工程教育視域下的虛擬仿真實驗教學(xué)資源平臺建設(shè)

劉海波，沈 晶，王革思，劉書勇，國 強(qiáng)

工程教育視域下的虛擬仿真實驗教學(xué)資源平臺建設(shè)

劉海波1，沈 晶1，王革思2，劉書勇1，國 強(qiáng)2

（1. 哈爾濱工程大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

以培養(yǎng)學(xué)生具有扎實的信息基礎(chǔ)知識、強(qiáng)烈的工程創(chuàng)新意識、較強(qiáng)的實踐動手能力和創(chuàng)新能力為核心，構(gòu)建了“123456”虛擬仿真實驗教學(xué)體系；以“計算機(jī)邏輯設(shè)計綜合實驗”課程急需的信息化實驗教學(xué)內(nèi)容為指向，依托現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，研發(fā)了模塊化、層次化、多元化、系列化虛擬仿真實驗教學(xué)項目以及虛擬仿真實驗教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺，在時間、空間、內(nèi)容和儀器設(shè)備方面實現(xiàn)了全面開放, 解決了學(xué)生參與工程實踐和科技創(chuàng)新活動的難題，提高了實驗教學(xué)質(zhì)量和實踐育人水平。

工程教育；虛擬仿真；實驗教學(xué)資源；網(wǎng)絡(luò)平臺

高等工程教育作為培養(yǎng)工程科技人才的重要環(huán)節(jié)，與國家和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)[1-2]。隨著國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略、“一帶一路”倡議和“中國制造2025”的進(jìn)程，如何培養(yǎng)具有工程創(chuàng)新意識、工程實踐能力和創(chuàng)新能力的復(fù)合型人才，已經(jīng)成為國內(nèi)高等教育領(lǐng)域最重要的任務(wù)[3]。為推動工程教育不斷改革創(chuàng)新，以適應(yīng)國家戰(zhàn)略的發(fā)展需要和國際競爭的新形勢，我國2016年加入了《華盛頓協(xié)議》[4-5]，2017年提出了“新工科”建設(shè)的思路[6-11]，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，注重教育成果產(chǎn)出及持續(xù)改進(jìn)人才培養(yǎng)質(zhì)量，實施以學(xué)生為中心的教學(xué)理念[12]。工程創(chuàng)新能力是學(xué)生在工程實踐活動中綜合素質(zhì)的體現(xiàn)。實驗教學(xué)是工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)的啟蒙環(huán)節(jié)，是工程教育中不可或缺的組成部分。實驗教學(xué)是在一定的實驗資源支撐下，以實驗項目為載體，通過讓學(xué)生循環(huán)往復(fù)地學(xué)習(xí)、模仿和積累，訓(xùn)練學(xué)生掌握實驗技能的過程。實驗教學(xué)需要內(nèi)容優(yōu)化、資源平臺支撐和過程管理三位一體的協(xié)調(diào)運作[13]。

教育部《關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》要求“深入推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育實驗教學(xué)的深度融合，不斷加強(qiáng)高等教育實驗教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)與應(yīng)用，著力提高高等教育實驗教學(xué)質(zhì)量和實踐育人水平”。各高校已經(jīng)和正在進(jìn)行著諸多有益的探索[14-15]。

為了適應(yīng)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)以及高等教育實驗教學(xué)改革的新要求，依托我校省級和部級計算機(jī)實驗教學(xué)示范中心并聯(lián)合我校國家級電工電子實驗教學(xué)中心，在原有工作基礎(chǔ)之上[16-18]，以“計算機(jī)邏輯設(shè)計綜合實驗”課程急需的信息化實驗教學(xué)內(nèi)容為指向，依托現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，研發(fā)了模塊化、層次化、多元化、系列化虛擬仿真實驗教學(xué)項目以及虛擬仿真實驗教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺，拓展了教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，延伸了實驗教學(xué)的時間和空間，積極探索線上線下教學(xué)相結(jié)合的個性化實驗教學(xué)新模式，逐步形成教學(xué)效果優(yōu)良、開放共享、運行有效的實驗教學(xué)項目新體系，為培養(yǎng)具有扎實信息基礎(chǔ)知識、強(qiáng)烈工程創(chuàng)新意識、較強(qiáng)實踐動手能力和創(chuàng)新能力的計算機(jī)類專業(yè)創(chuàng)新型人才提供有力保障。

