淺談虛擬仿真實驗在培養(yǎng)應用型人才中的作用

黃容蘭 鄭瑤

摘要：隨著信息技術(shù)在高校教育中的應用及推廣，越來越多的高校建設(shè)了各個專業(yè)的虛擬仿真實驗室。虛擬仿真實驗作為一種新型實驗手段，具有與以往傳統(tǒng)實驗不同的特點和方法。本文以通信工程專業(yè)為例，嘗試從虛擬仿真實驗的特點入手，對虛擬仿真實驗在培養(yǎng)應用型人才中的作用進行研究及探討。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實驗;應用型人才

隨著大數(shù)據(jù)，人工智能，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，傳感器技術(shù)、三維建模技術(shù)和綜合多媒體技術(shù)的發(fā)展，使得以信息技術(shù)應用為本質(zhì)的虛擬仿真實驗教學在高校的教學實驗過程中發(fā)揮著重要作用。近年，隨著不少高校不少專業(yè)進行擴招，原有的辦學條件又不能及時的得到有效補充，特別是學生實驗實踐方面，很多地方高校的實驗場所、師資條件和實驗器材都不能及時得到補充，所以現(xiàn)有的實驗室資源已經(jīng)無法滿足傳統(tǒng)的實驗教學模式。此外，隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，通信實驗室的各種設(shè)備也需緊跟技術(shù)發(fā)展的步伐，而更新一套最新的通訊設(shè)備，需要投入較大的資金，而高校建設(shè)實驗室的經(jīng)費有限，無法滿足實際需求，同時，通信設(shè)備容易損壞，如果學生操作不當，設(shè)備很容易損壞，而通信設(shè)備維修成本高，通信實驗室的高投入，高消耗，不便更新和共享等特點為實驗室后期維護和管理帶來很大的壓力，嚴重影響了實驗室的建設(shè)、運行與使用。

為了解決以上傳統(tǒng)實驗教學中存在的一些問題，很多高校建立了虛擬仿真實驗教學中心，期待可以充分發(fā)揮虛擬仿真實驗的作用，對一些高消耗、高投入和危險性實驗項目，通過虛擬仿真的形式顯現(xiàn)在實際教學中，充分發(fā)揮虛擬仿真實驗在培養(yǎng)應用型人才中的作用; 此外，我們可以將最新最前沿的技術(shù)充實到虛擬仿真的教學內(nèi)容中，這樣更有利于更新學生知識結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學生綜合設(shè)計及創(chuàng)新能力。

近年來，隨著我國信息技術(shù)的迅速發(fā)展，通信技術(shù)行業(yè)也得到了蓬勃發(fā)展，社會對通信專業(yè)的人才需求量也在不斷擴大。一方面，企業(yè)急需通信方面的人才，另一方面，目前高校培養(yǎng)出來的大量通信專業(yè)方面的人才無法勝任企業(yè)交給的工作，造成這兩者的脫節(jié)，很大部分原因在于培養(yǎng)學生的過程中，缺乏行業(yè)能力的培養(yǎng)，其中最重要的是動手能力的培養(yǎng)和實際解決問題能力的培養(yǎng)。而要解決上述問題，我們需在調(diào)研市場對人才需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合專業(yè)特點和地方特點，制訂出能夠與現(xiàn)有企業(yè)需求相吻合的人才培養(yǎng)方案。通信專業(yè)的人才需要具備扎實的專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)技能、能夠根據(jù)社會的需求和發(fā)展，快速的獲取和更新專業(yè)知識的能力，此外，還需具備運用所學專業(yè)知識，分析歸納實際問題，解決問題的能力。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，社會對通信專業(yè)人才能力的要求也越來越高，而要達到這些要求，僅僅依靠課本和傳統(tǒng)的教學模式，包括上課模式和實驗模式，是遠遠達不到這些要求的。

在此，本文提出與行業(yè)標準相銜接的人才培養(yǎng)方案，著重從下面幾個方面進行構(gòu)建：首先做好通信工程專業(yè)人才市場需求的分析，從市場需求分析入手，確立應用型人才培養(yǎng)方案和目標，搭建與行業(yè)標準相符合的和相銜接的課程體系，最終執(zhí)行與行業(yè)標準相符合的教學實施過程。

