測控專業(yè)系列核心課程虛擬仿真教學(xué)平臺研究*

梅秀莊 甘世明 宋鵬飛 牛方浩

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）

為滿足社會對創(chuàng)新型跨學(xué)科人才需求，更好的服務(wù)新工科建設(shè)，探索新型教育培養(yǎng)方式已成為學(xué)校教育改革的主題。原始課堂教學(xué)方式側(cè)重于理論的講解，課堂相對枯燥乏味，使得學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性低，課程教學(xué)效果不盡人意。秉持新工科、學(xué)生為中心的教學(xué)理念，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐意識、創(chuàng)新思維能力為教學(xué)改革的目標(biāo)，積極探索新型教學(xué)模式、方法，是每位高等教育工作者須承擔(dān)的重要職責(zé)和使命。

利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)，將專業(yè)課程基礎(chǔ)與專業(yè)知識、工程實(shí)例進(jìn)行形象的圖文展示，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)與虛擬仿真教學(xué)的緊密融合，搭建課堂學(xué)習(xí)到實(shí)踐學(xué)習(xí)的橋梁，使學(xué)生較短時(shí)間內(nèi)掌握一些復(fù)雜的專業(yè)知識，充分調(diào)動學(xué)生積極性，增強(qiáng)學(xué)生的認(rèn)知能力和工程實(shí)踐能力，有利于充分發(fā)揮虛擬仿真教學(xué)在高校教學(xué)實(shí)踐中作用[1]、推動高等教育教學(xué)質(zhì)量的提升[2]。

本文通過設(shè)計(jì)測控專業(yè)系列核心課程的虛擬仿真教學(xué)平臺，依據(jù)本校測控技術(shù)與儀器專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和課程教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，將測控專業(yè)系列課程的重要、抽象的知識點(diǎn)實(shí)例化、可視化，使學(xué)生更容易理解；將測控專業(yè)系統(tǒng)課程知識系統(tǒng)化，促進(jìn)測控專業(yè)整體理論知識的整合，使專業(yè)性知識更加系統(tǒng)化；輔助學(xué)生解決日常生活中與本專業(yè)相關(guān)的實(shí)際問題，鍛煉其編程能力和邏輯思維能力。

將研發(fā)出的虛擬教學(xué)平臺應(yīng)用于測控專業(yè)的本科教學(xué)，使一些晦澀難講、難以理解的原理、抽象的概念、以及性能分析等進(jìn)行準(zhǔn)確、形象、直觀地圖形化展示，加深學(xué)生對所學(xué)知識點(diǎn)的理解，起到事半功倍的教學(xué)效果。另外可將日常生活、實(shí)際工程中典型的實(shí)例，加入到虛擬仿真教學(xué)平臺，有利于開闊學(xué)生的視野，激發(fā)其學(xué)習(xí)的興趣和積極性?？奢o助老師教學(xué)，改善教學(xué)效果，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，開闊學(xué)生視野。

通過建立虛擬教學(xué)平臺，將整個(gè)測控專業(yè)的大部分課程理論知識進(jìn)行系統(tǒng)的整合，使專業(yè)知識系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到系統(tǒng)化展現(xiàn)，有利于促進(jìn)專業(yè)教學(xué)的長期發(fā)展。將測控專業(yè)的一些抽象化知識點(diǎn)，通過友好的界面進(jìn)行圖形化展示，有利于學(xué)生的理解和短時(shí)間內(nèi)消化所學(xué)專業(yè)知識。引入與專業(yè)相關(guān)的日常生活、實(shí)際工程應(yīng)用實(shí)例，使學(xué)生開闊眼界，有助于激發(fā)其學(xué)習(xí)積極性、主動性。

本文以提高課程教學(xué)效果、提升學(xué)生工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力為目標(biāo)[3]，利用MATLAB編程軟件系統(tǒng)搭建測控技術(shù)與儀器專業(yè)系列核心課程虛擬仿真教學(xué)平臺，為學(xué)生提供方便、便攜的虛擬仿真操作，有助于培養(yǎng)測控儀器專業(yè)學(xué)生在信號檢測與分析、模式識別、智能控制等方面的知識技能、實(shí)踐動手能力。

