儀器類專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)思路

廖肖依 馮燁 王美軍 龐立 周龍

[摘 要] 對(duì)儀器類專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)思路進(jìn)行了具體的分析，主要針對(duì)儀器類專業(yè)的相關(guān)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)技能以及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)進(jìn)行探討。通過采取校企合作的方式，站在學(xué)科的優(yōu)勢角度上構(gòu)建涵蓋基礎(chǔ)教學(xué)、專業(yè)訓(xùn)練以及學(xué)科前沿技術(shù)的多層次的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，為我國儀器類專業(yè)的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

[關(guān) 鍵 詞] 儀器類專業(yè)；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；教學(xué)中心；建設(shè)思路

[中圖分類號(hào)] G434 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2018）22-0152-02

在高等教育信息化建設(shè)和教學(xué)示范中心建設(shè)中，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室教學(xué)是其中一個(gè)必不可少的部分，現(xiàn)代信息化技術(shù)高速發(fā)展，學(xué)科專業(yè)也要隨之不斷完善進(jìn)步，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)就是這兩者高度融合的產(chǎn)物。近年來，我國大力推進(jìn)國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)，對(duì)該項(xiàng)建設(shè)投入了大批資金，將其作為推進(jìn)科學(xué)發(fā)展、共享資源規(guī)劃的一個(gè)關(guān)鍵部分，以此來推進(jìn)各高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的改革創(chuàng)新。

儀器儀表技術(shù)屬于信息技術(shù)范疇，主要是針對(duì)信息檢測、信息運(yùn)輸以及信息理論技術(shù)等。近幾年，我國計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)取得了飛速發(fā)展，隨之而來的虛擬仿真技術(shù)也取得了明顯進(jìn)步，將計(jì)算機(jī)技術(shù)融入其中，有效地開拓了虛擬仿真技術(shù)中的新領(lǐng)域。以天津大學(xué)為例，天津大學(xué)目前已經(jīng)開展了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并進(jìn)行了光電子國家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的建設(shè)，在發(fā)展現(xiàn)存學(xué)科的基礎(chǔ)上，又構(gòu)建了相對(duì)完備的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，發(fā)展至今，效果顯著。

一、儀器類專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的特點(diǎn)

許多高校都存在重教學(xué)而輕實(shí)驗(yàn)的問題。事實(shí)上，教學(xué)只是進(jìn)行理論部分的傳教，而實(shí)驗(yàn)才是將理論落實(shí)到實(shí)際的過程，這兩者缺一不可，同等重要。具體來說，儀器類專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系具有以下特點(diǎn)。

（一）成本更低

實(shí)驗(yàn)教學(xué)不同于課堂教學(xué)，需要有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)器材作為教學(xué)支撐，但對(duì)于高校中的儀器類專業(yè)來說，實(shí)驗(yàn)器材通常價(jià)格昂貴，大批量購置實(shí)驗(yàn)器材為高校帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)壓力，因此，許多高校都無法及時(shí)開設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。而新時(shí)期，虛擬仿真技術(shù)取得了明顯的進(jìn)步，高校無需花費(fèi)昂貴的價(jià)格購買實(shí)驗(yàn)器材，僅需要在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室，即可為學(xué)生營造一個(gè)十分真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生通過操作虛擬儀器，就可以身臨其境般地完成每一個(gè)實(shí)驗(yàn)操作步驟。學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，不會(huì)消耗實(shí)驗(yàn)器材，也不會(huì)受到外界條件的限制，學(xué)生可以反復(fù)操作，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用可以被最大化。

（二）安全性更高

儀器類專業(yè)涉及許多精密的器件，在具體的實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，一旦出現(xiàn)問題，不僅會(huì)對(duì)儀器本身造成損壞，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?duì)學(xué)生的安全帶來威脅。而通過虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，就有效地規(guī)避了這些問題，即便學(xué)生在這一過程中出現(xiàn)了失誤的操作，也不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。

（三）作用更強(qiáng)

實(shí)驗(yàn)過程通常較為復(fù)雜，高校的學(xué)生在進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)之前，通常都會(huì)提前進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅可以協(xié)助高校學(xué)生在實(shí)驗(yàn)之前進(jìn)行預(yù)習(xí)，幫助學(xué)生充分了解實(shí)驗(yàn)的操作步驟，減少實(shí)驗(yàn)操作摸索的時(shí)間，而且對(duì)于一些操作難度較大的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以先進(jìn)行實(shí)際操作，再通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行，從而起到有效的復(fù)習(xí)作用，通過重復(fù)進(jìn)行每一個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟來消化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

