虛實結(jié)合的實驗教學(xué)平臺助力創(chuàng)新人才培養(yǎng)

夏定元， 張家亮， 王永圣， 羅 強(qiáng)， 石道生

（武漢理工大學(xué)a.信息工程學(xué)院；b.電工電子實驗中心；c.自動化學(xué)院，武漢 430070）

0 引 言

2013年以來，教育部發(fā)布了關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的系列通知，作為指導(dǎo)性文件，為全國高校持續(xù)提高實驗教學(xué)信息化水平，推動實驗教學(xué)與現(xiàn)代信息技術(shù)深度融合指明了方向。同時，通過明確虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)“虛實結(jié)合，相互補(bǔ)充，能實不虛”的原則，促進(jìn)實驗教學(xué)資源開放共享，虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)與實驗教學(xué)示范中心發(fā)展相得益彰［1］。國內(nèi)外高校的理論研究和實踐探索也表明，建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)中心，推動實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新，確有其必要性、可行性和有效性［2-3］。

特別在新冠肺炎疫情特殊時期，傳統(tǒng)的教學(xué)秩序受到?jīng)_擊，現(xiàn)場教學(xué)（面授）被迫取消，網(wǎng)上教學(xué)（網(wǎng)課）浪潮興起［4-6］。實驗教學(xué)也不例外。然而，由于實驗教學(xué)相較于理論教學(xué)的差異性，線上實驗教學(xué)及虛擬仿真實驗教學(xué)項目成功案例不多［7］。在后疫情時代，實驗教學(xué)示范中心如何在充分發(fā)揮虛擬仿真實驗教學(xué)項目功能的同時，回歸實驗教學(xué)的本質(zhì)，線上虛擬仿真與線下實操并重，虛實結(jié)合，助力學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力提升，值得探討。

1 實驗教學(xué)平臺建設(shè)與發(fā)展

1.1 實驗教學(xué)示范中心建設(shè)

2006年，我校整合資源，將自動化學(xué)院的電工技術(shù)實驗中心、信息工程學(xué)院的電子與信息技術(shù)實驗中心合并，優(yōu)化建成集公共基礎(chǔ)實驗教學(xué)與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育于一體的實驗教學(xué)單位——電工電子實驗中心，學(xué)校直屬單位，掛靠教務(wù)處。中心先后被授予湖北省高等學(xué)校實驗教學(xué)示范中心（2007年）、湖北省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新活動基地（2010年）、湖北省大學(xué)生創(chuàng)業(yè)示范基地（2012年）、學(xué)校首批開放實驗室（2016年）和首批創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)夢工場（2018年）。

中心由2個實驗教學(xué)平臺組成：①電工電子公共基礎(chǔ)實驗教學(xué)平臺。著重于大學(xué)生基本技能培養(yǎng)，服務(wù)于全校理工科電類、非電類60余個專業(yè)7 500余名學(xué)生，開展教學(xué)計劃內(nèi)電工電子公共基礎(chǔ)實驗、實習(xí)、實訓(xùn)，每年完成教學(xué)工作量約40余萬人時，量大面廣，為廣大理工科學(xué)生電工電子基本技能培養(yǎng)打下堅實基礎(chǔ)，有利于今后從事有關(guān)專業(yè)技術(shù)工作得心應(yīng)手，適應(yīng)社會發(fā)展需要；②電子信息類專業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育平臺。著重于大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)，每年定期在全校范圍內(nèi)選拔招收200余名具有創(chuàng)新潛能的學(xué)生進(jìn)入電工電子夢工場，培訓(xùn)1～2年，以大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目和學(xué)科競賽為依托，項目牽引與專題訓(xùn)練相結(jié)合，將科學(xué)研究的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)方法引入教學(xué)，推行基于問題（案例）研究的教學(xué)方式，全開放實驗室，開展大學(xué)生課外科技創(chuàng)新活動、學(xué)科競賽和創(chuàng)業(yè)實踐，發(fā)掘?qū)W生創(chuàng)新意識和創(chuàng)業(yè)思維的潛力，強(qiáng)化團(tuán)隊協(xié)作能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐能力，激勵學(xué)生在科技創(chuàng)新競賽中獲獎，指導(dǎo)學(xué)生自主創(chuàng)業(yè)并成功注冊公司。