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)的必要性與優(yōu)勢

（一）平臺建設(shè)的必要性

隨著新工科理念在高校的不斷深入，社會對跨學(xué)科人才的要求也在逐漸提高，傳統(tǒng)的教學(xué)模式難以適應(yīng)新工科概念下的人才培養(yǎng)，發(fā)展教學(xué)新方式勢在必行。測控專業(yè)中《信號與系統(tǒng)》《數(shù)字信號處理》《誤差理論與數(shù)據(jù)處理》《數(shù)字圖像處理》《測控電路》《自動控制原理》等課程屬于專業(yè)的核心課程。由于測控專業(yè)學(xué)科跨度較大，理論性強(qiáng)、概念抽象、分析邏輯繁瑣，學(xué)生在課堂專業(yè)知識的學(xué)習(xí)中經(jīng)常會遇到很多復(fù)雜、難以理解問題，短時(shí)間難以消化和吸收繼而影響后續(xù)的學(xué)習(xí)。與此同時(shí)，現(xiàn)如今由于新冠疫情原因等多種不確定因素影響，學(xué)生不能正常返校，不能在教室內(nèi)進(jìn)行授課、學(xué)習(xí)，需要采用網(wǎng)絡(luò)的線上教學(xué)模式進(jìn)行專業(yè)課程、實(shí)驗(yàn)課程的遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)，對老師授課、學(xué)生學(xué)習(xí)都提出了新的挑戰(zhàn)，教師授課過程中不能通過察言觀色來了解學(xué)生對知識的理解程度，很難動態(tài)調(diào)節(jié)講課節(jié)奏、靈活調(diào)整授課內(nèi)容，學(xué)生也通常出于禮貌不忍心打斷老師的正常授課而提出自己不懂的問題，這些都大大增加了學(xué)生對專業(yè)知識的理解和掌握難度，

為了更好地迎合新工科需求和適應(yīng)現(xiàn)有的教學(xué)模式、克服疫情防疫等因素影響，構(gòu)建能將抽象知識進(jìn)行形象展示，并提供方便快捷實(shí)踐操作手段的虛擬仿真教學(xué)平臺，以虛補(bǔ)實(shí)，整合測控專業(yè)整體理論知識，加強(qiáng)理論與實(shí)踐的結(jié)合，優(yōu)化教學(xué)方法，提升教學(xué)效果，為實(shí)現(xiàn)測控專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)提供有力支撐[4]。

本文通過研發(fā)一套測控專業(yè)系列核心課程的虛擬仿真教學(xué)平臺，解決課堂教學(xué)中一些抽象概念、原理等難以形象、直觀展現(xiàn)的問題。將測控專業(yè)系列核心課程中抽象、難以理解的重要知識點(diǎn)，以圖形圖像、動畫的方式進(jìn)行展現(xiàn)。使測控專業(yè)知識更加系統(tǒng)化，通過平臺對系列課程的整合，能使專業(yè)知識更加系統(tǒng)化。有利于學(xué)生總體上系統(tǒng)掌握知識。增加重要知識點(diǎn)在日常生活、實(shí)際工程中的應(yīng)用實(shí)例，輔助教學(xué)，擴(kuò)展學(xué)生視野，加深了理論與實(shí)踐的結(jié)合、理論向?qū)嵺`的轉(zhuǎn)化。

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方式側(cè)重于理論的講解和分析，極少考慮所學(xué)知識在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中的實(shí)際應(yīng)用，在一定程度上降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、弱化了課程教學(xué)效果。通過借助MATLAB軟件系統(tǒng)搭建虛擬仿真教學(xué)平臺，引入測控專業(yè)系列核心課程的共性基礎(chǔ)知識、各門課程基礎(chǔ)原理及過程分析，借助MATLAB強(qiáng)大的計(jì)算功能和圖形處理功能，利用圖形圖像、聲音、動畫、特效等方式，將一些晦澀難講、難以理解的原理、抽象的概念、以及性能分析等進(jìn)行準(zhǔn)確、形象、直觀地表現(xiàn)，從而使學(xué)生加深對所學(xué)知識點(diǎn)的理解，起到事半功倍的教學(xué)效果。激發(fā)其學(xué)習(xí)的興趣和積極性。

在課堂教學(xué)過程中一些理論性強(qiáng)且抽象的概念在老師的講解過后，同學(xué)們很難理解消化，現(xiàn)通過虛擬仿真教學(xué)平臺，通過點(diǎn)擊不同的按鈕，進(jìn)行圖形圖像的形式展示，使抽象的知識變得更加形象具體，便于同學(xué)的理解掌握，同學(xué)們對于一些性質(zhì)難以記憶，通過仿真平臺改變相應(yīng)的參數(shù)，圖形圖像就會進(jìn)行相應(yīng)變換，這樣就使得難于記憶的知識點(diǎn)記憶的更加準(zhǔn)確。

