創(chuàng)新虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式 培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力

潘雪濤， 鄔華芝， 蔡建文， 張美鳳， 孟 飛

(常州工學(xué)院 光電工程學(xué)院，江蘇 常州 213002)

0 引 言

測(cè)控技術(shù)及儀器專業(yè)是由原儀器儀表類11個(gè)專業(yè)歸并而成的一個(gè)大專業(yè)。通過對(duì)省內(nèi)外高校測(cè)控專業(yè)建設(shè)情況的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)本專業(yè)在人才培養(yǎng)模式、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容等方面發(fā)展水平良好，但也存在以下問題[1-14]。

(1) 測(cè)控專業(yè)以光、機(jī)、電、算為學(xué)科基礎(chǔ)，專業(yè)涉及面廣，多數(shù)高校專業(yè)課時(shí)緊張，對(duì)學(xué)生知識(shí)的掌握和技能的培養(yǎng)影響較大。傳統(tǒng)“粉筆+黑板=教學(xué)”的課堂教學(xué)方式不能很好適應(yīng)人才培養(yǎng)的要求。

(2) 專業(yè)課程注重對(duì)學(xué)生進(jìn)行儀器儀表和測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用、維護(hù)等方面的訓(xùn)練。“儀器+實(shí)驗(yàn)報(bào)告+簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)分析=實(shí)驗(yàn)”的實(shí)踐教學(xué)方式不能滿足人才培養(yǎng)的要求。為使學(xué)生得到良好的訓(xùn)練，需要購(gòu)置很多昂貴的教學(xué)儀器。但有限的教育投入無法滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴、更新速度快的要求。

(3) 用人單位注重學(xué)生的自主性、探究性學(xué)習(xí)能力，學(xué)生想要更好的發(fā)展，這樣的能力也至關(guān)重要。對(duì)于應(yīng)用型本科院校，自主性、探究性學(xué)習(xí)能力到底體現(xiàn)在哪些方面？如何培養(yǎng)？這些問題還沒有形成很好的模式與方法。

針對(duì)以上問題，常州工學(xué)院測(cè)控技術(shù)系以培養(yǎng) “以檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)的測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用、生產(chǎn)過程和產(chǎn)品的質(zhì)量控制與質(zhì)量管理的復(fù)合應(yīng)用型本科人才”為目標(biāo)[15]，以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)和測(cè)控技術(shù)發(fā)展的最新成果為手段，以課程建設(shè)、教材建設(shè)、教改項(xiàng)目研究為依托，進(jìn)行了較為深入的教學(xué)研究與實(shí)踐，取得了一系列理論與實(shí)踐成果。

1 教學(xué)研究的實(shí)踐過程

1.1 開發(fā)了國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平的遠(yuǎn)程虛擬測(cè)控實(shí)驗(yàn)室

專業(yè)系在LabVIEW平臺(tái)上開發(fā)了“可視化、交互式、可共享”的遠(yuǎn)程虛擬測(cè)控實(shí)驗(yàn)室，包含信號(hào)分析與處理、傳感器與檢測(cè)技術(shù)等50多個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)。

虛擬實(shí)驗(yàn)把測(cè)試功能用形象逼真的面板控件形成軟件模塊，像實(shí)物儀器一樣完成測(cè)試、處理等任務(wù)，得到實(shí)驗(yàn)室里相同的實(shí)驗(yàn)過程。虛擬實(shí)驗(yàn)室將實(shí)驗(yàn)教學(xué)搬進(jìn)了課堂，搬上了網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐的完美融合，減少了設(shè)備資金的投入，改善了實(shí)驗(yàn)條件，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)方法、手段的完善。學(xué)生還可以在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)上二次開發(fā)，設(shè)計(jì)更多的虛擬測(cè)控系統(tǒng)，極大提高了學(xué)生積極性和主動(dòng)性，充分開拓思維，發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力。

1.2 建成了新穎的測(cè)控專業(yè)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)

