虛擬仿真實驗教學(xué)體系中的幾點問題思考

強(qiáng) 彥，趙涓涓，吳俊霞，董云云，武儀佳

（太原理工大學(xué) 信息與計算機(jī)學(xué)院，山西 太原 030600）

0 引言

虛擬仿真實驗教學(xué)中心是教育信息化和教學(xué)實驗改革共同作用、相互影響下的產(chǎn)物。2019年教育部工作要點指出“推進(jìn)教育信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合”?！都涌焱七M(jìn)教育現(xiàn)代化實施方案（2018—2022 年）》提出的十項推進(jìn)教育現(xiàn)代化重點任務(wù)中，提出了“開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目等建設(shè)”的重大舉措[1]。2017—2018 年間，省級申報項目數(shù)量達(dá)766 項，共認(rèn)定260 項，分為23 個類別。相較于2017 年，無論是項目總數(shù)還是項目類別數(shù)量上都呈現(xiàn)大幅上升趨勢，表明近年來在國家政策方針的支持下，虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)進(jìn)入了快速發(fā)展的新時期。

1 基于虛擬仿真的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中的“四重四輕”

近些年，作為教育信息化時代下的產(chǎn)物，虛擬仿真實驗教學(xué)在教育界羸得了很大的關(guān)注度。虛擬仿真技術(shù)改變了傳統(tǒng)的實驗?zāi)Ｊ?，使實踐教學(xué)環(huán)節(jié)發(fā)生了根本性的變化。

1.1 重虛仿輕實踐，虛實把握不準(zhǔn)確

教育部高教司在文件中明確提出了“虛實結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實不虛”的虛擬仿真實驗教學(xué)十二字原則[2]。

在高校虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)過程中，學(xué)生在仿真平臺上完成的實驗較易成功，而真實場景下的實驗往往會遇到各種各樣的問題，如控制開關(guān)電路的ALU-G（運(yùn)算器接口的一種）和C-G（控制開關(guān)電路的一種）意外被同時置零，造成總線沖突、損壞芯片；實驗排線連接時管腳連接出錯；部分絕緣導(dǎo)線內(nèi)部電路斷路導(dǎo)致實驗結(jié)果未知等。仿真實驗較真實實驗來講更容易成功，避免了實際操作中遇到的許多問題，導(dǎo)致高校教師偏向于引導(dǎo)學(xué)生使用虛擬仿真平臺來進(jìn)行相關(guān)實驗的驗證，出現(xiàn)了“重虛仿輕實踐”的實驗教學(xué)現(xiàn)象，未能深入貫徹落實教育部“能實不虛”的仿真教學(xué)原則。高校在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中對虛擬仿真實驗和真實實驗的把握程度還不夠，造成了重虛輕實的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)側(cè)重點失衡的現(xiàn)象。

1.2 重驗證輕創(chuàng)新，教學(xué)方法少靈活

一直以來，實踐環(huán)節(jié)作為高校教學(xué)必不可少的組成部分，重點考查學(xué)生對所學(xué)理論知識的熟悉理解、儀器設(shè)備的操作使用及創(chuàng)新意識的培養(yǎng)提升。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)僅局限于對已知實驗結(jié)果的驗證，而非具備創(chuàng)新意識的設(shè)計探索實踐。在高校實驗教學(xué)部分，教師多是將要完成的實驗內(nèi)容按照實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗器材、實驗步驟等環(huán)節(jié)給學(xué)生進(jìn)行“填鴨式”的灌輸[3]。隨后，學(xué)生根據(jù)教師所講解的流程，毫無挑戰(zhàn)性地按照已有模板完成理論知識的驗證性實驗。學(xué)生進(jìn)行著沒有任何自主創(chuàng)造性的模仿操作，長此以往導(dǎo)致想象力和創(chuàng)造力的湮沒。

