基于创新创业人才培养的多学科融合虚拟仿真实验教学资源建设

周耀胜

武汉工程大学创新创业学院 湖北武汉 430205

当前正是我国深入实施创新驱动发展战略,加快建设创新型国家的关键时期,需要大量高素质的创新创业人才。高校作为高素质创新创业人才培养的主体,应主动服务国家重大战略需求,加快“四新”建设,大力推进新时代创新工程教育与实践教学资源建设,形成具有中国特色的高水平工程教育体系。

实验教学是高校培养学生工程实践能力和创新创业精神的重要手段[1],目前的实验教学存在实验设备落后、课程设置不成体系、内容设置陈旧、教学方式方法单一、学科交叉不够等问题[2-4],使得学习主动创新的兴趣和意愿不强烈、学习效果差、个性化发展不足。因此通过虚拟仿真实验教学资源,使学生了解产品从设计研发到生产制造的全过程,对提高学生创新创业能力大有益处。

随着人工智能、AR/VR、云计算为代表的现代信息技术的发展,为建设虚拟仿真实验教学资源提供了全新的手段,在“四新”建设中发挥着越来越重要的作用。先进制造相关学科群(涉及机械、电气、电子、计算机、光电、控制等学科)紧贴工程生产实际,涉及面广、交叉融合度深,相关学科深度融合的综合性虚拟仿真教学资源越来越重要。为了进一步将课程与现代生产实际相结合,很有必要搭建一个多学科融合的综合实验教学平台,使得学生能够将所学的理论知识应用于生产实际,培养其“双创”意识,提高其“双创”素养和能力。

1 建设意义

虚拟仿真实验教学资源,不仅可以拓展实验教学内容的深度和广度,增强学生的学习兴趣,通过信息技术手段实现开放与共享,还可以延伸其使用的时间和空间,对改进教学现状具有重要意义。具体体现在以下四个方面:

1.1 整合优质教学资源,降低实验教学成本

传统的机械制造类、电气类等专业的实验教学设备一般都比较庞大,具有占地面积大、安装和后期维保相对比较烦琐的缺点,不同院系专业的实验教学场所一般比较分散。此外随着信息技术的迅猛发展,高校实验教学设备和相关教学内容常常落后于市场上的最新技术。因此“光机电控类”多学科融合的虚拟仿真实验教学平台,将校内外优质实验教学资源整合聚集到云端,师生可随时访问,可以有效降低教学成本。

1.2 弥补传统教学不足,防范教学安全事故

机械制造类、电气类专业的专业实验设备一般价格昂贵,实验室常常存在设备不足,导致学生一般是分组或轮流操作实验,学生的技能训练得不到充分锻炼。很多实验课程涉及强电、高速旋转等,实验中如果发生误操作会对实验者的人身安全造成极大危害。因此采用VR/AR等现代信息技术开发虚拟仿真实验教学课程,可以有效弥补传统实验教学的不足,保障教学活动顺利开展。

1.3 鼓励学生自由探索,提高实验教学效果

机械制造类、电气类实验教学设备一般体积庞大、结构复杂,部分工作场景也无法在学校教学实验室完成,学生难以准确掌握其结构、装配关系及工作原理,这使得教学效果大打折扣。利用虚拟仿真技术复现实验教学环境,提供安全、可靠和经济的实验教学项目,让学生获得沉浸式的教学体验。学生还可以自由探索,这激发了学生参与度,通过实验室设备初探、虚拟仿真实验教学复现其工程,实现教学目标及效果。

1.4 完善平台管理机制,服务“双创”人才培养

根据国家虚拟仿真实验教学示范中心的“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”原则[5],虚拟仿真教学资源平台应该实现校内、校际、校企间开放共享,探索共建共管新模式,建立可持续发展的虚拟仿真实验教学服务支撑体系。虚拟仿真实验教学平台资源可以让学生自由探索,支持学生参加各类学科竞赛和创新创业实践,这对培养学生创新创业能力具有促进作用。

