新工科下電氣類虛擬仿真實驗中心建設(shè)的探討

劉海珊 劉瑾 李洪芹

摘要：高教部指出虛擬仿真實驗教學(xué)是一種全新的、融合的實驗教學(xué)模式。文章分析了當(dāng)前電氣類實驗教學(xué)現(xiàn)狀，從實驗教學(xué)現(xiàn)狀、建設(shè)的必要性、目的及中心應(yīng)具備的特點展開討論，明確了虛擬仿真實驗室應(yīng)以學(xué)生為本，以信息化教學(xué)為模式進而共享優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;電氣;信息化

中圖分類號：G647 ? ? 文獻標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2020）14-0383-02

一、引言

中國本科教育當(dāng)前已經(jīng)進入了新時代，比如教育部制定了“雙萬”計劃，為全面整頓本科教學(xué)秩序：淘汰“水課”、打造“金課”、取消清考等，所有措施都明確了本科教育的地位。而今，教育部大力推崇和發(fā)展的示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目，落實到各高校則是以學(xué)院相關(guān)專業(yè)課程為建設(shè)主體。協(xié)同企業(yè)的研發(fā)和創(chuàng)新能力，系統(tǒng)地建設(shè)與整合虛擬仿真實驗的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，服務(wù)于教師和學(xué)生。

按照學(xué)科專業(yè)的需求，建設(shè)虛擬仿真實驗室，其建設(shè)成果更體現(xiàn)了高校對自主知識產(chǎn)權(quán)的開發(fā)，并可網(wǎng)絡(luò)化運行實現(xiàn)資源共享。何為虛擬仿真？其實驗教學(xué)資源分為程序和系統(tǒng)兩大類：程序可構(gòu)建虛擬環(huán)境，并實現(xiàn)實時仿真、實時互動的程序;系統(tǒng)則需要終端硬件設(shè)備支持。二者共同協(xié)作完成虛擬仿真實驗。如何建好電氣類虛擬仿真實驗室，本文就以下幾點展開分析。

二、高校電氣類實驗室特點。

隨著高等院校應(yīng)用型本科建設(shè)的推進，高校由“教學(xué)型為主”向“教學(xué)科研型并進”改革的深入，高校教師提升科研能力的關(guān)鍵場所即為實驗室。當(dāng)前各高校的電氣類實驗室現(xiàn)狀如下。

1.實驗教學(xué)的關(guān)注度?，F(xiàn)階段各高校人才培養(yǎng)方案中規(guī)定實驗學(xué)時達到16個學(xué)時的課程須獨立設(shè)課，凸顯了對實驗教學(xué)的重視。人才培養(yǎng)方案對理論課程和實驗課程的差別對待，使學(xué)生形成一種重理論輕實驗的思想意識。

2.實驗教學(xué)課時不足。根據(jù)應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)方案的新要求，各專業(yè)理論課程的總學(xué)分有所減少，也就意味著教學(xué)總課時減少。而實驗課是需要多次實驗操作來驗證的，若減少實驗課時數(shù)，則會直接影響實驗教學(xué)效果。

3.實驗教學(xué)內(nèi)容需更新完善。在實際教學(xué)過程中，各專業(yè)的實驗課往往緊密跟隨理論課程，但在實際操作中二者的銜接及實驗課程常出現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容不匹配的問題。同時現(xiàn)階段實驗教學(xué)內(nèi)容又受實驗裝置限制，從而容易導(dǎo)致實驗教學(xué)內(nèi)容的重復(fù)、脫節(jié)。

4.實驗教學(xué)條件有待改善。高校要投入大量人力、物力和財力，解決實驗室中的實驗教學(xué)儀器和配套設(shè)備存在老化等問題。同時實驗室數(shù)量有限，面向?qū)W生的開放性實驗室嚴(yán)重不足，使得學(xué)生為迎接各類競賽等開展實驗創(chuàng)新活動場地不夠，實驗教學(xué)條件亟待改善。

上述問題的存在，在一定程度上限制了實驗教學(xué)質(zhì)量的提高，更制約了應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。因此，學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)和教師教學(xué)研究性轉(zhuǎn)變，亟須對現(xiàn)有的實驗教學(xué)模式進行優(yōu)化，虛擬仿真實驗室則呼之欲出。應(yīng)以虛擬實驗室建設(shè)為契機，更好地發(fā)揮實驗教學(xué)對創(chuàng)新實踐型人才培養(yǎng)的作用。

三、虛擬仿真實驗室建設(shè)的前提

想單純靠硬件儀器來打造高水平的實驗室面臨著隨時落后的危機?，F(xiàn)有的基礎(chǔ)實驗設(shè)備種類多且數(shù)量大，實驗教師的教學(xué)與設(shè)備管理任務(wù)非常繁重。開展虛擬仿真實驗室建設(shè)時需注意以下幾點。

1.夯實基礎(chǔ)，緊跟學(xué)科前沿。為培養(yǎng)應(yīng)用型人才，各高校各施所長。以電氣類虛擬仿真實驗室建設(shè)為例，電氣類學(xué)科是一個傳統(tǒng)領(lǐng)域，但它又與其他學(xué)科領(lǐng)域的新技術(shù)交叉融合，適應(yīng)于電氣類專業(yè)的虛擬仿真實驗室必須緊跟電氣類專業(yè)學(xué)科發(fā)展的新方向、新動態(tài)。