相對于高速信息時代所緊需的創(chuàng)新性人才，高校實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中更多偏重于驗證性實驗環(huán)節(jié)，缺乏對學(xué)生創(chuàng)新性實驗環(huán)節(jié)的重點培養(yǎng)，造成了“重驗證輕創(chuàng)新”的實驗教學(xué)偏差。鑒于此，太原理工大學(xué)信息與計算機(jī)學(xué)院（以下簡稱我院）開展了綜合實踐環(huán)節(jié)和課程設(shè)計環(huán)節(jié)來提升學(xué)生的實驗創(chuàng)新能力。但從驗證性到創(chuàng)新性實踐環(huán)節(jié)的跨度很大，出現(xiàn)了部分學(xué)生在進(jìn)行綜合設(shè)計環(huán)節(jié)時無從下手的情況，教師只能再次干預(yù)甚至主導(dǎo)學(xué)生的創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)。創(chuàng)新性實驗環(huán)節(jié)繼而演變成驗證性實驗，出現(xiàn)這個現(xiàn)象的原因就在于實驗教學(xué)方法缺少一個循序漸進(jìn)的過程，只是僵硬的驗證和任務(wù)性的創(chuàng)新，并沒有為學(xué)生提供一個逐層遞進(jìn)的實驗教學(xué)體系。

1.3 重購置輕研發(fā)，資源共享不充分

高校作為社會高水平人才的培養(yǎng)地，匯聚了眾多優(yōu)質(zhì)資源，是創(chuàng)新意識的爆發(fā)地。然而，對于高校引進(jìn)虛擬仿真平臺的現(xiàn)狀來講，大都是通過購買校外公司成熟的系統(tǒng)軟件來滿足基本的教學(xué)任務(wù)需求，而非靠校內(nèi)研究團(tuán)隊的自主研發(fā)。當(dāng)前，很多高校大都不同程度的購進(jìn)了虛擬仿真平臺，平臺的開發(fā)維護(hù)成本較高且系統(tǒng)安全穩(wěn)定性較差，不同院校不同虛擬仿真平臺之間并不具備連通性，通用性較弱。各大高校重復(fù)開發(fā)基本功能相近的仿真平臺，一方面浪費了大量的人力財力和硬件資源，另一方面阻礙了仿真平臺的功能完善與創(chuàng)新。

1.4 重導(dǎo)學(xué)輕自學(xué)，課前學(xué)習(xí)失主動

傳統(tǒng)的實踐課程學(xué)生大都會像理論課程一樣地對待，學(xué)生將本應(yīng)主動動手完成的實驗變成了課堂聽課環(huán)節(jié)。通常情況下，大部分學(xué)生往往依賴于教師的實驗指導(dǎo)，課前學(xué)習(xí)缺乏主動，對即將進(jìn)行的實驗缺乏深入的探索研究甚至一無所知，養(yǎng)成了一種沒有帶著問題去探索的“被動式”行為。教師為彌補(bǔ)學(xué)生沒有課前預(yù)習(xí)的不足，需從頭引導(dǎo)學(xué)生一步步進(jìn)行實驗，從而浪費了大量的時間在理論環(huán)節(jié)的教學(xué)，學(xué)生實踐導(dǎo)學(xué)時間大幅收縮，實驗教學(xué)效果降低，學(xué)生在實踐環(huán)節(jié)的熱情下降，越發(fā)忽視課前的自學(xué)環(huán)節(jié)。教師為完成教學(xué)任務(wù)，導(dǎo)學(xué)時間延長，學(xué)生動手環(huán)節(jié)時間縮短，久而久之就會形成一個惡性循環(huán)，嚴(yán)重影響實踐教學(xué)環(huán)節(jié)效果[4]，最終導(dǎo)致學(xué)生求知和動手探索的欲望降低。

2 虛擬仿真實驗教學(xué)的針對性改革

分析上文提出的“四重四輕”實驗教學(xué)體系中的不平衡，結(jié)合我院實際情況作出以下針對性改革。

2.1 虛仿實踐并立，虛仿為輔

應(yīng)明確教育部在虛擬仿真實驗教學(xué)中的十二字原則，把握實驗教學(xué)中虛擬仿真實驗與真實實驗的平衡，在實踐教學(xué)過程互為補(bǔ)充，以實為本、以虛為輔，不能避實就虛。虛擬仿真實驗具備很強(qiáng)的仿真特性，用虛擬元器件進(jìn)行操作，可以將實驗效果以逼真、形象、立體的表現(xiàn)形式演示出來[5]，虛擬仿真實驗與實際實驗操作的效果幾乎等同，大大提高教師實踐教學(xué)效果。同時，虛擬仿真系統(tǒng)平臺實驗界面簡潔，通過拖拉點擊虛擬器件進(jìn)行操作，簡單方便，具備友好的交互性，對于學(xué)生來說很容易上手進(jìn)行操作。虛擬仿真的教學(xué)豐富了課堂的教學(xué)模式，學(xué)生不再僅限于教師的口頭教授講解和實驗步驟流程，如同進(jìn)入真實的場景中，訓(xùn)練自主思考問題的能力，增強(qiáng)對實驗內(nèi)容的領(lǐng)悟。

