信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)虛擬仿真教學(xué)及管理平臺(tái)的構(gòu)建

汪源+周密

摘 要：文章對(duì)國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)的弊端進(jìn)行分析，提出“開(kāi)放共享、優(yōu)化管理、先虛后實(shí)”的原則，構(gòu)建信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)虛擬仿真教學(xué)及管理平臺(tái)。平臺(tái)包含實(shí)驗(yàn)仿真、教學(xué)管理、教學(xué)資源、考核資源、實(shí)驗(yàn)室管理和虛擬考試等六部分，給管理人員智能、全方位管理和監(jiān)督實(shí)踐教學(xué)、教師快捷安排教學(xué)內(nèi)容和階段性考核等開(kāi)辟了全新的渠道，為相關(guān)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式、考核方式等內(nèi)容的改革提供一種新思路。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真教學(xué)及管理平臺(tái)；電子信息；開(kāi)放共享

隨著近十幾年全球信息化的發(fā)展，教育信息化建設(shè)已在我國(guó)受到極大的關(guān)注。2010年中共中央、國(guó)務(wù)院發(fā)布的《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》和2012年中華人民共和國(guó)教育部發(fā)布的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》都提出加快發(fā)展教育信息化建設(shè)。2013年中華人民共和國(guó)教育部印發(fā)的《關(guān)于開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》明確指出發(fā)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。

三亞學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“本?！保┰?014年通過(guò)中華人民共和國(guó)教育部本科教學(xué)工作合格評(píng)估后向應(yīng)用型大學(xué)轉(zhuǎn)型的進(jìn)程中，積極響應(yīng)國(guó)家的教育信息化建設(shè)的號(hào)召，不斷加大校園信息化建設(shè)的力度。在提升本校實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量和水平的同時(shí)，也非常重視實(shí)踐教學(xué)管理，在借鑒其他高校工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，于2015年開(kāi)始在本校理工學(xué)院電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)試點(diǎn)建設(shè)“虛擬仿真教學(xué)及管理平臺(tái)”，為本校實(shí)踐教學(xué)的開(kāi)展提供虛擬仿真環(huán)境和教學(xué)管理系統(tǒng)，解決了實(shí)踐教學(xué)和管理過(guò)程中存在的問(wèn)題，初步提升了理工學(xué)院的實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量和水平。

一、國(guó)內(nèi)實(shí)踐教學(xué)存在的問(wèn)題

目前我國(guó)存在一大批高校從傳統(tǒng)高校向培養(yǎng)應(yīng)用型人才高校轉(zhuǎn)型，隨著應(yīng)用型高校聯(lián)盟的成立，應(yīng)用型高校的人才培養(yǎng)層次和規(guī)格也逐漸明晰，人才培養(yǎng)的途徑和配套的課程體系也在逐漸形成，但由于各高校實(shí)驗(yàn)室體系龐大、設(shè)備成本高昂，實(shí)驗(yàn)室的功能轉(zhuǎn)型相對(duì)人才培養(yǎng)目標(biāo)的轉(zhuǎn)型緩慢得多。雖然學(xué)校都很關(guān)注對(duì)學(xué)生運(yùn)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)的技能和素養(yǎng)的培養(yǎng)，但大多數(shù)高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)都是通過(guò)演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)來(lái)支撐的，這種直觀的形式不僅便于學(xué)生掌握，也讓學(xué)生可以更好地理解知識(shí)本身。但這樣的教學(xué)模式也存在以下問(wèn)題：①實(shí)驗(yàn)室的管理難度很大，設(shè)備維護(hù)成本高，很難實(shí)現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)資源的靈活管理。②以人工管理為主的模式使管理工作的任務(wù)繁重，需要避免所有課程的人、時(shí)、地之間的沖突，同時(shí)還需能夠?qū)?shí)驗(yàn)室的設(shè)備進(jìn)行前期的準(zhǔn)備和調(diào)試，對(duì)教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)行管理和監(jiān)督等，其中對(duì)于教與學(xué)各過(guò)程的管理和監(jiān)督需要人為進(jìn)行操作完成，因此較為容易出錯(cuò)。③教師的教學(xué)任務(wù)繁重，需按照教學(xué)需求和人才培養(yǎng)方案的目標(biāo)調(diào)整教學(xué)大綱，設(shè)定教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)，準(zhǔn)備各種教學(xué)文檔對(duì)學(xué)生進(jìn)行過(guò)程化考核。隨著高等教育從精英化向大眾化轉(zhuǎn)變，專(zhuān)業(yè)學(xué)生人數(shù)呈現(xiàn)大量增長(zhǎng)的趨勢(shì)，因此，教師沒(méi)有足夠的精力去管理學(xué)生，這樣的現(xiàn)狀與教學(xué)過(guò)程需要教師進(jìn)行過(guò)程化考核的要求之間形成較大的矛盾。④學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣、自覺(jué)性較差，部分學(xué)生不能很好地管理自己的學(xué)習(xí)過(guò)程，且不能反復(fù)自學(xué)。⑤實(shí)驗(yàn)室建設(shè)費(fèi)用高昂，前期投入大、后期維護(hù)費(fèi)用高，實(shí)驗(yàn)室使用率不高，硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備損壞比例較大，維護(hù)難，壽命短，且以驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)器材為主。⑥學(xué)生數(shù)量眾多，教師指導(dǎo)難以到位，不能分層分類(lèi)培養(yǎng)學(xué)生，教學(xué)目標(biāo)難以落實(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)容易走過(guò)場(chǎng)，設(shè)計(jì)性和探究性實(shí)驗(yàn)難以開(kāi)展，體現(xiàn)不出因材施教。⑦現(xiàn)行的教學(xué)模式容易產(chǎn)生眾多紙質(zhì)化的教學(xué)過(guò)程檔案，容易造成教學(xué)成本浪費(fèi)，且不易保管。