為了培養(yǎng)出與行業(yè)標準相符合和相銜接的人才，我們從下面四個方面搭建了課程體系：通識教育課程模塊、行業(yè)基礎(chǔ)平臺模塊、專業(yè)教育課程模塊、實踐能力拓展模塊[3]。每個課程的模塊對應不同知識和能力的培養(yǎng)，如下圖1所示。

;;;;;;為了培養(yǎng)出與企業(yè)需求相符合的人才，必須要大力打造實驗實訓平臺，而以應用信息技術(shù)為主要特征的虛擬仿真實驗教學正好適應了資源共享和開放辦學的高等教育的要求，它能夠給學生提供自主學習和自主實驗的開放平臺和資源。在進一步提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的同時，也為推進實驗室建設(shè)和實驗教學改革提供了動力和活力。

虛擬仿真實驗依托于多種現(xiàn)代技術(shù)，十分逼真的仿真各種實驗場景和儀器設(shè)備，讓學生通過虛擬場景，如身臨其境般的開展各種實驗，以此達到教學大綱中要求的各種實驗目的。如對某些實驗，現(xiàn)實實驗無法開展或者開展的效果不理想，可以采用虛擬仿真實驗的模式進行，這樣，不僅能激發(fā)學生參與實驗的積極性和興趣，而且能進一步提高學生收集數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)的能力，從而全面提高學生應用計算機的能力，增強學生步入社會的適應能力，切實提高學生多方面的能力。

創(chuàng)新能力是應用型人才的主要特性。創(chuàng)新能力不僅指的是能夠?qū)χR和技術(shù)進行創(chuàng)新，還要能在實際工作中為社會的經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級和新技術(shù)和新產(chǎn)品的研發(fā)作出一定的貢獻，以此來適應社會技術(shù)快速更新的要求。中國傳統(tǒng)的高校教育重點注重對知識的教育，對創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)力度不夠。而虛擬仿真實驗教學可以利用仿真技術(shù)的高精度和高效率等特點，為培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和精神提供了良好的平臺。我們可以讓學生從入學開始就接觸虛擬仿真實驗平臺，學生在教師的帶領(lǐng)下，可以充分發(fā)揮自主學習性，在虛擬仿真實驗平臺上進行包括專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)核心課到各種學科競賽、畢業(yè)設(shè)計和各種創(chuàng)新活動等，利用平臺可以驗證所設(shè)計電路的有效性，為學生科技創(chuàng)新提供了良好的實踐平臺，這樣能夠有力提升了學生的實踐創(chuàng)新能力。

應用型人才的最基本屬性是實踐性，應用型人才和理論型人才的最本質(zhì)的區(qū)別在于應用型人才能夠?qū)⑿掳l(fā)現(xiàn)或者科學原理的知識直接用于社會實踐活動中。所以應用型人才要求具備專業(yè)的實踐操作能力，能夠熟練運用專業(yè)知識解決實際工作中遇到的問題。

在實踐能力培養(yǎng)方面，我們堅持遵循了“虛實結(jié)合、 相互補充”的原則。在虛擬仿真實驗環(huán)節(jié)，我們設(shè)計了“專業(yè)基礎(chǔ)課程-專業(yè)核心課程-工程應用仿真課程”這樣的實踐教學體系。

在專業(yè)基礎(chǔ)課程里，包括了通信工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程電路原理、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)等課程，常用的虛擬仿真軟件有Multisim、Altium Designer和Proteus等EDA軟件。學生可以在電腦上利用以上的EDA軟件搭建各種電路，并對電路進行測試和修改，這種虛擬仿真實驗解決了以往傳統(tǒng)實驗中儀器陳舊，設(shè)備緊缺等問題。利用這種新穎的實驗教學方式，有利于緊跟時代技術(shù)的發(fā)展，讓學生接觸到最新的設(shè)備和儀器，同時提高學生的學習興趣，有利于培養(yǎng)學生的動手能力等。