但是，亦不可盲目夸大虛擬仿真技術(shù)在實驗教學(xué)中的作用，完全沉浸在信息化教學(xué)帶來的便利中。應(yīng)大力主張學(xué)生親自動手解決實際問題，動手是學(xué)生學(xué)習(xí)過程中極為寶貴的學(xué)習(xí)機(jī)會。仿真實驗只對真實實驗起輔助作用，要想真正掌握實驗技能，必須通過自己實際動手親自解決遇到的種種困難才能真正掌握。

虛擬仿真實驗與真實實驗在學(xué)生教學(xué)方面各有其獨到之處，對實踐教學(xué)都有著舉足輕重的地位，考慮到虛擬仿真的局限性，采取“虛仿實踐并立，虛仿為輔”的教學(xué)方式，更有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2.2 驗證創(chuàng)新并重，驗證為基

“合抱之木始于毫末，萬丈高樓起于壘土?！币磺谐删偷脑慈谟诓粩嗟胤e累。同理，高校要想培養(yǎng)出高水平創(chuàng)造力強(qiáng)的人才，教學(xué)實踐環(huán)節(jié)也得從驗證性實驗著手，隨后再進(jìn)行深層次的創(chuàng)新研究。

驗證性實驗是在已有的實驗條件下重新證明某個已存在的原理或者假設(shè)是否成立或正確。而創(chuàng)新性實驗則是通過實驗驗證自己新提出的某種假設(shè)是否成立。驗證性實驗更注重培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力，創(chuàng)新性實驗是在學(xué)生已有一定的知識前提下，通過自主思考進(jìn)行某種創(chuàng)新研發(fā)，著重培養(yǎng)的是學(xué)生的思維能力。為解決實驗教學(xué)環(huán)節(jié)重驗證輕創(chuàng)新、學(xué)生創(chuàng)新意識不足的問題，我院擬在驗證實驗的基礎(chǔ)上，探索一條驗證與創(chuàng)新并重的實驗教學(xué)體系。

我院具備良好的實驗教學(xué)環(huán)境，并配備了良好的實驗教學(xué)基地?；谔摂M仿真軟件的開放共享性，學(xué)生可以在學(xué)習(xí)理論知識的同時，利用虛擬仿真實驗平臺隨時隨地進(jìn)行基礎(chǔ)性實驗驗證，從而使學(xué)生對基礎(chǔ)理論知識有更好的理解，當(dāng)學(xué)生具備一定的基礎(chǔ)知識后，教師可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)的創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。驗證實驗與創(chuàng)新實驗的相互交叉，不僅提高了學(xué)生的動手能力，也使得學(xué)生對創(chuàng)新性實驗有了更深的理解。學(xué)生不再對創(chuàng)新性實驗有抵觸情緒，開始慢慢嘗試，調(diào)動了學(xué)生創(chuàng)新思考的積極性，形成了良好的學(xué)習(xí)氛圍。

2.3 研發(fā)購置并舉，研發(fā)為重

高校作為高等人才培養(yǎng)的重要基地，擔(dān)當(dāng)著學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)知識與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重大任務(wù)。我院在虛擬仿真實驗平臺的使用上存在著很大的局限性與依賴性，缺乏自主性，只是一味地接受，嚴(yán)重地依賴于外界。

針對這一問題，倡導(dǎo)一種以研發(fā)平臺為重心，同時在購置平臺的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次創(chuàng)新研發(fā)的舉措，試圖研發(fā)出更適合所學(xué)科目和專業(yè)的個性化平臺，提高課堂的教學(xué)質(zhì)量與學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，并通過網(wǎng)絡(luò)將各個高校間的虛擬仿真平臺連接起來，實現(xiàn)實驗教育資源共享，提升資源利用率。各個高校之間可以通過這種方式實現(xiàn)資源共享，學(xué)習(xí)其他高校優(yōu)秀的教學(xué)方式，取長補(bǔ)短，優(yōu)化自己的教學(xué)體系與教學(xué)模式，形成改進(jìn)—實踐—再改進(jìn)這樣的一個正反饋。

