淺析高職院校虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)模式

李冬 李敏 馮喬

高職教育的重要特征是具有鮮明的職業(yè)崗位針對性，實(shí)訓(xùn)教學(xué)是高職院校教學(xué)過程中的重要環(huán)節(jié)。目前國內(nèi)高職院校辦學(xué)規(guī)模擴(kuò)大的速度迅速加快，但是教學(xué)經(jīng)費(fèi)不能隨著辦學(xué)規(guī)模的擴(kuò)大而同比增加，這進(jìn)一步加劇了實(shí)驗資源短缺。另外，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和教學(xué)改革的需要，原有的實(shí)驗技術(shù)和設(shè)備由于陳舊老化等原因不能滿足實(shí)驗教學(xué)的要求，符合要求的實(shí)驗設(shè)備因價錢昂貴而只能配備很少套，而且原有的實(shí)驗教學(xué)系統(tǒng)不利于學(xué)生與教師的互動?；谝陨锨闆r，積極探索實(shí)踐教學(xué)的新途徑，改革實(shí)驗體系，革新實(shí)驗手段也就勢在必行。

虛擬技術(shù)在軟件技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)不斷提高的基礎(chǔ)上，廣泛應(yīng)用到教學(xué)和科研的很多領(lǐng)域。虛擬仿真教學(xué)能直接有效地提高學(xué)生的技能水平，具有多感知性、沉浸性、交互性、構(gòu)想性等理念。這些特點(diǎn)有益于高職院校的工學(xué)結(jié)合的項目式教學(xué)，為解決高職教育面臨的教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)與學(xué)生就業(yè)相掛鉤開辟了一條新思路。國內(nèi)外學(xué)者一直不斷地研究與探索新的實(shí)驗教學(xué)方法，因此虛擬實(shí)驗室就在此基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn)而生了。

虛擬實(shí)驗室的發(fā)展是一個控制虛擬設(shè)備至物理設(shè)備的過程，虛擬實(shí)驗室在科研與其他創(chuàng)造性活動中，為了創(chuàng)造及獲取成果，利用分散的信息和通信技術(shù)，進(jìn)行遠(yuǎn)距離合作和實(shí)驗的一種電子協(xié)作組。為了達(dá)到與在普通實(shí)驗室中相同的實(shí)驗效果，實(shí)驗者通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送指令給服務(wù)器端控制的實(shí)際設(shè)備或者仿真對象，并且可以通過圖表、動畫等形式的實(shí)驗結(jié)果反饋給用戶，實(shí)驗者可以在計算機(jī)終端自由地學(xué)習(xí)有關(guān)實(shí)驗內(nèi)容并進(jìn)行實(shí)驗。利用計算機(jī)在虛擬實(shí)驗室做實(shí)驗，避免了傳統(tǒng)實(shí)驗對實(shí)驗地點(diǎn)和實(shí)驗時間的限制要求。

一、虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)的意義

我國職業(yè)教育正處于發(fā)展階段，還存在許多薄弱環(huán)節(jié)，如何能把最新、最實(shí)用的技術(shù)有效地傳授給學(xué)生，是職業(yè)教學(xué)迫切要考慮的問題，而虛擬仿真技術(shù)作為一種新興的教學(xué)媒體正好迎合了職業(yè)教育的要求。

1.虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。職業(yè)教育要突出真實(shí)環(huán)境，沒有設(shè)備一切都是空談。虛擬仿真技術(shù)采用計算機(jī)作為傳播工具，開發(fā)一些優(yōu)秀的輔助教學(xué)軟件，可以根據(jù)實(shí)際設(shè)備和工程情況進(jìn)行教學(xué)情景創(chuàng)設(shè)、互動來組織教學(xué)活動。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境創(chuàng)設(shè)多種情景，采用三維動畫模型，添加豐富的色彩和音樂，將“大型的設(shè)備”搬上了課堂，真正實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)際的有機(jī)結(jié)合，這樣的教學(xué)環(huán)境更有效地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中針對真實(shí)設(shè)備通過虛擬系統(tǒng)建立模型的同時，可以直接觀察到虛擬環(huán)境所產(chǎn)生的和真實(shí)設(shè)備相同的結(jié)果，從而使實(shí)驗教學(xué)模式得到了革新，具有形象生動、交互性、反饋實(shí)時等明顯的優(yōu)勢，并使學(xué)生的創(chuàng)造性思維得到了提高，培養(yǎng)了學(xué)生的主動性和創(chuàng)新性。因此，虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)模式增強(qiáng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，對學(xué)生在學(xué)校就能提前熟悉企業(yè)的現(xiàn)場環(huán)境和真實(shí)設(shè)備，熟練掌握職業(yè)崗位技能起到了很好的效果。

