電工電子虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的探索

姜德晶

（徐州工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州，221008）

1 傳統(tǒng)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在的問題

電工電子實(shí)驗(yàn)中心成立于1984年，是我校工科學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)踐場所。為我校7個(gè)二級學(xué)院的13個(gè)理工科專業(yè)服務(wù)。承擔(dān)電工電子類實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)等，承擔(dān)實(shí)驗(yàn)課程數(shù)為23門，開設(shè)了《電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)》、《電工與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)》《數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)》《電工學(xué)實(shí)驗(yàn)》及《電子實(shí)習(xí)》、《電工實(shí)習(xí)》等實(shí)踐課程。獨(dú)立設(shè)課實(shí)驗(yàn)9門，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目47個(gè)。年實(shí)驗(yàn)人時(shí)數(shù)達(dá)6-8萬。

近年來，電子相關(guān)企業(yè)發(fā)展迅速，人才需求迅速增加，招生規(guī)模也逐步擴(kuò)大，電工電子教學(xué)與實(shí)驗(yàn)中心現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模及儀器設(shè)備套數(shù)已不能完全滿足人才培養(yǎng)的需求，傳統(tǒng)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在的問題日益突出：（1）傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)因?qū)嶒?yàn)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的限制，學(xué)生在預(yù)習(xí)時(shí)往往只是紙上談兵，只能看實(shí)驗(yàn)說明書，而無法練習(xí)操作，對實(shí)驗(yàn)的原理和實(shí)驗(yàn)操作難以理解。（2）由于學(xué)生人數(shù)較多，造成實(shí)驗(yàn)室緊張，而且實(shí)驗(yàn)設(shè)備又容易損壞，難維護(hù)，更新較慢，經(jīng)常造成實(shí)驗(yàn)難以正常進(jìn)行下去或者只能多名學(xué)生擠在一個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)來湊合操作。（3）傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)大多數(shù)以驗(yàn)證性為主，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，學(xué)生無需思考，按部就班地按照實(shí)驗(yàn)步驟就沖沖做完實(shí)驗(yàn)，來不及反復(fù)思考，驗(yàn)證每一步的為何這樣操作，或者嘗試其它的操作方法，使理論學(xué)習(xí)過于理想化，實(shí)驗(yàn)動(dòng)手操作過于流程化，由于學(xué)生人數(shù)多，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)少，老師不能每位學(xué)生都能指導(dǎo)到位。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)比例偏大，難以培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力，缺乏設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。（4）受實(shí)驗(yàn)室資源限制，時(shí)間安排不合理。電工電子系列課程實(shí)驗(yàn)通常安排在大二這年陸續(xù)展開，該階段學(xué)生理論課程安排緊，空余時(shí)間較少。而實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)量大，授課班級多，在課程安排上經(jīng)常發(fā)生沖突，有時(shí)不得不占用教師和學(xué)生的課外休息時(shí)間，在某種程度上影響到教學(xué)效果，難以達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)要求。（5）學(xué)生層次不一，設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)難以開展，缺少有效的分層次培養(yǎng)運(yùn)行機(jī)制及管理平臺(tái)。

2 電工電子實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心通過建設(shè)虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)信息化平臺(tái)，把虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的完善與補(bǔ)充，最大限度地拓展電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間，豐富其內(nèi)容和形式，取得了較好的效果。結(jié)合學(xué)科和專業(yè)特點(diǎn)，已初步建成了具有中心特色的教學(xué)與管理一體化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

2.1 虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須建立在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)突破了空間、時(shí)間、條件的限制，具有高度靈活性和擴(kuò)展性，能夠結(jié)合工程實(shí)際模擬復(fù)雜的工程項(xiàng)目，也能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室受條件限制不能完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)形式新穎，內(nèi)容豐富多樣，容易激發(fā)學(xué)生的研究興趣和創(chuàng)造性，開拓學(xué)生視野，對培養(yǎng)創(chuàng)新型人才起到不可忽視的作用。而傳統(tǒng)的真實(shí)實(shí)驗(yàn)則是將書本理論落到實(shí)處，對扎實(shí)學(xué)生基本功，培養(yǎng)動(dòng)手能力有著不可替代的作用。真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)必須是互補(bǔ)的關(guān)系，虛實(shí)結(jié)合，二者缺一不可。如何將二者有效結(jié)合，發(fā)揮一加一大于二的作用，是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)的重點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)中心經(jīng)過不斷摸索，最終將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源集中在以下兩個(gè)方面：（1）預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入課前預(yù)習(xí)。利用多媒體技術(shù)，把所有的基礎(chǔ)部分，如電子元器件的識(shí)別，儀器儀表的使用，電子實(shí)習(xí)中的焊接練習(xí)操作規(guī)程，基本實(shí)驗(yàn)、選做實(shí)驗(yàn)及有些知識(shí)點(diǎn)沒有開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等等，我們老師把這些都做成視頻放在網(wǎng)站的平臺(tái)上，讓學(xué)生實(shí)時(shí)都能點(diǎn)擊學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在自己的頭腦中預(yù)想做實(shí)驗(yàn)，對所做實(shí)驗(yàn)有一個(gè)理性的認(rèn)識(shí)；其次利用仿真軟件在計(jì)算機(jī)上做實(shí)驗(yàn)；最后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)，從而加深學(xué)生基本理論知識(shí)的理解和掌握，仿真實(shí)驗(yàn)界面使用實(shí)驗(yàn)臺(tái)和儀器的真實(shí)面板一樣，學(xué)生可在課前通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)熟悉儀器設(shè)備的基本使用和操作方法，教師在課堂上講解儀器設(shè)備的使用時(shí)，學(xué)生接受的很快，就節(jié)省課堂時(shí)間了，留給進(jìn)行實(shí)際操作的時(shí)間相對增加，提高教學(xué)質(zhì)量。（2）高危實(shí)驗(yàn)。高危實(shí)驗(yàn)指實(shí)驗(yàn)條件具有危險(xiǎn)性，在實(shí)驗(yàn)過程中有人身安全隱患，或者可能造成儀器設(shè)備損壞的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。比如電工實(shí)訓(xùn)，都是強(qiáng)電，我們要求學(xué)生必須先在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上做仿真實(shí)驗(yàn)，然后才能進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室實(shí)際操作。