1 教學(xué)體系構(gòu)建

實驗教學(xué)示范中心堅持課程建設(shè)與人才培養(yǎng)相結(jié)合、教學(xué)與科研相結(jié)合、理論教學(xué)與實驗教學(xué)相結(jié)合、虛擬仿真與真實實驗相結(jié)合的原則，構(gòu)建了“123456”虛擬仿真實驗教學(xué)體系，如圖1所示。

圖1“123456”虛擬仿真實驗教學(xué)體系

“123456”虛擬仿真實驗教學(xué)體系包括：1個目標(biāo)——以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)為目標(biāo)；2個融合——通過第一課堂和第二課堂之間知識互補(bǔ)、機(jī)制互動的融合，優(yōu)化整合優(yōu)質(zhì)教育資源；3個集成——著力打造數(shù)字邏輯理論課程、實驗課程和特色拓展實踐課程之間系統(tǒng)集成，從單元學(xué)習(xí)和設(shè)計、再到系統(tǒng)學(xué)習(xí)和綜合設(shè)計的全過程教學(xué)；4個導(dǎo)向——引導(dǎo)學(xué)生通過研發(fā)或設(shè)計成果展現(xiàn)其成功自信、專業(yè)能力、為學(xué)情操和績效責(zé)任等能力和素質(zhì)；5個模式——通過探究式演示、觀察和驗證、反設(shè)計推論、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目訓(xùn)練5種自主學(xué)習(xí)模式，完成知識學(xué)習(xí)、運用和能力訓(xùn)練；6個能力——培養(yǎng)學(xué)生的工程知識運用、方案設(shè)計開發(fā)、現(xiàn)代工具使用、工程社會分析（工程中的社會因素及工程對社會的影響分析）、團(tuán)隊溝通表達(dá)、項目工程管理6個方面工程實踐和創(chuàng)新能力。

依托省部級實驗教學(xué)示范中心打造高起點教學(xué)平臺，在教材建設(shè)、設(shè)備研發(fā)、項目開發(fā)、考核評價方面，開發(fā)高水平、高質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)共享教學(xué)資源，保證虛擬仿真實驗教學(xué)體系高質(zhì)量、高效率的運行，從而在專業(yè)技能、研究潛能、合作交流、項目管理方面能夠?qū)崿F(xiàn)全方位培養(yǎng)創(chuàng)新人才。

2 教學(xué)資源平臺設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

堅持以學(xué)生為中心、以實踐為中心、以能力培養(yǎng)為中心的設(shè)計原則，以解決復(fù)雜工程問題為主線，引導(dǎo)科學(xué)思維為目的，把理論知識、實驗技能以及創(chuàng)新意識融入到“計算機(jī)邏輯設(shè)計綜合實驗”課程的理論學(xué)習(xí)與工程創(chuàng)新實踐教學(xué)當(dāng)中，既要體現(xiàn)知識的綜合性與工程創(chuàng)新性，又要體現(xiàn)能力與素質(zhì)培養(yǎng)，遵循認(rèn)識→理解→消化→實踐→提升→創(chuàng)新的循序漸進(jìn)認(rèn)知流程。學(xué)生可根據(jù)已有的知識、技能、愛好以及工程創(chuàng)新意識進(jìn)行理論知識學(xué)習(xí)與工程創(chuàng)新實踐。通過以做帶學(xué)、以學(xué)促做，激勵自主科技創(chuàng)新學(xué)習(xí)，充分發(fā)揮自身探究能力特長，創(chuàng)造性地解決教師提出的復(fù)雜工程問題。

2.2 技術(shù)架構(gòu)