2.4 自學(xué)導(dǎo)學(xué)并行，自學(xué)為本

為解決實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的現(xiàn)狀，提出一種教師導(dǎo)學(xué)與學(xué)生自學(xué)并行，學(xué)生自主學(xué)習(xí)為根本的教學(xué)策略，將實驗時間返還學(xué)生，同時減輕教師的實踐教學(xué)工作量，激發(fā)學(xué)生主動動手參與的熱情。要求教師提前下發(fā)實驗環(huán)節(jié)的相關(guān)資料與任務(wù)，給學(xué)生提供充足的時間投入到課前自學(xué)環(huán)節(jié)，清楚了解自己實驗時間需要完成與解決的任務(wù)。同時，為防止有些學(xué)生課前不主動的行為，教師可以選擇部分重點講解，一方面彌補(bǔ)了部分學(xué)生沒有自學(xué)的缺陷，另一方面鞏固了其他學(xué)生對實驗理論知識的深入理解。除此以外，教師也可以選擇通過抽查的環(huán)節(jié)了解學(xué)生的課前自學(xué)情況，督促學(xué)生完成導(dǎo)學(xué)任務(wù)[6]，提高自學(xué)主動性，形成一個教學(xué)自學(xué)的良性循環(huán)。

3 教學(xué)實際

太原理工大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)依托于信息與計算機(jī)學(xué)院，旨在培養(yǎng)高素質(zhì)高水平的計算機(jī)應(yīng)用型專業(yè)人才。利用虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機(jī)交互等信息化技術(shù)[7]，在計算機(jī)組成原理已有實驗課程的基礎(chǔ)上，構(gòu)建高度仿真的實驗環(huán)境，使學(xué)生可以在虛擬仿真的實驗環(huán)境中學(xué)習(xí)[8]。學(xué)院設(shè)有先進(jìn)的實驗教學(xué)設(shè)備和穩(wěn)定的實踐教學(xué)基地，并配備有計算機(jī)硬件實驗室和虛擬仿真實驗室。在本科教學(xué)階段，學(xué)院針對學(xué)生的不同階段開設(shè)了如課程實驗、課程設(shè)計、教學(xué)實習(xí)等在內(nèi)的一系列實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。充分發(fā)揮學(xué)生的自覺能動性，促進(jìn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和工程能力[9]。

在硬件實驗室中，我院配備了50 臺EL-JYII 型計算機(jī)組成原理實驗掛箱供學(xué)生日常實驗所用，該實驗掛箱上集成了運(yùn)算單元、寄存器、存儲器、液晶顯示器等多種元器件。然而，教學(xué)配備的實驗套件價格普遍較高，開展實驗相配套的軟硬件設(shè)施還不夠完善，鑒于教學(xué)實驗場地和實驗設(shè)備的有限性，限制了學(xué)生親自動手的操作體驗，以及對所學(xué)理論知識的驗證。其次，實驗設(shè)備的組裝和拼接較為復(fù)雜，學(xué)生缺乏對實驗所用設(shè)備的了解，導(dǎo)致實驗硬件器材的損耗較為嚴(yán)重，實驗器材消耗成本較高。

基于FPGA 云提供的計算機(jī)虛擬仿真遠(yuǎn)程實驗平臺，打造“課內(nèi)課外一體化、線上線下一體化”的虛實結(jié)合的計算機(jī)組成原理實驗環(huán)境，可以為學(xué)生提供隨時隨地進(jìn)行計算機(jī)組成原理實驗的支撐，鍛煉學(xué)生操作軟硬件系統(tǒng)的能力，改善計算機(jī)專業(yè)學(xué)生“欺軟怕硬”的局面，同時為新興的人工智能硬件設(shè)計相關(guān)課程奠定實驗教學(xué)基礎(chǔ)。該虛擬仿真實驗教學(xué)采用的PYNQ 平臺可以將Python 語言的使用與硬件的設(shè)計融合起來，培養(yǎng)人工智能時代下學(xué)生的綜合實踐能力。

4 結(jié)語

虛擬仿真教學(xué)作為信息時代實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的新興的重要組成部分，有效地輔助教師在真實場景下的實驗教學(xué)，有力地促進(jìn)實驗教學(xué)體系結(jié)構(gòu)的深度變革。筆者就現(xiàn)有虛擬仿真實驗教學(xué)體系中存在的“四重四輕”問題進(jìn)行了總結(jié)概括，并就這些問題給出了針對性的建議。相信，隨著計算機(jī)數(shù)字信息化技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在實驗教學(xué)中的影響將會進(jìn)一步擴(kuò)大，隨時隨地進(jìn)行實驗對每個求知者來講都將成為現(xiàn)實。