1.2 虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)

在總結(jié)湖北省電工電子實驗教學(xué)示范中心建設(shè)成果基礎(chǔ)上［8-10］，根據(jù)新時代教育教學(xué)改革和人才培養(yǎng)需要，對照國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心遴選要求，理順虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)與實驗教學(xué)示范中心發(fā)展兩者關(guān)系，借鑒全國兄弟高校做法［11-12］，拓展實驗教學(xué)示范中心功能，改革實驗教學(xué)模式與方法，加強(qiáng)實踐教學(xué)團(tuán)隊建設(shè)，完善實驗教學(xué)體系，優(yōu)化虛擬仿真實驗教學(xué)項目，推動實驗教學(xué)與現(xiàn)代信息技術(shù)融合，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源開放共享，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力，促進(jìn)實驗教學(xué)示范中心內(nèi)涵發(fā)展，促進(jìn)拔尖創(chuàng)新人才脫穎而出，獨具特色。

2 改革思路與實踐成效

2.1 創(chuàng)新實驗教學(xué)模式與方法

（1）現(xiàn)實困境與破解方案。在現(xiàn)有電工電子實驗教學(xué)示范中心，包含實驗、實習(xí)、實訓(xùn)3類實踐性極強(qiáng)的課程，推動教學(xué)模式與方法改革的難度極大，全面實施虛擬仿真實驗教學(xué)也不切合實際，有必要采用循序漸進(jìn)的方式，逐步完成虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)任務(wù)，實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能，為解決傳統(tǒng)實驗過程中涉及的高?；驑O端的環(huán)境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情況，提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實驗項目［13］。因此，中心嘗試先從部分虛擬仿真實驗教學(xué)項目做起，將現(xiàn)代信息技術(shù)、人工智能技術(shù)與實驗教學(xué)項目融合，建設(shè)和利用信息化實驗教學(xué)共享資源，構(gòu)建配套的虛擬仿真實驗教學(xué)體系，培育必備的實踐教學(xué)團(tuán)隊與精品課程，并積累一定的實驗教學(xué)與管理經(jīng)驗后，搭建統(tǒng)一的虛擬仿真實驗與管理平臺。

（2）重點解決的關(guān)鍵問題。①虛擬與現(xiàn)實結(jié)合，解決資源共享問題。在現(xiàn)有實驗教學(xué)平臺基礎(chǔ)上，開發(fā)信息化實驗教學(xué)資源，立項建設(shè)一批校級虛擬仿真實驗教學(xué)項目，并圍繞虛擬仿真實驗項目整合資源，完善實驗、實習(xí)、實訓(xùn)教學(xué)體系，促進(jìn)公共基礎(chǔ)實驗教學(xué)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育統(tǒng)籌協(xié)調(diào)發(fā)展。②質(zhì)量與效益統(tǒng)一，解決辦學(xué)成本問題。推行線上線下混合式實驗教學(xué)，將非必要實際操作的實驗內(nèi)容，如認(rèn)知、驗證、安全等原理性實驗，通過虛擬仿真實驗來實現(xiàn)，解決實驗儀器設(shè)備貴且實驗耗材成本高、實驗場地固定且實驗時間難以協(xié)調(diào)、傳統(tǒng)的實驗評估系統(tǒng)智能化程度低等難題，實驗效果更理想。③基礎(chǔ)與提升兼顧，解決功能拓展問題。利用虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，在公共基礎(chǔ)實驗教學(xué)功能基礎(chǔ)上，拓展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育功能，創(chuàng)建創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)夢工場，全開放實驗室，促進(jìn)學(xué)生成才途徑多元化。一方面指導(dǎo)學(xué)生在各類科技創(chuàng)新競賽中獲獎，另一方面培育學(xué)生創(chuàng)業(yè)項目和創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊，孵化出若干個學(xué)生企業(yè)，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)和社會效益。④學(xué)校與企業(yè)合作，解決協(xié)同育人問題。探索產(chǎn)教融合機(jī)制，通過校企合作建立聯(lián)合實驗室、實施產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目、合作研發(fā)虛擬仿真實驗項目等方式，為學(xué)生發(fā)掘?qū)I(yè)認(rèn)知渠道，拓展專業(yè)視野和專業(yè)素養(yǎng)。