二、平臺(tái)建設(shè)目標(biāo)

平臺(tái)建設(shè)之初的定位是服務(wù)理工學(xué)院的所有班級(jí)（也可擴(kuò)展為其他學(xué)院部分班級(jí)）的實(shí)踐教學(xué)，因此在建設(shè)時(shí)需預(yù)留接口，以便今后能和其他專(zhuān)業(yè)仿真平臺(tái)和軟件對(duì)接，能夠整合成一個(gè)校級(jí)綜合大平臺(tái)。

采用多媒體技術(shù)手段，充分利用Proteus、LabVIEW、Multisim、MATLAB、GMDSS及汽車(chē)仿真教學(xué)等虛擬仿真軟件的設(shè)計(jì)及虛擬仿真等功能。同時(shí)平臺(tái)的建設(shè)也形成學(xué)校之間、學(xué)院之間及校企之間共建、共享、共營(yíng)的新型協(xié)同體，更好地為培養(yǎng)校內(nèi)外具有實(shí)踐創(chuàng)新能力的優(yōu)質(zhì)人才提供服務(wù)。具體的目標(biāo)包括：

（1）實(shí)現(xiàn)對(duì)絕大部分實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)管理和監(jiān)督。減輕人工的程序化的工作，通過(guò)平臺(tái)幫助教師過(guò)程化監(jiān)督學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，讓教師全身心地投入教學(xué)目標(biāo)的落實(shí)、學(xué)生動(dòng)手能力的訓(xùn)練上，進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式等方面的改革，開(kāi)設(shè)設(shè)計(jì)性、探究性實(shí)驗(yàn)；系統(tǒng)記錄教師的過(guò)程化教學(xué)管理內(nèi)容，增加評(píng)判教學(xué)管理好壞的依據(jù)；系統(tǒng)定時(shí)考查可以?xún)?yōu)化學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自覺(jué)性；此外，可以減少實(shí)驗(yàn)室維護(hù)費(fèi)用，將紙質(zhì)化教學(xué)檔案轉(zhuǎn)化為電子化教學(xué)檔案，減少教學(xué)成本，便于教學(xué)管理及監(jiān)督。

（2）理工學(xué)院的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)包含演示性、驗(yàn)證性、綜合性、設(shè)計(jì)性等多個(gè)層次，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)涵蓋學(xué)生學(xué)習(xí)的全過(guò)程。從器件到電路，采用PSpice、Multisim等仿真軟件，結(jié)合LabVIEW等工具軟件，實(shí)現(xiàn)電路分析、數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)等的仿真設(shè)計(jì)；從信號(hào)到處理，利用Verilog、DSP Builder、Matlab等EDA工具軟件，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集分析與處理；從傳輸?shù)娇刂?，結(jié)合Matlab、Simulink等，實(shí)現(xiàn)通信傳輸和控制實(shí)驗(yàn)；從單元到系統(tǒng)，結(jié)合Proteus、Multisim等，實(shí)現(xiàn)功能單元和集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)；此外，結(jié)合Protel、Orcad、Padscad等布線(xiàn)軟件，實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到應(yīng)用級(jí)仿真。

（3）構(gòu)建高等學(xué)校之間虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心共享資源的渠道。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云端服務(wù)器，可以為實(shí)現(xiàn)與國(guó)內(nèi)優(yōu)秀高校的國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心教學(xué)平臺(tái)的互通提供軟硬件平臺(tái)，各個(gè)學(xué)校的教師之間可以共享優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，學(xué)生也可以像學(xué)習(xí)MOOC一樣，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)踐類(lèi)課程的學(xué)習(xí)，獲取名校名師的指導(dǎo)。

