創新虛擬實驗教學模式 培養自主學習能力

潘雪濤， 鄔華芝， 蔡建文， 張美鳳， 孟 飛

(常州工學院 光電工程學院，江蘇 常州 213002)

0 引 言

測控技術及儀器專業是由原儀器儀表類11個專業歸并而成的一個大專業。通過對省內外高校測控專業建設情況的調研，發現本專業在人才培養模式、教學方法、教學內容等方面發展水平良好，但也存在以下問題[1-14]。

(1) 測控專業以光、機、電、算為學科基礎，專業涉及面廣，多數高校專業課時緊張，對學生知識的掌握和技能的培養影響較大。傳統“粉筆+黑板=教學”的課堂教學方式不能很好適應人才培養的要求。

(2) 專業課程注重對學生進行儀器儀表和測控系統的設計、應用、維護等方面的訓練。“儀器+實驗報告+簡單數據分析=實驗”的實踐教學方式不能滿足人才培養的要求。為使學生得到良好的訓練，需要購置很多昂貴的教學儀器。但有限的教育投入無法滿足實驗設備價格昂貴、更新速度快的要求。

(3) 用人單位注重學生的自主性、探究性學習能力，學生想要更好的發展，這樣的能力也至關重要。對于應用型本科院校，自主性、探究性學習能力到底體現在哪些方面？如何培養？這些問題還沒有形成很好的模式與方法。

針對以上問題，常州工學院測控技術系以培養 “以檢測技術為基礎的測控系統設計與應用、生產過程和產品的質量控制與質量管理的復合應用型本科人才”為目標[15]，以網絡技術、多媒體技術和測控技術發展的最新成果為手段，以課程建設、教材建設、教改項目研究為依托，進行了較為深入的教學研究與實踐，取得了一系列理論與實踐成果。

1 教學研究的實踐過程

1.1 開發了國內先進水平的遠程虛擬測控實驗室

專業系在LabVIEW平臺上開發了“可視化、交互式、可共享”的遠程虛擬測控實驗室，包含信號分析與處理、傳感器與檢測技術等50多個虛擬實驗。

虛擬實驗把測試功能用形象逼真的面板控件形成軟件模塊，像實物儀器一樣完成測試、處理等任務，得到實驗室里相同的實驗過程。虛擬實驗室將實驗教學搬進了課堂，搬上了網絡，實現了理論與實踐的完美融合，減少了設備資金的投入，改善了實驗條件，促進了實驗方法、手段的完善。學生還可以在虛擬實驗平臺基礎上二次開發，設計更多的虛擬測控系統，極大提高了學生積極性和主動性，充分開拓思維，發揮想象力和創造力。

1.2 建成了新穎的測控專業網絡教學平臺

網絡平臺將動畫演示、仿真軟件、虛擬實驗三種現代化教學手段有機結合，提供了豐富的素材內容和類型，針對測控專業課程中的重點難點，開發了100多個計算機仿真軟件和200多個演示動畫，能夠模擬測控系統工程應用環境，與網絡平臺無縫鏈接，可以彌補理論脫離實際的問題，使深奧的理論變得生動易懂，激發了學習興趣、增強了學習的目的性。平臺的教學資源豐富，覆蓋面廣；邏輯結構清晰、使用方便、實用性強；用動畫、計算機仿真、虛擬實驗等教學資源，形式新穎；實現了教學方式的靈活多樣；用了文字、圖片、視頻、動畫、計算機仿真等多種手段，具備了“廣、實、新、活、多” 的特征。網絡平臺及課程導航界面如圖1所示。

圖1 網絡平臺主界面及課程導航界面

1.3 創建了“三三三”理論教學新模式

依托虛擬實驗室和網絡平臺，創建了理論教學新模式，其層次結構如圖2。

(1) “三階段”的完整教學過程。課前利用動畫演示、虛擬實驗等手段激發學生興趣，養成自主學習習慣，培養自主學習能力。課中采用“三步走”互動教學方法，“走進”講授的內容，實現啟發式教學。課后通過網絡平臺自主復習、自主訓練，鞏固提高。

(2) “三步走”的互動教學方法。課堂教學采用重點難點“帶著學”、實際應用“看著學”、拓展內容“自己學”為特點的互動教學方法。重點難點由老師采用“三結合”的教學手段，抓住主線精講細講。講述常用器件、技術在工程中的應用時，教師在課堂上播放圖片資料、動畫、視頻等，增強感性認識。拓展類內容學生利用平臺提供的參考資料自己學。如介紹最新檢測技術時，教師布置題目，學生查找資料撰寫綜述性論文，鍛煉了查閱整理文獻資料的能力。