2.虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)有利于降低教學(xué)成本。信息技術(shù)迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的教學(xué)媒介在學(xué)校教育中通常存在滯后性。教育的普及和教學(xué)技術(shù)的更新需要一定的條件，比如硬件資源的配備和師資條件是否達(dá)到要求。為了加快教學(xué)技術(shù)發(fā)展進(jìn)程，學(xué)校通常會淘汰一些硬件設(shè)備和教學(xué)儀器，而這些教學(xué)資源和實(shí)訓(xùn)教學(xué)媒介其實(shí)沒用多久，但是因技術(shù)上的革新和教學(xué)改革而面臨“下崗”，高職院校實(shí)驗設(shè)備的改造和教學(xué)資源的升級，只能通過購買新設(shè)備的方式來進(jìn)行解決。這種對老設(shè)備采取全部淘汰的狀況既造成有限教學(xué)資源的浪費(fèi)，學(xué)校也會因為資金問題不能立馬投資新設(shè)備，最終使教學(xué)改革不能持續(xù)，教學(xué)過程處于陳舊老套的狀態(tài)。建立虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室則可以使實(shí)驗設(shè)備重復(fù)利用，實(shí)驗室改造和升級也僅取決于電腦和軟件的改進(jìn)與升級，原來老設(shè)備等硬件資源也可以結(jié)合使用。虛擬仿真系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是不需要實(shí)驗耗材，且可以反復(fù)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，有效降低了學(xué)校在實(shí)驗設(shè)備的資金投入，虛擬仿真實(shí)驗具有先進(jìn)性、共享性、易擴(kuò)充性和易于改進(jìn)等特點(diǎn)，在虛擬的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了課程改革和教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新，滿足不斷變化的教學(xué)改革需求，學(xué)生職業(yè)技能的培養(yǎng)目標(biāo)也能及時跟上時代新技術(shù)的發(fā)展。

二、虛擬實(shí)驗教學(xué)的研究目標(biāo)與內(nèi)容

高職教育課程的特點(diǎn)就是實(shí)踐性非常強(qiáng)，面向工程的應(yīng)用，只有通過實(shí)驗進(jìn)行操作，才能真正掌握應(yīng)用技術(shù)。在高職院校現(xiàn)行的實(shí)踐教學(xué)中，工程項目中典型的被控對象都具有體積大、價格昂貴、維護(hù)困難等特點(diǎn)，而且一套設(shè)備能容納的學(xué)生數(shù)也有限，實(shí)驗方案的改造與創(chuàng)新都比較困難，難以滿足教學(xué)改革要求，影響培養(yǎng)質(zhì)量。

建立一種新的實(shí)驗教學(xué)模式，加強(qiáng)實(shí)訓(xùn)基地的內(nèi)涵建設(shè)，充分發(fā)揮實(shí)訓(xùn)基地的作用，突出學(xué)生創(chuàng)新、開發(fā)技能的培養(yǎng)，將學(xué)院實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)成應(yīng)用研究的平臺和職業(yè)技能培訓(xùn)的基地。

1.研究目標(biāo)。針對各類課程，建立虛擬實(shí)驗系統(tǒng)，充分利用有效的計算機(jī)資源，完成一些開放性和設(shè)計性實(shí)驗，把這些教學(xué)新手段逐步融入課程教學(xué)中，這也將是課程改革的發(fā)展趨勢。在探索課程實(shí)踐教學(xué)方法及模式的同時，培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計和操作能力，提高工程技術(shù)素質(zhì)。具體而言，研究目標(biāo)包括：（1）構(gòu)建課程虛擬實(shí)驗系統(tǒng)，例如針對機(jī)電、自動化和電子專業(yè)，主要包括電工、電子、單片機(jī)課程；可編程控制器的應(yīng)用、電力電子和電機(jī)等課程。（2）教師所能達(dá)到的職業(yè)技能要求；需要教師自身的知識、能力方面有較大的提高，尤其是動手操作能力和解決實(shí)際問題的能力要有大的提高，并且要求過硬的計算機(jī)軟件應(yīng)用能力。（3）要確立教師主導(dǎo)、學(xué)生主體地位，做到教、學(xué)、做有機(jī)結(jié)合。激發(fā)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)精神，培養(yǎng)學(xué)生探究真理的良好習(xí)慣和克服困難、解決問題的主動精神與創(chuàng)新意識。（4）課程中針對相關(guān)課程的開發(fā)系統(tǒng)的教學(xué)和項目的具體實(shí)施。