律師稱楊偉東被警方帶走，并不能以此就認(rèn)定其有罪。但他分析，消息爆出后阿里巴巴很快確認(rèn)，并且應(yīng)對有序，“當(dāng)事人可能都不知道，但該知道的人或許早已知道，阿里內(nèi)部很可能已經(jīng)做了初步調(diào)查并掌握了一定的證據(jù)。而且楊偉東剛好在輪值結(jié)束后出事，要么是阿里真的非常幸運(yùn)，要么是一切都在安排之中?！?/p>

（二）虛擬仿真教學(xué)在測控專業(yè)的應(yīng)用優(yōu)勢

專業(yè)授課教師、專業(yè)學(xué)生均可以在自己的計(jì)算機(jī)上使用本文的虛擬仿真教學(xué)平臺，具有不受時(shí)間、空間限制的特點(diǎn)，能很好的適應(yīng)疫情防控形式下的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)。該平臺具有在靈活性、實(shí)踐性、可操作性等方面具有顯著的優(yōu)勢。

（1）靈活性。平臺的使用者可以靈活更改各模塊單元中的參數(shù)，動態(tài)了解各參數(shù)對結(jié)果數(shù)據(jù)、分析結(jié)論的影響，同時(shí)也可以通過圖形或列表形式的數(shù)據(jù)分析、仿真結(jié)果，來掌握各調(diào)整參數(shù)對結(jié)果影響的差異[5]。通過靈活的參數(shù)調(diào)整、動態(tài)圖形、動態(tài)列表展示，使學(xué)生更能深入掌握專業(yè)理論知識，理解抽象難懂的一些概念、定理或公式。

（2）實(shí)踐性。測控專業(yè)屬于多學(xué)科交叉的專業(yè)，對學(xué)生實(shí)踐動手能力、工程問題分析和解決能力的培養(yǎng)要求高。通過平臺引入專業(yè)知識實(shí)例、工程應(yīng)用實(shí)例，使學(xué)生在課堂內(nèi)、外均可進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、實(shí)踐動手操作，將學(xué)生自己日常生活中的聲音、圖像等實(shí)際數(shù)據(jù)加載到該仿真平臺，經(jīng)平臺算法的輔助、自己獨(dú)立思考、老師專業(yè)輔導(dǎo)，學(xué)生自己可總結(jié)分析出自己的結(jié)論，可增強(qiáng)學(xué)生分析、解決實(shí)際工程問題的能力。

（3）擴(kuò)展性。平臺采用計(jì)算機(jī)編程語言來實(shí)現(xiàn)，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，學(xué)生或教師在教學(xué)過程中可將自己感興趣的一些知識點(diǎn)、工程實(shí)例加入到該系統(tǒng)平臺，并可將原來不足的地方進(jìn)行逐漸改進(jìn)，隨著該平臺的使用人數(shù)、使用頻次的增多，該平臺在專業(yè)知識擴(kuò)充、工程實(shí)例儲備等方面會不斷得到完善、升級。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)的目標(biāo)和思路

（一）平臺的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)

基于現(xiàn)代教育的課程教育改革理念，依據(jù)測控技術(shù)與儀器專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和課程教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，并通過對測控技術(shù)與儀器專業(yè)的任課教師、本科生、畢業(yè)生的深入調(diào)研，確定該虛擬仿真教學(xué)平臺的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)為：對測控專業(yè)的基礎(chǔ)知識、專業(yè)知識進(jìn)行提煉、系統(tǒng)融合，并在教學(xué)平臺中形象、友好的展示，對與測控相關(guān)的專業(yè)實(shí)例、工程實(shí)例進(jìn)行甄選、融入到虛擬仿真教學(xué)平臺，增強(qiáng)學(xué)生在測量、控制等方面的實(shí)踐動手、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)等能力，為測控專業(yè)建設(shè)添磚加瓦。

（二）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺架構(gòu)