網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)將動(dòng)畫演示、仿真軟件、虛擬實(shí)驗(yàn)三種現(xiàn)代化教學(xué)手段有機(jī)結(jié)合，提供了豐富的素材內(nèi)容和類型，針對(duì)測(cè)控專業(yè)課程中的重點(diǎn)難點(diǎn)，開發(fā)了100多個(gè)計(jì)算機(jī)仿真軟件和200多個(gè)演示動(dòng)畫，能夠模擬測(cè)控系統(tǒng)工程應(yīng)用環(huán)境，與網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)無縫鏈接，可以彌補(bǔ)理論脫離實(shí)際的問題，使深?yuàn)W的理論變得生動(dòng)易懂，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的目的性。平臺(tái)的教學(xué)資源豐富，覆蓋面廣；邏輯結(jié)構(gòu)清晰、使用方便、實(shí)用性強(qiáng)；用動(dòng)畫、計(jì)算機(jī)仿真、虛擬實(shí)驗(yàn)等教學(xué)資源，形式新穎；實(shí)現(xiàn)了教學(xué)方式的靈活多樣；用了文字、圖片、視頻、動(dòng)畫、計(jì)算機(jī)仿真等多種手段，具備了“廣、實(shí)、新、活、多” 的特征。網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)及課程導(dǎo)航界面如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)主界面及課程導(dǎo)航界面

1.3 創(chuàng)建了“三三三”理論教學(xué)新模式

依托虛擬實(shí)驗(yàn)室和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，創(chuàng)建了理論教學(xué)新模式，其層次結(jié)構(gòu)如圖2。

(1) “三階段”的完整教學(xué)過程。課前利用動(dòng)畫演示、虛擬實(shí)驗(yàn)等手段激發(fā)學(xué)生興趣，養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)習(xí)慣，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力。課中采用“三步走”互動(dòng)教學(xué)方法，“走進(jìn)”講授的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)啟發(fā)式教學(xué)。課后通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)自主復(fù)習(xí)、自主訓(xùn)練，鞏固提高。

(2) “三步走”的互動(dòng)教學(xué)方法。課堂教學(xué)采用重點(diǎn)難點(diǎn)“帶著學(xué)”、實(shí)際應(yīng)用“看著學(xué)”、拓展內(nèi)容“自己學(xué)”為特點(diǎn)的互動(dòng)教學(xué)方法。重點(diǎn)難點(diǎn)由老師采用“三結(jié)合”的教學(xué)手段，抓住主線精講細(xì)講。講述常用器件、技術(shù)在工程中的應(yīng)用時(shí)，教師在課堂上播放圖片資料、動(dòng)畫、視頻等，增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)。拓展類內(nèi)容學(xué)生利用平臺(tái)提供的參考資料自己學(xué)。如介紹最新檢測(cè)技術(shù)時(shí)，教師布置題目，學(xué)生查找資料撰寫綜述性論文，鍛煉了查閱整理文獻(xiàn)資料的能力。

(3) “三結(jié)合”的現(xiàn)代教學(xué)手段。教師將平臺(tái)中的Flash動(dòng)畫演示、基于Matlab、Java的仿真軟件、基于LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)三種現(xiàn)代化教學(xué)手段有機(jī)結(jié)合，進(jìn)行漸進(jìn)式講授和驗(yàn)證。如講授電容傳感器輸出特性時(shí)，先通過動(dòng)畫定性演示，然后利用仿真實(shí)驗(yàn)得到不同位移對(duì)應(yīng)的輸出電壓，再利用虛擬實(shí)驗(yàn)畫出特性曲線、計(jì)算特性參數(shù)，最后驗(yàn)證傳感器特性和在測(cè)量中的應(yīng)用。通過這樣遞進(jìn)式的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握實(shí)現(xiàn)了定性理解到定量掌握的升華[16]。