2.研究內(nèi)容。針對各門課程的實(shí)驗系統(tǒng)進(jìn)行了項目開發(fā)并編寫仿真實(shí)驗指導(dǎo)書，另外在課程實(shí)踐教學(xué)中逐步實(shí)施。項目開發(fā)主要根據(jù)原有實(shí)驗項目，通過不同的仿真軟件對實(shí)驗項目進(jìn)行虛擬仿真，通過多種應(yīng)用軟件開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行虛擬動畫仿真，最終還要引導(dǎo)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計時結(jié)合實(shí)際課題，采用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)。

三、采用虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢

虛擬實(shí)驗系統(tǒng)不僅可以作為真實(shí)實(shí)驗的前期準(zhǔn)備工作，而且可以在一定程度上替代傳統(tǒng)的試驗。與傳統(tǒng)試驗相比，它具有明顯的優(yōu)勢。

1.大幅度減少樣機(jī)實(shí)驗次數(shù)，縮短創(chuàng)新實(shí)驗的開發(fā)研究周期，降低實(shí)際實(shí)驗費(fèi)用。采用虛擬仿真，可以做全部的軟件實(shí)驗和大部分的硬件實(shí)驗，彌補(bǔ)了設(shè)備不全導(dǎo)致不能實(shí)現(xiàn)的項目。例如，在電工電子實(shí)驗教學(xué)中涉及電阻、電容、電感的等多種元器件，實(shí)驗中也常常需要調(diào)整某一元件的參數(shù)進(jìn)行電路調(diào)試，而實(shí)驗室不可能備全各種參數(shù)的元器件，不斷地更換元件，會使電路板使用壽命縮短，這時，如果使用虛擬仿真軟件進(jìn)行電路連接實(shí)驗，既方便實(shí)驗，又可以不斷地調(diào)整電路參數(shù)。

2.虛擬實(shí)驗系統(tǒng)不受場地，時間和次數(shù)的限制，彌補(bǔ)沒有真實(shí)設(shè)備的直觀效果。當(dāng)前的可編程課程教學(xué)都采用項目式教學(xué)，項目大都來源于企業(yè)實(shí)際的設(shè)備控制單元。比如，液位控制系統(tǒng)小車的往返運(yùn)動等。實(shí)際上大部分學(xué)校實(shí)驗室沒有水泵、小車等設(shè)備，那就不能真實(shí)看到液位升降的效果和小車的運(yùn)行過程。通過MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行仿真運(yùn)行，可以實(shí)時觀察水罐水位的升降和具體的液位參數(shù)，并可以設(shè)置高低極限液位參數(shù)并報警，也可以看到小車的動作過程。另外，虛擬實(shí)驗代替實(shí)際實(shí)驗，可以不受場地、環(huán)境和時間、次數(shù)的約束，可對實(shí)驗過程進(jìn)行回放、再現(xiàn)和重復(fù)。

3.虛擬仿真避免學(xué)生由于在實(shí)驗電路中的過失而引起元器件和儀器的損壞。又如在電力電子實(shí)驗設(shè)備中，由于電路大都涉及三相交流電，學(xué)生實(shí)驗中經(jīng)常會接錯線路而導(dǎo)致設(shè)備上元器件的損壞，而且元器件固定在設(shè)備中，參數(shù)就定死了；另外在信號檢測時，雙蹤示波器同時檢測兩路信號，由于接地信號不共地，如果沒有采取變壓器隔離措施，會導(dǎo)致示波器損壞。采用MatLab軟件，可以通過器件模型并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置組合各種電路，然后連接各種儀器，實(shí)時測量信號，而且能夠改變參數(shù)進(jìn)行實(shí)時的信號檢測。對整流、逆變的等電路不同時刻的波形都可以實(shí)時監(jiān)控波形圖。

四、結(jié)語

虛擬仿真實(shí)驗室投入極少，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯，不僅可以彌補(bǔ)實(shí)驗儀器和元器件缺乏的不足，而且沒有原材料損耗和儀器損壞的問題，實(shí)驗調(diào)試方便靈活，有助于實(shí)驗室的管理。虛擬實(shí)驗技術(shù)以其低成本、高效能、靈活可靠等特點(diǎn)，將在實(shí)驗教學(xué)中扮演越來越重要的角色。因此在以后的課程教學(xué)中要不斷多開發(fā)開放性、創(chuàng)新性的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容；結(jié)合實(shí)際的工程項目，多開發(fā)校企合作項目。另外，如果課題實(shí)施要覆蓋全部課程，各門課程的仿真系統(tǒng)都不是同一系統(tǒng)，那對教師提出了更高的要求，要求教師掌握多種仿真開發(fā)系統(tǒng)，不斷進(jìn)行知識更新。