在專業(yè)核心課程里包括了通信原理，信號與系統(tǒng)，移動通信等課程;這些課程我們可以采用Matlab、Labview、Multisim等軟件搭建了幾十種常用的元器件和常見的通信器材，包括電容、電阻，信號源、示波器，調(diào)制器、解調(diào)器、路由器等。虛擬仿真平臺模擬真實實驗中用到的器材和設(shè)備，提供與真實實驗相似的實驗環(huán)境。學生通過這種高度相似的實驗環(huán)境做實驗后，能提高對專業(yè)知識的理解和應用。特別對于通信系統(tǒng)的構(gòu)建有了更深刻的，直觀的理解。學生可以任何時間段內(nèi)進入虛擬仿真平臺，可以重復操作某個重要的實驗，對某個不熟練或者掌握不好的實驗再次進行實驗，這對學生全面掌握實驗內(nèi)容和理解實驗的內(nèi)容起到很好的推動作用。除此之外，我們還可以利用我們的虛擬仿真平臺，讓學生進行實訓操作、鼓勵學生參加各類設(shè)計比賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)設(shè)計和進行畢業(yè)設(shè)計等。通過這些在虛擬仿真平臺上的各類設(shè)計和實驗，讓學生在不限次數(shù)的各類設(shè)計和實驗中增強自己的實踐能力。

通過虛擬仿真教學實驗，可以大幅節(jié)約實驗教學經(jīng)費和提高設(shè)備的使用效率。移動通信商業(yè)級別的設(shè)備一般只支持單用戶操作，而且設(shè)備昂貴且復雜，維護和使用成本較高，因此像LTE這種昂貴的通信設(shè)備，推薦通過虛擬仿真的純軟件的方式解決LTE設(shè)備不支持多用戶同時操作的問題，使得學生在無法進行實物操作的情況下，也能掌握好通信的基本原理，熟悉通信設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和如何配置數(shù)據(jù)等。另外，可以提高實驗室的開放程度，學生可以全天候的開展虛擬仿真實驗。

總之，虛擬仿真實驗室是將信息技術(shù)應用在教育領(lǐng)域的一次較大的突破，對于通信工程專業(yè)，虛擬仿真實驗室作為一個實驗教學的補充，通過硬件設(shè)備和虛擬軟件相結(jié)合補充使用的方式，有利于學生將理論知識和實踐教學相結(jié)合，讓學生通過配置各種設(shè)備的參數(shù)，解決了一些通信設(shè)備不能多人同時操作的問題，再次，虛擬仿真平臺可隨著技術(shù)的發(fā)展，隨時可以擴展和更新，這樣可以大大降低了實驗室更新的成本，同時，虛擬仿真實驗室可以全天候向?qū)W生開放，可以大大提高了實驗室的利用效率。在虛擬仿真實驗教學中，充分體現(xiàn)了虛實結(jié)合，兩者相互補充，這樣能有效的提高學生的創(chuàng)新能力和實踐能力，最終為培養(yǎng)應用型人才提供了有力的保障。

參考文獻：

[1]李安，周南潤，王玉皞.通信工程國家級特色專業(yè)虛擬實驗室建設(shè)與實踐[J].實驗室研究與探索，2013，（1）.

[2]陳英，王路露，張竹嫻，周遠，劉光燦.應用型本科院校通信工程專業(yè)虛擬仿真實驗室的建設(shè)[J].長沙大學學報，2018，（5） ： 113-115.

[3]張晶，盧智嘉，王現(xiàn)彬，楊彥彬.與行業(yè)職業(yè)標準銜接的應用型人才培養(yǎng)模式研究以通信工程專業(yè)為例[J].石家莊學院學報，2019，（5）：157-160.

[4]徐軍，張曉宇.移動通信實驗系統(tǒng)軟硬件設(shè)計與實現(xiàn)[J].實驗室研究與探索，2015，（5）.

廣西職業(yè)教育教學改革研究項目資助（編號：GXGZJG2018B153），梧州學院校級教育教學改革項目資助（編號：Wyjg2019A089），梧州學院校級教育教學改革項目資助（編號：Wyjg2019B017）。

黃容蘭（1982-），女，漢族，廣西梧州市，碩士研究生，講師，研究方向為信息通信研究及實驗室建設(shè)及管理。