2.2 優(yōu)化虛擬仿真實驗教學(xué)項目

（1）明確虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)任務(wù)。自2017年起，教育部開展了國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作［14-15］。2019年，教育部將國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目納入國家級一流本科課程的建設(shè)規(guī)劃［16］。從本質(zhì)上看，虛擬仿真實驗教學(xué)項目（或虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程）的建設(shè)任務(wù)與虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)任務(wù)相統(tǒng)一，旨在堅持問題導(dǎo)向，實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能。然而，由于理解的局限性，不少課程教學(xué)團(tuán)隊在申報和建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程時，通常更多地著眼于課程自身的發(fā)展需求，不免會割裂實驗項目、實驗課程、實驗室之間的內(nèi)在關(guān)系，導(dǎo)致虛擬仿真實驗教學(xué)項目與虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)任務(wù)脫節(jié)，從而削弱了虛擬仿真實驗教學(xué)項目的整體應(yīng)用效果。虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)成為近期熱門課題，引起廣泛探討。

（2）基于問題導(dǎo)向，精選虛擬仿真實驗教學(xué)項目。我校立足于虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)任務(wù)，基于問題導(dǎo)向，針對真實實驗項目條件不具備或?qū)嶋H運行困難的實驗教學(xué)內(nèi)容，精心選擇，立項建設(shè)一批虛擬仿真實驗教學(xué)項目。頂層設(shè)計，局部協(xié)調(diào)，整體優(yōu)化，促使建設(shè)項目綜合應(yīng)用效益最大化。近年來，結(jié)合國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心申報，實驗教學(xué)示范中心先后立項建設(shè)了3個校級虛擬仿真實驗教學(xué)項目——電子技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)項目（2018年）、電工技術(shù)與電工電子實習(xí)虛擬仿真實驗教學(xué)項目（2019年）、智能小車控制系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)項目（2020年）。以上3個虛擬仿真實驗教學(xué)項目的建設(shè)任務(wù)融合于虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)任務(wù)，具有很強(qiáng)的針對性、有效性和實用性，較好地解決了傳統(tǒng)實驗教學(xué)中“做不到”“做不了”“做不上”問題，發(fā)揮了示范作用。其中，電子技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)項目應(yīng)用于模擬與數(shù)字電子技術(shù)實驗中的多路數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程儀器測量；電工技術(shù)與電工電子實習(xí)虛擬仿真教學(xué)實驗項目應(yīng)用于電工技術(shù)實驗中的生產(chǎn)過程控制與電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制及電工電子實習(xí)中的安全用電知識、常用儀器儀表與軟件工具共享使用；智能小車控制系統(tǒng)虛擬仿真實驗教學(xué)項目應(yīng)用于大學(xué)生創(chuàng)新實踐中的智能小車運動控制與碰撞控制。

特別在2020年新冠肺炎疫情期間，一部分虛擬仿真實驗教學(xué)項目投入線上實驗教學(xué)，解決了“停課不停教”“停課不停學(xué)”的現(xiàn)實問題，師生反饋效果良好。同時，在后疫情時代，一部分虛擬仿真實驗教學(xué)項目應(yīng)用于全國大學(xué)生電子設(shè)計、全國大學(xué)生節(jié)能減排社會實踐與科技、全國大學(xué)生智能汽車等相關(guān)競賽的備戰(zhàn)訓(xùn)練，既降價了成本，又提高了成效。

2.3 培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力

實驗教學(xué)平臺持續(xù)推行虛實結(jié)合舉措，將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育貫穿于人才培養(yǎng)全過程，融入專業(yè)教育全方向，其成效最終反映在人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高。幾年來，通過創(chuàng)新實驗教學(xué)模式與方法，推動實驗教學(xué)與現(xiàn)代信息技術(shù)融合，實現(xiàn)資源開放共享，實施線上線下混合式實驗教學(xué)，變革教師與學(xué)生之間教與學(xué)關(guān)系，以學(xué)生為中心，學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主、教師指導(dǎo)為輔，豐富教師教學(xué)方式和考核途徑，提高學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力，取得一系列標(biāo)志性成果。