(3) “三結合”的現代教學手段。教師將平臺中的Flash動畫演示、基于Matlab、Java的仿真軟件、基于LabVIEW的虛擬實驗三種現代化教學手段有機結合，進行漸進式講授和驗證。如講授電容傳感器輸出特性時，先通過動畫定性演示，然后利用仿真實驗得到不同位移對應的輸出電壓，再利用虛擬實驗畫出特性曲線、計算特性參數，最后驗證傳感器特性和在測量中的應用。通過這樣遞進式的學習，學生對知識點的掌握實現了定性理解到定量掌握的升華[16]。

1.4 構造了全方位的實踐教學新體系

本著“因材施教”、“因人而異”的教學理念，構造了“全程化、工程化、多樣化、多元化”實踐教學新體系，如圖3。

“全程化”指實踐能力培養貫穿實驗、課設、實習、畢業設計、技能培訓、創新訓練、參加社團和學科競賽等教學活動的全過程。“工程化”指注重工程應用能力培養，課設、畢業設計選題來自于企業和科研，科研反哺教學，學生受到系統的工程訓練。“多樣化”指實驗形式多樣。第一層次為虛擬、仿真演示型實驗。這些實驗給學生一個較為形象的測試環境，彌補了實驗學時不足的問題。第二層次為基于實驗臺的百余個驗證性和綜合性實驗。第三層次為基于NI ELVIS平臺的創新性實驗。通過實驗培養構思、自主實驗能力。“多元化”指對學生提出不同層次要求，不搞“一刀切”。基礎、能力稍弱學生，要求完成驗證、綜合性實驗，課設完成理論設計、分析計算。對有能力的學生，要求完成設計性實驗，課設、畢業設計必須做出實物。同時引導這些學生參加科研項目和各類學科競賽。

1.5 提煉了培養學生自主性、探究性學習能力新方法

教師引導學生利用網絡平臺和虛擬實驗室的資源自主學習、自主訓練，培養敏銳發現問題的能力和有效解決問題的能力；通過自主應用培養學以致用的能力；針對自己的薄弱環節進行強化，實現自主提高，培養舉一反三的能力。“自主學習、自主訓練、自主應用、自主提高”構成自主性、探究性學習的漸進過程，從初步入門達到靈活自主應用的階段。如圖4所示。自主性、探究性學習能力分解與訓練的具體實現方法如圖5(以 “溫度測量系統設計”為例)。

2 教學改革成果的應用及成效

2.1 學生受益面廣

教改成果2005年起逐步在本校測控專業學生中得到應用，共有25個班約1 000余人受益。自2008年起，在分管校長和教務處的具體指導下，該成果得以在全校相關工科專業全面推廣應用，獲益學生超過8 000余人。2008年起，省內外部分兄弟院校師生相繼利用我校開發的虛擬實驗室和網絡平臺進行輔助教學，效果顯著，獲得一致好評。

2.2 教學成果顯著

(1) “創新虛擬實驗教學模式，培養自主學習能力”項目獲2011年江蘇省高等教育教學成果獎一等獎，“傳感器原理及應用課程網絡教學平臺的研發與應用” 等4項分別獲學校教學成果一等獎。

(2) 主持完成江蘇省新世紀高等教育改革工程課題、江蘇省教育教學改革研究課題、全國高等教育科學“十五”規劃重點課題等教改項目3項，完成“測控專業應用型本科人才專業培養體系及模式改革研究”、“ 基于網絡虛擬實驗室的創新實踐教學模式研究”等學校教改項目20余項。

(3) “測控技術虛擬實驗室”、“傳感器原理及應用網絡教學平臺”等多個課件獲全國多媒體課件大賽二等獎、三等獎、江蘇省高校優秀多媒體課件一等獎、校多媒體課件大賽一等獎等各類獎勵10余項。

(4) “數字邏輯系統與設計”課程獲江蘇省精品課程，“傳感器原理及應用”等6門課程獲學校精品課程，“自動檢測技術”等2門課程獲校一類優秀課程，“計算機控制技術”等6門課程獲學校二類優秀課程。

(5) 出版《傳感器原理與檢測技術》等教材10部，獲學校精品教材2部；教材獲江蘇省哲學社會科學優秀成果三等獎1項、常州市哲學社會科學優秀成果二等獎3項。

(6) 發表相關教學科研論文30余篇。

2.3 教學效果優良

近5年來，本專業學生5人獲國家獎學金，11人獲省政府獎學金，1人獲省優秀學生干部、4人獲省三好學生，945人次獲校各類獎學金，07測控班獲省優秀班集體。由于專業質素的不斷提高，畢業生獲得了用人單位的好評。近4年就業率保持100%，其中一次簽約率分別為92.3%、94.7%、100%、100%、100%。07測控錄取率達到20%，多名學生考取西安交通大學、東南大學、哈爾濱工業大學等985高校研究生。