（四）實(shí)驗(yàn)效率高

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以有效地幫助學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，另外，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的逐步發(fā)展，學(xué)生不僅可以在校內(nèi)進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)，高校的教育領(lǐng)域得到了明顯的拓展。構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心使實(shí)驗(yàn)操作不僅僅局限于實(shí)驗(yàn)室，儀器類專業(yè)的學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，并且在實(shí)驗(yàn)的過程中可以與其他實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行溝通交流，不僅有效促進(jìn)了學(xué)生之間的共同進(jìn)步，還可以提高研究效率。

二、構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的重要性和必要性

近年來，隨著我國計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的逐步發(fā)展，我國的高校教育也步入了一個(gè)新的階段。傳統(tǒng)的依靠教師進(jìn)行知識(shí)教學(xué)已經(jīng)無法滿足當(dāng)前學(xué)生獲取知識(shí)的要求，計(jì)算機(jī)已經(jīng)逐漸成為高校學(xué)生學(xué)習(xí)的一項(xiàng)重要工具。高校面臨實(shí)驗(yàn)教育改革的新問題，而且虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)的出現(xiàn)，則有效緩解了高校教育改革過程中面臨的危機(jī)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，虛擬是重點(diǎn)，仿真是實(shí)質(zhì)，教學(xué)是目的，通過人機(jī)交互的方式，為高校學(xué)生創(chuàng)造進(jìn)行實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的平臺(tái)，協(xié)助教師完成教學(xué)任務(wù)，從而達(dá)到鍛煉學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力的目的。深究儀器類專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的重要性，具體體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（一）基礎(chǔ)教學(xué)理論實(shí)踐方面

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上構(gòu)建的，通過進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作，可以有效促進(jìn)學(xué)生對(duì)課堂所學(xué)知識(shí)更為深入地理解。虛擬實(shí)驗(yàn)同實(shí)際實(shí)驗(yàn)大致相同，學(xué)生可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境完成與實(shí)際實(shí)驗(yàn)一致的實(shí)驗(yàn)操作，虛擬實(shí)驗(yàn)同時(shí)也具有更為明確的優(yōu)勢，儀器類專業(yè)的學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)操作的時(shí)間得到了有效的縮減，且在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的失誤也明顯減少。設(shè)備及元器件損壞的情況大幅度減少，且基本不會(huì)發(fā)生影響學(xué)生安全的問題。加之虛擬仿真技術(shù)不受外界因素的影響，學(xué)生可以隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，有效避免了因?qū)嶒?yàn)室不足而造成的學(xué)生無法即時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的問題。

（二）專業(yè)課程訓(xùn)練方面

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)工具可以供多名學(xué)生同一時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生不會(huì)受到設(shè)備、場地等外界因素的限制，可以有效地實(shí)現(xiàn)課堂知識(shí)與實(shí)驗(yàn)操作之間的協(xié)作運(yùn)行。另外，虛擬工具設(shè)計(jì)更能協(xié)助學(xué)生發(fā)現(xiàn)操作過程中的錯(cuò)誤，且無需耗費(fèi)實(shí)驗(yàn)資源和器材，學(xué)生可以反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，掌握實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)。

（三）學(xué)科前沿研究角度

對(duì)高校來說，很多時(shí)候都需要采用大型的儀器設(shè)備來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。大型儀器設(shè)備的購入通常需要耗費(fèi)大量資金，且進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，由于儀器體積過大操作步驟較為繁復(fù)，在實(shí)驗(yàn)過程中，不僅要消耗實(shí)驗(yàn)器材和資源，而且設(shè)備運(yùn)行及后期維護(hù)的成本支出皆較高。采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，不僅可以使學(xué)生獲得使用大型儀器設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的同等體驗(yàn)，同時(shí)也避免了過多的資金支出，為學(xué)科前沿研究的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)的具體方法