經(jīng)項(xiàng)目成員的反復(fù)探討分析、與相關(guān)技術(shù)專家的交流，確定出所設(shè)計(jì)的虛擬仿真教學(xué)平臺主要包括基礎(chǔ)知識模塊、專業(yè)知識模塊、工程實(shí)例模塊等三部分組成，其分別簡稱為基礎(chǔ)模塊、專業(yè)模塊、實(shí)例模塊?；A(chǔ)模塊主要用于匯總、系統(tǒng)融合測控專業(yè)系列核心課程中重點(diǎn)學(xué)科基礎(chǔ)知識，主要涉及各課程共有的、交叉的基礎(chǔ)概念與原理、數(shù)學(xué)變換及其性質(zhì)等內(nèi)容，在平臺中以可動態(tài)參數(shù)調(diào)整、可視化圖形界面展示。專業(yè)模塊進(jìn)行測控專業(yè)知識凝練，突出每門課程在專業(yè)人才培養(yǎng)方面的優(yōu)勢，可通過按鈕操作導(dǎo)入、導(dǎo)出數(shù)據(jù)、圖文分析結(jié)果并靈活設(shè)置各實(shí)驗(yàn)參數(shù)。實(shí)例模塊主要引入測控專業(yè)相關(guān)的、學(xué)生比較感興趣的一些工程實(shí)例，增強(qiáng)學(xué)生對未知探索的渴求，為課程實(shí)踐、工程實(shí)踐提供一些解決問題的方法和思路。

三、平臺的建設(shè)內(nèi)容

使用者進(jìn)入虛擬仿真教學(xué)平臺后首先進(jìn)行賬號登錄，登錄成功后進(jìn)入三個(gè)學(xué)習(xí)模塊，具體模塊建設(shè)內(nèi)容如下所述。

（一）基礎(chǔ)模塊

測控專業(yè)學(xué)生必須掌握的最基礎(chǔ)知識點(diǎn)是信號采樣與合成，以往學(xué)生經(jīng)常采用死記硬背形式來記憶該知識點(diǎn)，沒有深入理解其定理內(nèi)涵。在該平臺模塊中采樣定理知識點(diǎn)，通過輸入原始信號的幅值、頻率、相位等信息，生成原始信號并展示信號波形，再輸入采樣頻率，并展示采樣之后的波形，通過調(diào)整采樣頻率大小，可以直觀展示采樣之后原始信號的恢復(fù)情況，若不滿足采樣定理，信號將發(fā)生失真并失去了獲取真實(shí)、有用信號的信號采集目的。信號合成結(jié)果主要受待合成信號的樣式、頻率影響比較大，通過平臺改變待合成信號的樣式、頻率等參數(shù)，點(diǎn)擊“信號合成”按鈕之后，就可以直觀展現(xiàn)合成之后的信號，通過該實(shí)驗(yàn)仿真，可總結(jié)出各個(gè)待識別信號樣式、幅值、頻率等參數(shù)之間的關(guān)系對合成信號的影響。

（二）專業(yè)模塊

專業(yè)模塊是針對測控專業(yè)核心課程進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，主要由《數(shù)字圖像處理》《信號與系統(tǒng)》《數(shù)字信號處理》《傳感器原理及應(yīng)用》《誤差理論與數(shù)據(jù)處理》《測控電路》《控制系統(tǒng)與仿真》等課程單元組成，依據(jù)課程大綱、不同課程的知識內(nèi)容特點(diǎn)，對每個(gè)課程的模塊知識結(jié)構(gòu)體系、知識點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這里以其中的幾個(gè)課程單位為例進(jìn)行闡述。

《傳感器原理及應(yīng)用》《誤差理論與數(shù)據(jù)處理》課程中對傳感器、檢測裝置、檢測儀器等測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理是測控專業(yè)學(xué)生的基本技能，以往學(xué)生的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，主要是通過簡單數(shù)據(jù)用手算、復(fù)雜數(shù)據(jù)用計(jì)算工具的形式，耗費(fèi)時(shí)間長，為達(dá)到準(zhǔn)確需反復(fù)計(jì)算、修正，通過本文的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，點(diǎn)擊“導(dǎo)入數(shù)據(jù)”按鈕可將數(shù)據(jù)進(jìn)行批量導(dǎo)入并在數(shù)據(jù)列表中進(jìn)行呈現(xiàn)；點(diǎn)擊對應(yīng)的參數(shù)按鈕，就可快速、準(zhǔn)備的計(jì)算出傳感器的靈敏度、線性度、遲滯等靜態(tài)特性參數(shù)；對測量數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、不確定度等參數(shù)進(jìn)行快速計(jì)算、高效處理，并能進(jìn)行回歸分析、最小二乘擬合、殘余誤差分布等運(yùn)算，以波形、參數(shù)列表等形式進(jìn)行形象展現(xiàn)，操作簡單、快捷。