（1）2019年，中國高等教育學(xué)會權(quán)威發(fā)布“2018年全國普通高校競賽排行榜（本科）”，我校排名全國第一，在社會上產(chǎn)生了很大影響。尤其在全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽—2018年模擬電子系統(tǒng)設(shè)計邀請賽（TI杯）中，經(jīng)電工電子夢工場培訓(xùn)的學(xué)生獲榮2項全國一等獎，名列全國第一，為2018年我校各類競賽總分排名全國第一做出了應(yīng)有貢獻(xiàn)。

（2）2020年，電工電子夢工場培訓(xùn)的學(xué)生獲第十三屆全國大學(xué)生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽、全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽—2020年TI杯模擬電子系統(tǒng)設(shè)計邀請賽兩項賽事全國一等獎。其中，在2020年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽專題邀請賽中，全國48所高校91支隊伍參賽，僅有5所高校獲得全國一等獎，我校排名并列全國第二。同時，我校被組委會指定現(xiàn)場展示競賽作品，并作為湖北省唯一獲得全國一等獎高校，代表武漢地區(qū)高校發(fā)言，接受媒體指定采訪，匯報如何克服新冠肺炎疫情不利影響，取得如此優(yōu)異成績。在頒獎典禮上，全國競賽組委會領(lǐng)導(dǎo)、專家對我校及參賽學(xué)生給予了高度評價。

（3）近5年，電工電子夢工場培訓(xùn)學(xué)生1 000余人，在全國各類學(xué)科創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽中，獲獎學(xué)生400余人，獲國家級獎30余項，省部級獎100余項。其中，在近4屆的全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽—TI杯模擬電子系統(tǒng)設(shè)計邀請賽中，成績突出，（2014年，2018年）獲全國一等獎排名全國第一，2020年排名并列全國第二。

（4）經(jīng)電工電子實驗教學(xué)平臺培訓(xùn)的學(xué)生，不僅專業(yè)基礎(chǔ)扎實，學(xué)習(xí)成績優(yōu)異，而且創(chuàng)新能力強(qiáng)，綜合素質(zhì)高，品學(xué)兼優(yōu)。幾年來，大批學(xué)生在全國各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽中獲獎，在核心期刊發(fā)表研究論文或獲批國家發(fā)明專利。由于科技創(chuàng)新成績突出，電子信息類專業(yè)每年都有大量學(xué)生獲免試攻讀碩士學(xué)位研究生資格，在全校各類專業(yè)中名列前茅。其中，一些學(xué)生申請到中科院電子所、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等科研院所和高校免試攻讀碩士學(xué)位或碩博連讀；另有一些學(xué)生選擇到華為、中興、烽火等知名IT企業(yè)就業(yè)；還有一些學(xué)生自主創(chuàng)業(yè)，注冊公司，銷售自主開發(fā)的電子產(chǎn)品，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)和社會效益。

3 結(jié) 語

實驗教學(xué)平臺虛實結(jié)合的成效經(jīng)過實踐檢驗，在統(tǒng)籌協(xié)調(diào)虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)與實驗教學(xué)示范中心發(fā)展兩者關(guān)系基礎(chǔ)上，通過加強(qiáng)實驗教學(xué)資源信息化建設(shè)，完善虛擬仿真實驗教學(xué)環(huán)境，優(yōu)化虛擬仿真實驗教學(xué)項目，從時間、空間、網(wǎng)絡(luò)等多個維度，在人員、場地、儀器設(shè)備、軟件與數(shù)據(jù)、課程與項目、技術(shù)與資金等多個方面，推動實驗教學(xué)與現(xiàn)代信息技術(shù)深度融合，拓展實驗教學(xué)示范中心資源，提升資源開放共享水平，促進(jìn)實驗教學(xué)示范中心內(nèi)涵發(fā)展，提高學(xué)生綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力，助力拔尖創(chuàng)新人才脫穎而出。