計算機(jī)邏輯設(shè)計虛擬仿真實驗網(wǎng)絡(luò)平臺（以下簡稱“平臺”）包括理論學(xué)習(xí)、虛擬仿真實驗、輔助功能和系統(tǒng)管理4個部分，如圖2所示。

圖2 計算機(jī)邏輯設(shè)計虛擬仿真實驗網(wǎng)絡(luò)平臺架構(gòu)

平臺基于Web技術(shù)構(gòu)建，采用B/S架構(gòu).Net框架開發(fā)，插件為Multisim，選擇SQL Server 作為服務(wù)器后臺數(shù)據(jù)庫，托管校園網(wǎng)數(shù)據(jù)中心。客戶端既可以在校內(nèi)通過校園網(wǎng)直接訪問仿真平臺，也可以在校外通過Internet訪問，支持500個并發(fā)用戶。

平臺基于全局的實踐教學(xué)觀設(shè)計。在設(shè)計中，注重學(xué)生設(shè)計的規(guī)范性，如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與模塊構(gòu)成，模塊間的接口方式與參數(shù)要求；在調(diào)試中，注重電路工作的穩(wěn)定性與可靠性；在測試分析中，注重分析系統(tǒng)的誤差來源并加以驗證；在學(xué)習(xí)中，注重對學(xué)生引導(dǎo)，加強(qiáng)學(xué)生對知識的理解、吸收、拓展和提升。

2.3 虛擬仿真實驗項目

以急需的實驗教學(xué)信息化教學(xué)內(nèi)容為指向，將復(fù)雜工程問題和教研成果轉(zhuǎn)化成示范性虛擬仿真實驗項目。深入融合教研成果，依托信息技術(shù)，研發(fā)數(shù)量眾多、內(nèi)容豐富、類型齊全的虛擬仿真實驗項目，與企業(yè)的真實案例和實用技術(shù)相當(dāng)，提供工程氛圍的實驗教學(xué)條件，具有模塊化、層次化、多元化、系列化特色，引導(dǎo)學(xué)生探索工程創(chuàng)新項目研發(fā)過程，掌握科學(xué)研究基本方法，強(qiáng)調(diào)人人都能成功，激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動力，使學(xué)生由被動式學(xué)習(xí)變成主動式學(xué)習(xí)，以便加快工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)。

（1）邏輯測試實驗。讓學(xué)生熟練掌握邏輯門、編碼器、加法器、寄存器、計數(shù)器等常用數(shù)字集成電路使用和測試，相比實物操作，可達(dá)到事半功倍的效果。

（2）數(shù)字單元實驗。讓學(xué)生熟練使用邏輯門、編碼器、譯碼器、觸發(fā)器、寄存器、計數(shù)器、RAM、ROM、DAC、ADC等，進(jìn)行簡單應(yīng)用電路的設(shè)計、理論計算、電路圖繪制、仿真分析以及調(diào)試等全過程，具備分析和解決一般性工程問題的能力，養(yǎng)成實事求是的科學(xué)作風(fēng)和認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

（3）數(shù)字系統(tǒng)實驗。讓學(xué)生熟練掌握常用數(shù)字系統(tǒng)、數(shù)字式控制器、數(shù)字式電子儀器、接口與數(shù)據(jù)通信等系列工程項目所涉及的學(xué)習(xí)研究、方案論證、系統(tǒng)設(shè)計、仿真分析、設(shè)計修改、實驗樣機(jī)制作、設(shè)計總結(jié)等全過程，具備利用數(shù)字邏輯技術(shù)知識構(gòu)成數(shù)字邏輯系統(tǒng)的意識，能夠應(yīng)用數(shù)字邏輯技術(shù)的基本原理對工程復(fù)雜問題進(jìn)行分析和設(shè)計，熟悉和掌握科學(xué)研究的基本過程及方法。