（一）構(gòu)建基礎(chǔ)教學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)最大的優(yōu)勢就在于其不受外界因素的限制，高校學(xué)生雖然具有較高的素質(zhì)，但對(duì)于一些只經(jīng)過了短期課堂學(xué)習(xí)的儀器類專業(yè)的學(xué)生來說，對(duì)實(shí)驗(yàn)的具體操作步驟了解較少，在進(jìn)行實(shí)際性的實(shí)驗(yàn)時(shí)通常會(huì)手足無措，難以獨(dú)立應(yīng)對(duì)。而隨著虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，各項(xiàng)元器件都可以通過實(shí)物圖形來呈現(xiàn)，學(xué)生在進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)時(shí)有身臨其境之感，可以切實(shí)體會(huì)到全方位的基本技能訓(xùn)練。除此之外，對(duì)具有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生及研究生來說，也可以通過對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的調(diào)整，來實(shí)現(xiàn)針對(duì)各方面各專業(yè)學(xué)生的教學(xué)。

（二）構(gòu)建專業(yè)訓(xùn)練虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將實(shí)際的實(shí)驗(yàn)步驟通過虛擬的方式呈現(xiàn)出來，大量仿真實(shí)驗(yàn)的融合，更有助于儀器類專業(yè)學(xué)生實(shí)際操作意識(shí)的培養(yǎng)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建全面利用了信號(hào)的控制，對(duì)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)有著積極作用。

（三）建設(shè)學(xué)科前沿技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

隨著我國各項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，傳統(tǒng)的研究成果已經(jīng)難以滿足新時(shí)期各項(xiàng)發(fā)展的需求，對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來說也是如此。這就要求高校不斷地將新型的教育成果融入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)當(dāng)中，為學(xué)生營造更為良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

四、共享教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建

隨著我國教育水平的不斷發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源得到了各高校的廣泛應(yīng)用。通過利用現(xiàn)代化的信息技術(shù)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)得到了良性的發(fā)展。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)突破了傳統(tǒng)教學(xué)過程中教師與學(xué)生的互動(dòng)教學(xué)方式，融入了實(shí)驗(yàn)管理員這一第三角色。系統(tǒng)對(duì)于教師、學(xué)生以及實(shí)驗(yàn)管理員有針對(duì)性地構(gòu)建了不同的用戶界面，有助于發(fā)揮不同角色在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)運(yùn)行過程中的不同作用。學(xué)生可以通過平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)類型的選擇、實(shí)驗(yàn)室的預(yù)約、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的提交以及實(shí)驗(yàn)成績的查詢等操作。教師可以通過平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的評(píng)定、實(shí)驗(yàn)步驟的指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)資源的發(fā)布等操作。此外，實(shí)驗(yàn)管理員可以通過平臺(tái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程的操控調(diào)整。三者之間協(xié)同發(fā)展，更有助于發(fā)揮系統(tǒng)的優(yōu)勢性。

除此之外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可以對(duì)儀器類專業(yè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的記錄，例如，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的正確率、學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的精準(zhǔn)度、學(xué)生的具體實(shí)驗(yàn)次數(shù)等。通過對(duì)這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以對(duì)實(shí)驗(yàn)的難易程度進(jìn)行合理的分配，有針對(duì)性地對(duì)各年級(jí)的學(xué)生分配不同的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

綜上所述，隨著我國計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的逐步發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)已經(jīng)成為各高校校園建設(shè)過程中的一個(gè)關(guān)鍵性部分。經(jīng)過一段時(shí)間的發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)已經(jīng)取得了一定的成果，但其中仍然存在一系列有待解決的問題。這就要求各高校在進(jìn)行儀器類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)時(shí)能立足于學(xué)生的專業(yè)知識(shí)體系，以提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果為目的，構(gòu)建虛擬與真實(shí)相結(jié)合、教學(xué)與科研一體化的綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。將虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)與生產(chǎn)實(shí)踐平臺(tái)相結(jié)合，一方面可以切實(shí)提升學(xué)生具體操作實(shí)驗(yàn)的能力，另一方面也更有助于學(xué)生將課堂學(xué)習(xí)的知識(shí)落實(shí)到實(shí)踐當(dāng)中，從而有效解決儀器類專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中所面臨的各項(xiàng)問題。高校在進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的構(gòu)建時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分利用學(xué)院與企業(yè)合作的優(yōu)勢，為高校各專業(yè)的發(fā)展開辟更為全面的新型教學(xué)模式，同時(shí)為儀器類專業(yè)的良性發(fā)展起到推進(jìn)性作用。

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