學生的實踐能力、創新能力不斷提高。近年來獲全國機器人大賽三等獎、“挑戰杯”江蘇賽區二等獎、全國電子設計大賽江蘇區一等獎、江蘇省大學生物理及實驗科技作品創新競賽特等獎、二等獎、江蘇省電子設計大賽二等獎、江蘇省本科優秀畢業設計三等獎等各類省級以上獎勵30余項。獲國家級大學生實踐創新訓練項目4項，江蘇省大學生實踐創新訓練項目20余項，學生發表專業論文8篇。

2.4 有效地減少了實驗設備資金的投入

專業系開發了50多個虛擬實驗、200多個FLASH動畫演示、100多個計算機仿真軟件，可以在一臺計算機上實現諸如數字示波器、數字電壓表、信號發生器、頻譜分析儀等多種功能。由于虛擬儀器具有硬件平臺的通用性、儀器功能的多樣性、儀器性能提升的靈活性和儀器技術更新的短周期性等優勢，避免了重復購置造成的浪費，節約了大量資金，而虛擬儀器基于軟件的體系結構大大節省了開發和維護費用。同時虛擬儀器實驗系統可以通過網絡進行數據傳送，指導老師通過計算機監控實驗過程，能同時管理幾十個甚至上百個學生做實驗。在不增加過多經費投入的基礎上，改善了實驗條件，促進了實驗教學方法和實驗手段的完善，達到了學生實踐能力培養的目的。

3 結 語

(1) 教學成果獲得了省內外高校十幾位知名專家的好評。他們認為成果跟蹤國際實驗教學的發展，創建了一套完整的虛擬實驗教學模式，具有原創性。在教學方法、手段和實踐上有突破，達到國內先進水平。多年的教學應用證明，成果的實用性和可操作性強、教學方法新穎、教學效果明顯，可在國內同類院校很好的推廣和應用。

(2) 課件參加全國多媒體課件大賽現場決賽，在國內高校產生了良好的影響。課件通過江蘇省高校多媒體資源網(http://cc.njnu.edu.cn/)和中國教育資源網(http://www.uken.cn/)面向全國開放共享。

(3) 成果部分內容編入專業相關教材。出版社每年都大規模的組織推廣活動，因此成果在出版社的協助下在全國高校進一步推廣應用。

[1] 周小勇. 測控技術與儀器專業應用型人才培養體系的構建與實施[J]. 高教論壇, 2008(5):52-53.

ZHOU Xiao-yong. Construction and Practice of Application-oriented Talents Cultivation of Measure & Control Technology and Instrument Specialty[J]. Higher Education Forum, 2008(5):52-53.

[2] 郭天太,李東升,謝代梁,等. 國家特色專業建設點—測控技術與儀器專業的特色建設及凝練[J]. 化工高等教育, 2008(6): 7-10.

GUO Tiantai, LI Dongsheng, XIE Dailiang,etal. Extraction and Construction of a State-level Feature Specialty-Measurement & Control Technology and Instrumentation[J]. Higher Education in Chemical Engineering, 2008(6): 7-10.

[3] 宋愛國, 崔建偉, 吳 涓. 提高測控技術與儀器專業學生創新能力的探索[J]. 電子電氣教學學報, 2008(5):1-4.

SONG Ai-guo, CUI Jian-wei, WU Juan. Improving Creativity of Undergraduate Students of Measurement Control and Instrument Specialty[J]. Journal of EEE, 2008(5):1-4.

[4] 唐鴻儒, 鄭 潔, 黃亞忠. 測控技術與儀器專業教學研究與實踐[J]. 高教論壇, 2009(5): 71-74.

TANG Hong-ru, ZHENG Jie, HUANG Ya-zhon. Study and Practice of Teaching in Control & Instrument Specialty[J]. Higher Education Forum, 2009(5): 71-74.

[5] 劉寅生, 耿 欣. 關于獨立學院測控技術與儀器專業培養方案的研究[J]. 中國教育技術裝備, 2009(21): 24-25.

LIU Yin-sheng, GENG Xin. Research on Cultivation Scheme of Measuring&Control Specialty[J]. China Educational Technology & Equipment, 2009(21): 24-25.

[6] 王 偉, 林順英, 代峰燕,等. 測控技術與儀器專業人才培養模式的研究與實踐[J]. 安徽師范大學學報(自然科學版), 2009, 32(2):136-137.

WANG Wei, LIN Shun-ying, DAI Feng-yan,etal. Research and Practice of Measurement-Control Technology and Instrument Professional Training Mode. [J]. Journal of Anhui Nomal University(Natural Science), 2009, 32(2):136-137.