2.4 教材編寫

為了拓展教學(xué)內(nèi)容的廣度與深度，編寫與課程相關(guān)的工程教育系列教材，如《數(shù)字邏輯與仿真設(shè)計》《數(shù)字系統(tǒng)實驗設(shè)計與指導(dǎo)》《數(shù)字電路實驗與實踐教程》等。新教材具有可讀性、實用性和技術(shù)性，讓學(xué)生感到學(xué)有所值、學(xué)有所用，無論是在課堂上學(xué)習(xí)，還是在課外自學(xué)，都能在一定程度上幫助學(xué)生學(xué)習(xí)掌握工程基本要素、工程技術(shù)設(shè)計方法和分析方法。

2.5 服務(wù)方式

（1）在實驗的時間、空間、內(nèi)容和儀器設(shè)備方面為學(xué)生全面開放。互動可視化操作貫穿于全過程中，實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)、自主實踐、自主創(chuàng)新。

（2）為課堂教學(xué)、遠(yuǎn)程教學(xué)、學(xué)術(shù)交流提供有力支持。

（3）讓其他高校學(xué)生和社會上的學(xué)習(xí)者分享學(xué)習(xí)機(jī)會。

（4）為各種競賽培訓(xùn)、個性化培養(yǎng)提供便利，打下堅實基礎(chǔ)。

3 運行機(jī)制

平臺提供的虛擬實驗環(huán)境近乎真實情境，與實際工作相似，能夠激發(fā)學(xué)生實驗興趣和學(xué)習(xí)動力。學(xué)生能夠親自動手接觸電路，邊學(xué)習(xí)、邊設(shè)計、邊實踐，完全沉浸在現(xiàn)實的學(xué)習(xí)、工作情境中。虛擬仿真實驗教學(xué)整體實施過程包括實驗準(zhǔn)備、實驗仿真、實驗總結(jié)和自我評價4個階段，經(jīng)過21個具體環(huán)節(jié)和步驟。

3.1 實驗準(zhǔn)備階段

（1）實驗需求分析：通過在線教材或者互聯(lián)網(wǎng)自學(xué)，查閱與實驗題目相關(guān)的背景資料，進(jìn)行理論知識、實踐技能等方面準(zhǔn)備。

（2）方案設(shè)計與論證：學(xué)習(xí)教材的相關(guān)內(nèi)容，還可以查閱其他設(shè)計方案資料。

（3）技術(shù)性能參數(shù)設(shè)計：選用教材中給出的數(shù)據(jù)，還可以自行調(diào)整數(shù)據(jù)。

（4）電路結(jié)構(gòu)設(shè)計及理由：按照教材中指定的去做，還可發(fā)揮自身創(chuàng)造力。

（5）理論推導(dǎo)：按照教材指定步驟，進(jìn)行公式推導(dǎo)及理論計算。

（6）實驗設(shè)計報告編寫：歸納整理步驟（1）—（5）所形成技術(shù)資料，完成實驗設(shè)計報告編寫工作。

3.2 實驗仿真階段

（7）電路下載：在線瀏覽、下載虛擬仿真電路，進(jìn)入虛擬仿真實驗環(huán)境。

（8）電路檢查：按照設(shè)計報告或教材，嚴(yán)格仔細(xì)檢查電路及線路連接。

（9）儀器仿真數(shù)據(jù)測量：參照教材，選擇合適的測試點，接入相應(yīng)的儀器儀表，儀器參數(shù)設(shè)置，運行電路，觀察測試點波形和狀態(tài)變化，記錄測量數(shù)據(jù)。

（10）實驗分析：對實驗數(shù)據(jù)、波形、曲線進(jìn)行認(rèn)真仔細(xì)分析、研究，判斷設(shè)計的合理性、正確性以及存在的問題等。

（11）設(shè)計修改：以達(dá)到電路性能指標(biāo)要求為目的，或適當(dāng)提高技術(shù)性能參數(shù)。

（12）電路布局調(diào)整與子模塊電路生成：規(guī)范或完善電路設(shè)計，并為進(jìn)一步設(shè)計提供便利。

3.3 實驗總結(jié)階段

（13）實驗過程描述：主要包括設(shè)計方面、操作方面、分析方面等環(huán)節(jié)。

（14）實驗數(shù)據(jù)整理：整理實驗數(shù)據(jù)，輸出波形，繪制曲線，要求實驗數(shù)據(jù)表格規(guī)范，波形、曲線圖清晰、全面，且大小適中。