1.4 構(gòu)造了全方位的實(shí)踐教學(xué)新體系

本著“因材施教”、“因人而異”的教學(xué)理念，構(gòu)造了“全程化、工程化、多樣化、多元化”實(shí)踐教學(xué)新體系，如圖3。

“全程化”指實(shí)踐能力培養(yǎng)貫穿實(shí)驗(yàn)、課設(shè)、實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、技能培訓(xùn)、創(chuàng)新訓(xùn)練、參加社團(tuán)和學(xué)科競(jìng)賽等教學(xué)活動(dòng)的全過程?！肮こ袒敝缸⒅毓こ虘?yīng)用能力培養(yǎng)，課設(shè)、畢業(yè)設(shè)計(jì)選題來自于企業(yè)和科研，科研反哺教學(xué)，學(xué)生受到系統(tǒng)的工程訓(xùn)練?！岸鄻踊敝笇?shí)驗(yàn)形式多樣。第一層次為虛擬、仿真演示型實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)給學(xué)生一個(gè)較為形象的測(cè)試環(huán)境，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)不足的問題。第二層次為基于實(shí)驗(yàn)臺(tái)的百余個(gè)驗(yàn)證性和綜合性實(shí)驗(yàn)。第三層次為基于NI ELVIS平臺(tái)的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)構(gòu)思、自主實(shí)驗(yàn)?zāi)芰??！岸嘣敝笇?duì)學(xué)生提出不同層次要求，不搞“一刀切”。基礎(chǔ)、能力稍弱學(xué)生，要求完成驗(yàn)證、綜合性實(shí)驗(yàn)，課設(shè)完成理論設(shè)計(jì)、分析計(jì)算。對(duì)有能力的學(xué)生，要求完成設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，課設(shè)、畢業(yè)設(shè)計(jì)必須做出實(shí)物。同時(shí)引導(dǎo)這些學(xué)生參加科研項(xiàng)目和各類學(xué)科競(jìng)賽。

1.5 提煉了培養(yǎng)學(xué)生自主性、探究性學(xué)習(xí)能力新方法

教師引導(dǎo)學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和虛擬實(shí)驗(yàn)室的資源自主學(xué)習(xí)、自主訓(xùn)練，培養(yǎng)敏銳發(fā)現(xiàn)問題的能力和有效解決問題的能力；通過自主應(yīng)用培養(yǎng)學(xué)以致用的能力；針對(duì)自己的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行強(qiáng)化，實(shí)現(xiàn)自主提高，培養(yǎng)舉一反三的能力。“自主學(xué)習(xí)、自主訓(xùn)練、自主應(yīng)用、自主提高”構(gòu)成自主性、探究性學(xué)習(xí)的漸進(jìn)過程，從初步入門達(dá)到靈活自主應(yīng)用的階段。如圖4所示。自主性、探究性學(xué)習(xí)能力分解與訓(xùn)練的具體實(shí)現(xiàn)方法如圖5(以 “溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)”為例)。

2 教學(xué)改革成果的應(yīng)用及成效

2.1 學(xué)生受益面廣

教改成果2005年起逐步在本校測(cè)控專業(yè)學(xué)生中得到應(yīng)用，共有25個(gè)班約1 000余人受益。自2008年起，在分管校長(zhǎng)和教務(wù)處的具體指導(dǎo)下，該成果得以在全校相關(guān)工科專業(yè)全面推廣應(yīng)用，獲益學(xué)生超過8 000余人。2008年起，省內(nèi)外部分兄弟院校師生相繼利用我校開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)室和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行輔助教學(xué)，效果顯著，獲得一致好評(píng)。

2.2 教學(xué)成果顯著

(1) “創(chuàng)新虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力”項(xiàng)目獲2011年江蘇省高等教育教學(xué)成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，“傳感器原理及應(yīng)用課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的研發(fā)與應(yīng)用” 等4項(xiàng)分別獲學(xué)校教學(xué)成果一等獎(jiǎng)。

(2) 主持完成江蘇省新世紀(jì)高等教育改革工程課題、江蘇省教育教學(xué)改革研究課題、全國(guó)高等教育科學(xué)“十五”規(guī)劃重點(diǎn)課題等教改項(xiàng)目3項(xiàng)，完成“測(cè)控專業(yè)應(yīng)用型本科人才專業(yè)培養(yǎng)體系及模式改革研究”、“ 基于網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式研究”等學(xué)校教改項(xiàng)目20余項(xiàng)。

(3) “測(cè)控技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)室”、“傳感器原理及應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)”等多個(gè)課件獲全國(guó)多媒體課件大賽二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)、江蘇省高校優(yōu)秀多媒體課件一等獎(jiǎng)、校多媒體課件大賽一等獎(jiǎng)等各類獎(jiǎng)勵(lì)10余項(xiàng)。

(4) “數(shù)字邏輯系統(tǒng)與設(shè)計(jì)”課程獲江蘇省精品課程，“傳感器原理及應(yīng)用”等6門課程獲學(xué)校精品課程，“自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)”等2門課程獲校一類優(yōu)秀課程，“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”等6門課程獲學(xué)校二類優(yōu)秀課程。

