，而学生可以自主选择完成实验任务的地点与时间。当学生完成教师所发布的任务之后，平台将对学生的整个实验过程进行评分与能力分析。在设置的截止日期前，每个学生都可以重新改进实验（可以设定限制实验次数）。最终得出实验结果，避免学生由于实验操作的错误而半途而废，并且学生可以自主选择实验方案进行拓展。平台将会自动录入优秀学生的实验操作，为下一届学生提供实验范本，从而实现平台实验方案的自我优化。该举措旨在实现学生的个性培养并增强学生实验的信心，以及提高学生的操作能力。教师也可通过平台所提供的数据分析进行相应地课程方案改革，循序渐进地提高学生的实验能力水平。