2 建设内容

2.1 构建创新创业能力培养的虚拟仿真实验教学体系

虚拟仿真实验教学体系在教学大系统中,与实体实验教学体系相互补充,同样需要遵循实验教学的客观规律和基本准则[6-8]。利用虚拟仿真技术对现有的实验教学环节、内容迭代升级,建设“三段渐进式”的虚拟仿真实验教学体系。

面向“光机电控”等智能制造类相关专业的“三段渐进式”的可持续发展的虚拟仿真实验教学体系是指通过基础虚拟仿真实验、综合虚拟仿真实验、多学科融合的虚拟仿真综合实验及创新创业模拟实验,螺旋递进、逐级提高。基础虚拟仿真实验旨在检验学生对专业基础知识的掌握程度,综合虚拟仿真实验旨在强化学生学科专业知识技能的综合使用,跨专业融合虚拟仿真综合实验旨在打破专业界限培养学生综合能力,创新创业模拟实验以体验式教学方式开展创新创业教育,全面提高学生的创新创业素养和能力。利用虚拟仿真技术,将不同层次的实现项目深度融合,形成教学体系。

“三段渐进式”虚拟仿真实验教学体系有四个显著特点:

(1)理论与虚拟仿真相结合。虚拟仿真实验与专业基础课程、专业核心课程相配套,使学生掌握理论知识后再进行虚拟仿真实验,加深对基础理论的掌握。

(2)实体与虚拟仿真实验相结合。对无法在实验室内完成的实体实验,采用虚拟仿真实验来完成。

(3)实验与实践相结合。通过虚拟仿真实验了解生产制造环节,校外实践进一步加强对理论和知识的掌握。

(4)虚拟仿真与创新创业相结合。学生自由探索,通过虚拟仿真实验教学平台开展创新研究,满足转化条件的可将项目进一步向创业项目方向转化。

2.2 虚拟仿真实验教学平台建设

在虚拟仿真实验教学体系的基础上,整合校内外相关教学资源,加上科学合理的管理,构建多功能、全面开放共享的虚拟仿真实验共享平台,这个平台核心由虚拟仿真实验教学系统和实验教学管理系统组成,可以在时间、空间和资源三个维度上实现最大程度的共享。其中多学科融合的虚拟仿真实验教学平台包括智能制造类虚拟仿真实验平台、自动控制类虚拟仿真实验平台、计算机类虚拟仿真实验平台。

2.2.1 智能制造类虚拟仿真实验平台

智能制造类虚拟仿真实验教学平台有两种。(1)以强化专业基础能力为主的实践平台,包括以制造基础为主的基础课程,主要是让学生掌握机械制造的基础理论和工艺流程,培养学生的工程意识。以综合能力培养为主的实践平台,包括基于企业实际生产制造环节的实验教学,能够使学生体验企业生产工艺流程的教学内容。(2)以培养学习创新创业能力为主的综合平台,由学生团队完成创新创业项目训练。

2.2.2 自动控制类虚拟仿真实验平台

自动控制类虚拟仿真实验平台包括电工电子基础型实验平台、电气控制综合型实验平台以及创新创业型平台。电工电子基础理论课程虚拟仿真实验,通过虚拟范真实验提高学生对基础理论和知识的认知和理解。专业综合应用虚拟仿真实验教学,可以进行模块化组合,供学生完成课程综合设计,加强学生综合设计能力。基于工程项目的创新创业实践层,促进优秀科研项目转化为实验教学资源,成熟的转化为创新创业项目。

2.2.3 计算机类虚拟仿真实验平台

计算机虚拟仿真实验教学平台包括计算机基础教学实验平台、计算机专业应用实验平台和计算机综合创新创业平台。计算机基础教学实验平台主要涉及计算机类基础实验课程,如大学计算机基础,通过虚拟仿真实验教学可以进一步加深对基础课程的理解。计算机专业应用实验平台主要涉及计算机专业实验课程,如网络空间安全,通过虚拟仿真实验教学可以夯实专业技能。计算机综合创新创业平台主要包括基于百度云人工智能创新实验平台,学生通过平台可开展各类创新创业实验及实践。