[7] 楊 俊, 王光明, 葉湘濱. 測控技術與儀器專業創新人才培養探索與實踐[J]. 高等教育研究學報, 2011, 33(6):14-16.

YANG Jun, WANG Guang-ming, YE Xiang-bin. Exploration and Practice of Training Innovative Talents of Measurement and Control Technology and Instrumentation Specialty[J]. Journal of Higher Education Research, 2011, 33(6):14-16.

[8] 謝 啟, 戴 梅, 李 鑫, 等. 測控技術與儀器專業人才培養模式探索[J]. 電子電氣教學學報, 2013,35(2): 8-9.

XIE Qi, DAI Mei, LI Xin,etal. Exploration of Talents Trailling of Measurement and Control Technology and Instrumentation Specialty[J]. Journal of EEE, 2013,35(2): 8-9.

[9] 張文娜, 熊飛麗, 葉湘濱, 等. 測控技術與儀器專業課程體系整體優化研究[J]. 高等教育研究學報, 2008, 31(2): 33-35.

ZHANG Wen-na, XIONG Fei-li, YE Xiang-bin. Research on Integrated Optimization of The Specialized Curriculum System of Measurement and Control Technology and Instrumentation Specialty[J]. Journal of Higher Education Research, 2008, 31(2): 33-35.

[10] 顧亞雄, 張 禾, 賴 欣. 測控技術與儀器專業課程體系改革探索[J]. 實驗技術與管理, 2008,25(6):142-145.

GU Ya-xiong, ZHANG He, LAI Xin. Discussion on the Refom of Major Course System for Measuring and Controlling Technology and Instruments Specialty[J]. Experimental Technology and Management, 2008,25(6):142-145.

[11] 郭天太, 謝代梁, 李東升, 等. 建設國家級測控技術與儀器專業的實踐教學體系[J]. 實驗室研究與探索[J]. 2009, 28,(5): 97-103.

GUO Tian-tai, XIE Dai-liang, LI Dong-sheng, etc. Constructing the Practice Teaching Architecture for State-Level Feature Specialty of“Measurement，Control Technology and Instrumentation”[J]. Research and Exploration in Laboratory. 2009, 28,(5): 97-103.

[12] 凌振寶, 程德福, 林 君. 測控技術與儀器專業實踐教學體系建設[J]. 實驗室研究與探索, 2012,31(5):119-121.

LING Zhen-bao, CHENG De-fu, LIN Jun. Construction of a Practice Teaching System for Measurement&Control Technology and Instrumentation Majors[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2012,31(5):119-121.

[13] 蔣 彥, 趙立宏, 袁鋒偉, 等. 基于系統工程教育方法論的測控專業實驗體系建設[J]. 中國教育技術裝備, 2012(9)：105-109.

JIANG Yan, ZHAO Li-hong, Yuan Feng-wei,etal. Experimental System Construction for Measuring and Contro Technology and Instrumentation based on Methodology of Sysme Engineering[J]. China Educational Technology & Equipment, 2012(9):105-109.

[14] 馮旭哲, 陳建云, 明德祥. 測控技術與儀器專業本科畢業設計研究與實踐[J]. 高等教育研究學報2011, 34(1):86-88.

FENG Xu-zhe, CHEN Jian-yun, MING De-xiang. The Research and Practice of the Graduation Design of Measuring&Control Technology and Instrumentations [J]. Journal of Higher Education Research, 2011, 34(1):86-88.

[15] 代峰燕, 曹建樹, 王 偉, 等. 基于CDIO理念的測控專業綜合訓練改革探索[J]. 實驗室研究與探索,2011, 30(5): 87-90.

DAI Feng-yan, CAO Jian-shu, WANG Wei,etal. Exploration on Combined Training Reform about Measurement and Control Technology and Instrumentation Based on CDIO Theory [J]. Research and Exploration in Laboratory, 2011, 30(5): 87-90.

[16] 鄔華芝, 周祥才. 測控技術與儀器專業應用型人才培養研究與實踐 [J]. 常州工學院學報, 2004(4):74-77.

WU Hua-zhi, ZHOU Xiang-cai, Research and Practice of Application-oriented Talents Cultivation on Measure and Control Technology and Instrument Specialty[J]. Journal of Changzhou Institute of Technology, 2004(4):74-77.

[17] 潘雪濤, 張美鳳, 張亞鋒,等. “傳感器原理及應用”網絡平臺的研發與應用[J]. 常州工學院學報, 2011(1): 72-77.

PAN Xue-tao, ZHANG Mei-feng, ZHANG Ya-feng,etal. Development and Application of the Network Platform of Sensors Principles and Applications[J]. Journal of Changzhou Institute of Technology, 2011(1):72-77.