三、平臺(tái)架構(gòu)和功能

虛擬仿真教學(xué)及管理平臺(tái)由6個(gè)模塊構(gòu)成，如圖1所示。這6個(gè)模塊相輔相成，緊密結(jié)合，共同組成平臺(tái)的架構(gòu)和功能。

實(shí)驗(yàn)仿真模塊是本系統(tǒng)的核心模塊，所有的仿真實(shí)驗(yàn)、考試、測(cè)評(píng)和角色體驗(yàn)等都可以利用Proteus、Multisim、LabVIEW等仿真環(huán)境在平臺(tái)上進(jìn)行。

視頻教學(xué)和題庫(kù)管理是平臺(tái)的內(nèi)容部分，提供教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和測(cè)評(píng)的具體內(nèi)容，也是工作量最大的部分，并且可以依據(jù)建設(shè)的需要后續(xù)添加。

系統(tǒng)管理和考試系統(tǒng)是平臺(tái)的管理部分，通過(guò)各種角色可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間教學(xué)管理的各種功能。

虛擬仿真教學(xué)及管理平臺(tái)功能包括：①實(shí)現(xiàn)對(duì)絕大部分實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)管理和監(jiān)督；②教師對(duì)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)，包括上傳各種教學(xué)文檔、教學(xué)資源、考核資源等；對(duì)學(xué)生進(jìn)行過(guò)程化考核，包括學(xué)生是否預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)、完成作業(yè)等；③學(xué)生通過(guò)平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)教學(xué)資源的學(xué)習(xí)、整理筆記、復(fù)習(xí)、完成并提交作業(yè)及項(xiàng)目考核；④學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)，包括基礎(chǔ)技能訓(xùn)練、課題仿真設(shè)計(jì)、自主開(kāi)發(fā)創(chuàng)新和崗位角色體驗(yàn)等，完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

本校虛擬仿真教學(xué)及管理平臺(tái)界面如圖2所示。

四、平臺(tái)建設(shè)成效

（1）實(shí)現(xiàn)電子信息類(lèi)各專(zhuān)業(yè)大部分課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的虛擬仿真，部分因?qū)嶒?yàn)設(shè)備陳舊而完成不了的項(xiàng)目或難度較大的項(xiàng)目，可以根據(jù)學(xué)生實(shí)際情況分成“虛擬仿真”和“實(shí)際操作”兩個(gè)層次分類(lèi)指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)分類(lèi)分層次培養(yǎng)的教學(xué)理念，減輕教師的工作量，提高實(shí)驗(yàn)室利用效率，降低實(shí)驗(yàn)設(shè)備損壞率，減少教學(xué)成本。

（2）平臺(tái)可以將教師過(guò)程化教學(xué)管理的內(nèi)容與執(zhí)行情況記錄下來(lái)，對(duì)教師進(jìn)行全過(guò)程化的監(jiān)督和考核，增加評(píng)判教學(xué)管理的依據(jù)。

（3）為“小班上課”的改革提供平臺(tái)，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)及學(xué)習(xí)進(jìn)程來(lái)劃分層次，根據(jù)層次來(lái)預(yù)約小班輔導(dǎo)的時(shí)間，同時(shí)小班輔導(dǎo)的形式也可從課堂轉(zhuǎn)移到虛擬的網(wǎng)絡(luò)中。

（4）為課程論文（項(xiàng)目）的改革提供平臺(tái)，課程論文（項(xiàng)目）的選題、項(xiàng)目系統(tǒng)的虛擬仿真實(shí)現(xiàn)、實(shí)施過(guò)程中教師對(duì)學(xué)生的管理、學(xué)生與教師的交流等都可在該平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)。

（5）實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化教學(xué)和管理，教師的所有教學(xué)資源、學(xué)生的所有學(xué)習(xí)資源及教務(wù)管理的文檔全部電子化，極大方便了各種教學(xué)資料的管理和存儲(chǔ)的問(wèn)題，真正實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化教學(xué)和無(wú)紙化辦公。

總之，對(duì)國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)的弊端進(jìn)行分析，提出“開(kāi)放共享、優(yōu)化管理、先虛后實(shí)”的原則，本校建設(shè)了信息類(lèi)虛擬仿真教學(xué)及管理平臺(tái)，為管理人員智能、全方位管理和監(jiān)督實(shí)踐教學(xué)、教師快捷安排教學(xué)內(nèi)容和階段性考核等開(kāi)辟了全新的渠道。

平臺(tái)的建設(shè)，加強(qiáng)了對(duì)本校電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，提高了創(chuàng)新人才的培養(yǎng)質(zhì)量，為電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系改革提供了一種新方法。

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（作者單位：三亞學(xué)院理工學(xué)院）