（15）實驗結(jié)論：利用數(shù)據(jù)、波形、曲線，闡述設(shè)計的技術(shù)性、改進(jìn)性、創(chuàng)新性等。

（16）技術(shù)討論：圍繞實驗過程、改進(jìn)性、建議等展開討論。

（17）實驗收獲：闡述宏觀知識、技能等方面的收獲、水平和提高。

（18）實驗情況報告編寫：歸納整理步驟（7）—（17）所形成技術(shù)資料，完成實驗情況報告編寫工作。實驗報告=實驗設(shè)計報告+實驗情況報告。

3.4 自我評價階段

（19）實驗報告成績：參照實驗報告評分指標(biāo)體系，自行估算得分情況。

（20）實驗操作成績：參照實際操作評分指標(biāo)體系，自行估算得分情況。

（21）實驗成績：實驗報告分值100分，實驗操作分值100分。

實驗總分=報告分?jǐn)?shù)×40%+操作分?jǐn)?shù)×60%。

成績等級：90~100分為優(yōu)秀，80~89分為良好，70~79分為中等，70~69分為及格。

4 結(jié)語

依托省部級計算機(jī)實驗教學(xué)示范中心，以培養(yǎng)學(xué)生工程創(chuàng)新意識、工程實踐能力和創(chuàng)新能力為核心，引入網(wǎng)絡(luò)與虛擬仿真技術(shù)，建設(shè)了虛擬仿真實驗網(wǎng)絡(luò)平臺，將教師的教研成果源源不斷轉(zhuǎn)換成實驗教學(xué)內(nèi)容，破解了學(xué)生參與工程實踐和科技創(chuàng)新活動機(jī)會少的難題，提高了實驗教學(xué)質(zhì)量和實踐育人水平，形成一個真正基于互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)質(zhì)的高等教育實驗教學(xué)資源共享平臺。

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Construction of virtual simulation experimental teaching resource platform based on engineering education

LIU Haibo1, SHEN Jing1, WANG Gesi2, LIU Shuyong1, GUO Qiang2

(1. College of Computer Science and Technology, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. College of Information and Communication Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Based on the cultivation of students’ solid basic knowledge of information technology, strong sense of engineering innovation, strong practical ability and innovative ability, the “123456” virtual simulation experimental teaching system is constructed. With the content of information-based experimental teaching urgently needed in the Computer Logic Design Comprehensive Experiment course as the orientation, and by relying on modern information network technology, a modular, hierarchical, pluralistic and serialized virtual simulation experimental teaching project and a virtual simulation experimental teaching network platform are developed.In terms of time, space, content and equipment, this platform is fully opened up, the difficult problems of students’ participation in engineering practice and scientific and technological innovation activities have been solved, and the quality of experimental teaching and the level of practical education have been improved.

engineering education; virtual simulation; experimental teaching resource; network platform

G642.0

A

1002-4956(2019)12-0019-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.005

2019-04-10

黑龍江省高等教育教學(xué)改革項目（SJGY20180094）；全國高等院校計算機(jī)基礎(chǔ)教育研究會計算機(jī)基礎(chǔ)教育教學(xué)研究項目（2019—AFCEC-111）；黑龍江省高等教育教學(xué)改革項目（SJGY20170537）

劉海波（1976—），男，黑龍江肇東，博士，副教授，主要從事科學(xué)計算與數(shù)據(jù)處理實驗、人工智能課程教學(xué)及計算機(jī)視覺領(lǐng)域科研工作。E-mail: liuhaibo@hrbeu.edu.cn

沈晶（1969—），女，黑龍江雞西，博士，副教授，主要從事科學(xué)計算與數(shù)據(jù)處理實驗、組合數(shù)學(xué)課程教學(xué)及機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域科研工作。E-mail: shenjing@hrbeu.edu.cn