2.2 虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的功能

（1）綜合選課。綜合選課系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)課程和預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的管理平臺(tái)，包括課程管理模塊、實(shí)驗(yàn)管理模塊、選課模塊、學(xué)生管理模塊、系統(tǒng)管理模塊等，功能完整。在平臺(tái)設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)中心的實(shí)際情況做了很多優(yōu)化，最終完成的系統(tǒng)簡單易用，并且具有顯著的中心特色。學(xué)生在該平臺(tái)在線選課可以在一定限度內(nèi)自由調(diào)課，既做到了開放教學(xué)，又對學(xué)生進(jìn)行了有效的約束。學(xué)生也可以在該平臺(tái)在線預(yù)習(xí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)為預(yù)習(xí)結(jié)果打分并保存，老師也可以在平臺(tái)上安排各種教學(xué)任務(wù)，導(dǎo)入教學(xué)計(jì)劃、導(dǎo)入選課班級等。通過信息化的手段有效地提高了教師和學(xué)生的效率，還可以在線答疑批改作業(yè)。

（2）虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)備及其在線管理。中心部分儀器，如示波器、信號源、電源、萬用表等，均有無線上網(wǎng)功能，可通過網(wǎng)絡(luò)控制在線讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。一般儀器及大型儀器購置都可以直接在網(wǎng)上申報(bào)，儀器借用、維修、報(bào)廢、調(diào)撥這些繁瑣的事情都變成簡單化了，只要提交申請，管理員看到就可以直接受理了，不再需要老師跑來跑去了，節(jié)約人力物力，實(shí)現(xiàn)無紙化辦公，為國家節(jié)約財(cái)富，網(wǎng)上辦公節(jié)約老師時(shí)間，可以多指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。

（3）信息化教學(xué)和管理手段。利用信息化技術(shù)手段，中心開發(fā)了一些輔助教學(xué)和管理的內(nèi)容，在學(xué)生自由刷卡進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室的前提下，門禁和監(jiān)控是實(shí)驗(yàn)室開放運(yùn)行的基礎(chǔ)和安全保障，學(xué)生和老師只要提前和管理員預(yù)約，就可以在自己選擇的時(shí)間段內(nèi)自由出入實(shí)驗(yàn)室[4]。

同時(shí)，設(shè)有全天開放的科協(xié)工作室，為參加各類競賽的學(xué)生提供實(shí)訓(xùn)場地，方便學(xué)生從設(shè)計(jì)，制作、到調(diào)試的全過程。我們的學(xué)生每年都參加電子設(shè)計(jì)大賽、機(jī)器人大賽、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽，每次參加競賽的學(xué)生都能滿載而歸。

（4）安全教育。將實(shí)驗(yàn)安全教育，制作成試題庫，新生入學(xué)注冊后想進(jìn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)做實(shí)驗(yàn)，首先必須在安全教育試題庫抽題，考試合格才可以進(jìn)入網(wǎng)站學(xué)習(xí)及后續(xù)的課程實(shí)驗(yàn)操作。

（5）網(wǎng)站建設(shè)。中心網(wǎng)站的主要作用是整合實(shí)驗(yàn)資源，發(fā)布新聞和各類信息，起到對外展示和交流的作用，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源的開放共享。中心十分重視這項(xiàng)信息化建設(shè)工作，不僅設(shè)置了獨(dú)立的IP和服務(wù)器，還有專人負(fù)責(zé)網(wǎng)站的更新和維護(hù)。中心網(wǎng)站運(yùn)行良好，具有較好的對外宣傳和輻射作用。

3 結(jié)論

電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心通過建設(shè)虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)信息化平臺(tái)，把虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的完善與補(bǔ)充，最大限度地拓展電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間，豐富其內(nèi)容和形式，取得了較好的效果。需要注意的是，作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的重要補(bǔ)充的虛擬實(shí)驗(yàn)，不應(yīng)該完全替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式。在有條件的情況下，要虛實(shí)結(jié)合，盡量安排學(xué)生接觸實(shí)物進(jìn)行操作，這樣才能讓學(xué)生更好地掌握實(shí)際操作技能，處理各種實(shí)際問題。