《數(shù)字圖像處理》課程單元包括圖像灰度化、二值化、基于各種算子的邊緣檢測、圖像增強(qiáng)、圖像濾波、形態(tài)學(xué)計(jì)算、AI識別算法等單元組成；《數(shù)字信號處理》課程模塊包括典型信號展現(xiàn)、典型信號分析、傅里葉變換及性質(zhì)、Z變換及性質(zhì)、數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)、小波分析等內(nèi)容。

通過專業(yè)模塊在課程教學(xué)中的應(yīng)用，可使學(xué)生掌握專業(yè)課程中一些抽象概念、原理、公式，加深專業(yè)知識的記憶，同時(shí)也會提高任課教師的講課效率、教學(xué)質(zhì)量，為后續(xù)課程設(shè)計(jì)、專業(yè)綜合設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐課程打下堅(jiān)實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)。

（三）實(shí)例模塊

實(shí)例模塊有助于學(xué)生深入了解專業(yè)知識的應(yīng)用，培養(yǎng)理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力，提高專業(yè)素養(yǎng)，并能擴(kuò)展學(xué)生的科技視野，提升學(xué)生的科研探索精神，培養(yǎng)其創(chuàng)新、研發(fā)意識。實(shí)例模塊是對案例式教學(xué)方法的一種案例展示模式，通過本專業(yè)相關(guān)的實(shí)際工程案例呈現(xiàn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深理論知識的理解，促進(jìn)學(xué)生由被動接受知識向主動接受并積極去探索方向轉(zhuǎn)變，啟迪學(xué)生思維，使學(xué)生積極思考，努力探索工程實(shí)例的原理、實(shí)現(xiàn)過程，甚至提出更先進(jìn)、完善的改進(jìn)方案。此外該模塊可減少專業(yè)任課教師的案例搜集、整理的時(shí)間，減少其備課工作量，提高教學(xué)效率。

該實(shí)例模塊結(jié)合本校測控專業(yè)教師前期的公開研究成果、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)研究成果、專業(yè)相關(guān)的典型工程應(yīng)用等內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要包括工程信號處理、自動控制仿真、語音識別、車牌識別、車標(biāo)識別、人臉識別、人體姿勢識別、智能交通燈等實(shí)例。例如，工程信號處理實(shí)例中包括聲發(fā)射檢測斷鉛過程信號、電機(jī)振動信號分析實(shí)例，點(diǎn)擊“導(dǎo)入數(shù)據(jù)”按鈕，將信號進(jìn)行導(dǎo)入，可進(jìn)行時(shí)域波形展示、時(shí)域特征參數(shù)計(jì)算、濾波分析、小波分析、頻域分析等操作。

四、結(jié)束語

通過提煉測控專業(yè)系列核心課程內(nèi)容并構(gòu)建虛擬仿真教學(xué)平臺，將學(xué)生難以理解的原理和抽象概念、繁瑣數(shù)據(jù)處理、難度較高的系統(tǒng)分析、工程應(yīng)用實(shí)例等內(nèi)容，利用平臺進(jìn)行準(zhǔn)確、形象、直觀地圖形化展示，實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真與傳統(tǒng)教學(xué)方式相結(jié)合的混合教學(xué)模式。

利用虛擬仿真教學(xué)平臺將本專業(yè)一些知識形象、生動地展示，既提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣又節(jié)約了在黑板手繪示意圖以及公式推導(dǎo)的時(shí)間，促使學(xué)生在較短時(shí)間內(nèi)掌握一些復(fù)雜的專業(yè)知識；將課程理論知識與虛擬仿真相結(jié)合，有利于增加學(xué)生自主學(xué)習(xí)的參與度，提高學(xué)習(xí)效率，增強(qiáng)學(xué)生編程能力、邏輯思維能力，培養(yǎng)其創(chuàng)新意識、科研精神，同時(shí)也可輔助專業(yè)教師進(jìn)行高效教學(xué)，改善教學(xué)效果；有力推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，做好課堂學(xué)習(xí)到實(shí)踐學(xué)習(xí)的銜接。

該虛擬仿真教學(xué)平臺經(jīng)專業(yè)教師試用、學(xué)生體驗(yàn)后得到了普遍認(rèn)可和很好的評價(jià)，后續(xù)會繼續(xù)深入、完善該平臺，以便該平臺為測控儀器專業(yè)人才綜合素質(zhì)的培養(yǎng)發(fā)揮更大的作用。