2.人才培養(yǎng)發(fā)展的需要。虛擬仿真實驗室的建設(shè)要緊密圍繞本專業(yè)的人才培養(yǎng)計劃。比如上海工程技術(shù)大學(xué)已發(fā)展成一所學(xué)科門類齊全、辦學(xué)特色鮮明的應(yīng)用型本科院校。學(xué)校近年來不斷加大人才引進，強化校企結(jié)合的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，深化教學(xué)改革，持續(xù)提高教育質(zhì)量。

3.設(shè)計課程內(nèi)容的需要。專業(yè)課程是培養(yǎng)人才的關(guān)鍵。以電氣工程及其自動化專業(yè)為例，該專業(yè)學(xué)習(xí)電氣工程領(lǐng)域的理論、方法及工程應(yīng)用，課程體系注重強電與弱電結(jié)合。現(xiàn)有實驗室大多采取封閉式教學(xué)模式，限制了“優(yōu)化課內(nèi)，強化課外”的教學(xué)意識，缺乏“從概念到產(chǎn)品”的開發(fā)訓(xùn)練。同時，在很多實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中都存在高耗能、高危險等不易實現(xiàn)的環(huán)節(jié)。以虛擬仿真實驗代替強電課程實驗則顯得更為適宜，有效解決傳統(tǒng)實驗平臺建設(shè)周期長、投入大、后期實驗儀器性能老化、設(shè)備維護不到位等問題。

4.師資力量提升的需要。要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力，師資隊伍建設(shè)必須先行。創(chuàng)新思維的前提是實驗環(huán)境的豐富資源，基于硬件的實驗平臺顯然受到制約。虛擬仿真實驗室借助網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)模式，轉(zhuǎn)化為開放式實驗室，可以改善傳統(tǒng)實驗室的時間和空間的局限性，吸引學(xué)生根據(jù)自身的愛好、專業(yè)興趣自主選擇實驗內(nèi)容，有效拓展實驗渠道，豐富課外學(xué)習(xí)內(nèi)容。所以，建立虛擬仿真實驗室是擺在電氣類實驗室面前的一個嶄新課題。

四、虛擬實驗室建設(shè)的目標(biāo)

電氣類虛擬仿真實驗室的建設(shè)應(yīng)融合現(xiàn)代電氣技術(shù)、虛擬仿真實驗技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一體。構(gòu)建以電氣類學(xué)科基礎(chǔ)課程為教學(xué)內(nèi)容的虛擬仿真實驗室，既可以構(gòu)建校內(nèi)共享的在線虛擬教學(xué)與實驗實訓(xùn)的“理、虛、實、訓(xùn)”一體化的學(xué)習(xí)環(huán)境，又有利于推動培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、提升學(xué)生的實踐能力。同時，提升高校實踐教學(xué)信息化和資源開發(fā)共享水平，推進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展方式轉(zhuǎn)變。適應(yīng)于電氣類虛擬仿真實驗室應(yīng)具備的特點如下。

1.多樣化。教學(xué)資源傳播網(wǎng)絡(luò)化隨著大數(shù)據(jù)、云計算、“互聯(lián)網(wǎng)+”等信息化技術(shù)的發(fā)展更為突出。虛擬仿真實驗室利用高科技，實現(xiàn)實時網(wǎng)絡(luò)課堂，將教學(xué)形成一體化課程，學(xué)生自主學(xué)習(xí)。這種多樣性為一體的混合式教學(xué)模式，使得傳統(tǒng)以教師為中心的教學(xué)模式將退出歷史舞臺。

2.人性化。虛擬仿真實驗教學(xué)削弱了時間和空間限制。學(xué)生可以根據(jù)自身理論學(xué)習(xí)情況，隨時獲取教學(xué)資源。同時實驗系統(tǒng)又可對學(xué)生的學(xué)習(xí)行為、效果與成績進行動態(tài)展示與激勵，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

3.全方位。虛擬仿真實驗不僅支持學(xué)科基礎(chǔ)教學(xué)課程群，還適合開發(fā)支持綜合實驗和設(shè)計性實驗。虛擬仿真實驗融合多種新技術(shù)，形成集仿真技術(shù)于一體的教學(xué)資源庫來支持多種教學(xué)類型。隨著教學(xué)的深入，教師可不斷將自己的教學(xué)成果添加到系統(tǒng)中。

五、結(jié)論

虛擬仿真實驗室的出現(xiàn)符合新工科教育教學(xué)：教學(xué)方式由以“教”為主的傳統(tǒng)模式進入更具創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性的以“學(xué)”為主的模式。推動虛擬仿真實驗室建立，通過網(wǎng)絡(luò)化的理論學(xué)習(xí)，身臨其境的虛擬仿真實驗從軟件到硬件，從產(chǎn)品概念到設(shè)計完成，從虛擬到現(xiàn)實，實現(xiàn)了整個電氣技術(shù)探究過程。以激發(fā)教師的研發(fā)與創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和管理的能力，踐行著“理”“虛”“實”一體化教學(xué)理念，實現(xiàn)以現(xiàn)代信息技術(shù)推動高等教育教學(xué)質(zhì)量提升的“變軌超車”。

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Abstract：The Ministry of Higher Education has given an important directions：virtual simulation experiment teaching is a suitable model.This paper first analyses the current situation of electrical experiment teaching，and then discusses the current situation of experimental teaching，the necessity of construction，the purpose and the characteristics of the center.It is clear that virtual simulation laboratory is student-oriented and take information-based teaching as the mode to realize sharing of high-quality experimental teaching resources.

Key words：virtual simulation;electrical;information technology