3 管理与运行机制

目前大多数高校的虚拟仿真实验教学资源建设主要是在相关智能部门的指导下,各个二级学院根据学科专业特点及实验实习实训需要来规划,各个学院以项目为单位分头建设,这导致各项目软硬件、网络运行、项目评价、共享服务等方面存在割裂,影响了虚拟仿真实验教学的未来发展[9]。部分项目前期建设投入成本高,后期维护不及时导致项目停摆。部分虚拟仿真实验平台由于技术支撑、服务器容量、平台稳定性等原因,校内外共享程度较低,平台利用率不高[10]。此外有些虚拟仿真实验教学项目资源维护和防护不及时,经常出现网络攻击和中毒等问题。虚拟仿真实验教学项目及资源共建共享对于加强中心建设、深化实验教学改革、提高人才培养质量具有重要意义[11-12]。因此建设开放共享式的虚拟仿真实验教学项目及共享平台,打造成将校内虚拟仿真实验课程、实验仪器等教学资源的扩展性、兼容性、集成性融为一体的大型实验教学资源平台,满足跨地域、跨校、跨学科的虚拟仿真实验教学的需求很有必要。

3.1 平台管理模式

虚拟仿真实验平台实行校院两级管理和中心主任负责制度。学校对虚拟仿真实验教学平添的建设、发展、规划、人事制度、财务制度等进行统一规划管理。虚拟仿真实验教学平台具有以下功能:

(1)综合管理:实现信息展示、登录、信息交互等功能。

(2)教学管理:实验课程管理、实验教学管理、实验过程管理监控、实验结果上报等。

(3)实验室开放预约管理:校际预约管理、校内预约管理、学院预约管理三级开放预约机制。

(4)数据统计分析:开课统计、虚拟仿真实验统计、教学成果统计、教学结果统计等。

3.2 开放共享模式

将虚拟仿真实验教学平台纳入学校综合门户信息平台进行管理和共享,可服务于校内多个学科专业的虚拟仿真实验课程,利用信息化技术手段可实现24小时开放,校内外师生可随时随地访问,实现校内、校际、校企共建共享。

(1)校内共享:学生可通过平台在校园网内随时预约实验课程,进行在线学习实验、线上实验,以及下载实验资料进行自由探索,教师可24小时查看学生预约情况,在线指导学生实验,批改实验报告,将科研项目转化为实验项目进一步丰富实验教学资源库等,实现校内开放共享。

(2)校际共享:通过虚拟服务器及信息技术,可提供预约接口,兄弟高校可通过网络提出预约申请,平台管理员将视内部时间予以安排,实现校内外全面共建共享。同时各个高校可以将各自已建设的虚拟仿真实验课程资源嫁接到对方学校,实现校际的广泛交流。

(3)校企共享:虚拟仿真实验平台及虚拟仿真实验中心的相关资源也可为企业的工程设计、产品研发提供服务,企业的横向合作项目也可通过虚拟仿真实验中心给学生提供实习实训、创新创业的机会,形成产学研协同育人合作,达到校企共享。此外可以成为双方培训员工的重要基地。

结语

建设虚拟仿真实验教学项目及资源对提高学生动手实践能力、创新创业能力具有重要作用。随着国家建设教育强国对高质量创新创业人才的迫切要求,探索基于创新创业人才培养的跨学科虚拟仿真实验教学资源是高校实践教学面临的一项重要任务。本文分析了目前虚拟仿真实验教学资源的现状及存在的问题,按照教育部对虚拟仿真实验中心建设的要求,提出基于创新创业能力培养的多学科深度交叉融合的虚拟仿真实验教学资源建设方案和思路,更新理念、做好顶层设计、改变管理模式,实现校内、校际、校企之间的共建共享。该方案可实现学生工程实践能力和创新创业能力的提高。