(5) 出版《傳感器原理與檢測(cè)技術(shù)》等教材10部，獲學(xué)校精品教材2部；教材獲江蘇省哲學(xué)社會(huì)科學(xué)優(yōu)秀成果三等獎(jiǎng)1項(xiàng)、常州市哲學(xué)社會(huì)科學(xué)優(yōu)秀成果二等獎(jiǎng)3項(xiàng)。

(6) 發(fā)表相關(guān)教學(xué)科研論文30余篇。

2.3 教學(xué)效果優(yōu)良

近5年來，本專業(yè)學(xué)生5人獲國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金，11人獲省政府獎(jiǎng)學(xué)金，1人獲省優(yōu)秀學(xué)生干部、4人獲省三好學(xué)生，945人次獲校各類獎(jiǎng)學(xué)金，07測(cè)控班獲省優(yōu)秀班集體。由于專業(yè)質(zhì)素的不斷提高，畢業(yè)生獲得了用人單位的好評(píng)。近4年就業(yè)率保持100%，其中一次簽約率分別為92.3%、94.7%、100%、100%、100%。07測(cè)控錄取率達(dá)到20%，多名學(xué)生考取西安交通大學(xué)、東南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等985高校研究生。

學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力不斷提高。近年來獲全國(guó)機(jī)器人大賽三等獎(jiǎng)、“挑戰(zhàn)杯”江蘇賽區(qū)二等獎(jiǎng)、全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽江蘇區(qū)一等獎(jiǎng)、江蘇省大學(xué)生物理及實(shí)驗(yàn)科技作品創(chuàng)新競(jìng)賽特等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)、江蘇省電子設(shè)計(jì)大賽二等獎(jiǎng)、江蘇省本科優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)三等獎(jiǎng)等各類省級(jí)以上獎(jiǎng)勵(lì)30余項(xiàng)。獲國(guó)家級(jí)大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目4項(xiàng)，江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目20余項(xiàng)，學(xué)生發(fā)表專業(yè)論文8篇。

2.4 有效地減少了實(shí)驗(yàn)設(shè)備資金的投入

專業(yè)系開發(fā)了50多個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)、200多個(gè)FLASH動(dòng)畫演示、100多個(gè)計(jì)算機(jī)仿真軟件，可以在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)諸如數(shù)字示波器、數(shù)字電壓表、信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀等多種功能。由于虛擬儀器具有硬件平臺(tái)的通用性、儀器功能的多樣性、儀器性能提升的靈活性和儀器技術(shù)更新的短周期性等優(yōu)勢(shì)，避免了重復(fù)購(gòu)置造成的浪費(fèi)，節(jié)約了大量資金，而虛擬儀器基于軟件的體系結(jié)構(gòu)大大節(jié)省了開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用。同時(shí)虛擬儀器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，指導(dǎo)老師通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)過程，能同時(shí)管理幾十個(gè)甚至上百個(gè)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)。在不增加過多經(jīng)費(fèi)投入的基礎(chǔ)上，改善了實(shí)驗(yàn)條件，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)手段的完善，達(dá)到了學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)的目的。

3 結(jié) 語

(1) 教學(xué)成果獲得了省內(nèi)外高校十幾位知名專家的好評(píng)。他們認(rèn)為成果跟蹤國(guó)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展，創(chuàng)建了一套完整的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，具有原創(chuàng)性。在教學(xué)方法、手段和實(shí)踐上有突破，達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。多年的教學(xué)應(yīng)用證明，成果的實(shí)用性和可操作性強(qiáng)、教學(xué)方法新穎、教學(xué)效果明顯，可在國(guó)內(nèi)同類院校很好的推廣和應(yīng)用。

(2) 課件參加全國(guó)多媒體課件大賽現(xiàn)場(chǎng)決賽，在國(guó)內(nèi)高校產(chǎn)生了良好的影響。課件通過江蘇省高校多媒體資源網(wǎng)(http://cc.njnu.edu.cn/)和中國(guó)教育資源網(wǎng)(http://www.uken.cn/)面向全國(guó)開放共享。

(3) 成果部分內(nèi)容編入專業(yè)相關(guān)教材。出版社每年都大規(guī)模的組織推廣活動(dòng)，因此成果在出版社的協(xié)助下在全國(guó)高校進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

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