信息類課程中的虛擬實驗項目設計與應用

李薇，楊慶華，沈雪珍

（1.西華師范大學計算機學院，南充 637000；2.川北醫學院醫學影像學院，南充 637000）

信息類課程中的虛擬實驗項目設計與應用

李薇1，楊慶華2，沈雪珍1

（1.西華師范大學計算機學院，南充 637000；2.川北醫學院醫學影像學院，南充 637000）

信息類課程使用虛擬實驗具有方便性、低成本、開放性、深入性等優點，但因為其受眾具有較好軟件和數學基礎的特點，使得實驗設計具有很大特異性和難度。從項目選擇、描述層次、結構形式、重點問題、開放性和綜合性等多角度，探討此類虛擬實驗設計中可能面對的問題，從方法學角度也給出建議和基本設計思路，并從應用效果及學生素質培養角度上，探討實驗設計的具體方法。

虛擬實驗；實驗教學；信息類課程；教學設計

0 引言

對理工類學生而言，作為教學的重要環節，實驗教學相對理論教學更加直觀方便，且具有趣味性和教學效果好的特點。傳統意義上的實驗教學中，實驗項目種類、效果均有一定局限，其開展實施需要一定場地、人力和成本等條件，且通常僅以驗證性，單一性實物實驗為主，在很多課程教學中也很難做到較高綜合性和靈活性。近年來，虛擬實驗開始在諸多專業和學科教學中采用，以彌補上述傳統實物實驗的不足以及進一步改善傳統實驗效果。虛擬仿真實驗本身也包括實物仿真和軟件仿真方法，其中尤以軟件仿真特色明顯，成為主流。其主要設計開發思路是：利用計算機易于圖形化的特點，按照外形相似、原理相似、實現方法和過程相似等原理，在計算機上營造一個模擬的可替代傳統實驗各操作環節的軟硬件操作環境[1]。

信號類課程，如《信號系統》、《數字信號處理》、《圖像處理》等課程，其教學對象主要面向是計算機、通信、自動化、生物醫學工程等專業。這些課程要求數學基礎較高，難度較大，在電氣信息類專業中有重要的地位。其虛擬實驗的開設與其他學科相比具有很大差異：不同于計算機軟件課程，可在程序環境中以純粹模擬方式進行實驗教學；也不似純電子硬件學科，可完全實物操作，或具有通行的硬件模擬專門軟件[2]。

該類學科學生本身也常具有較強的數理工程背景，需深入學習內容，而不滿足于基本原理的直觀展示或演示；另外，作為專業基礎課程，信號類課程往往涉及硬件、軟件、數學、控制理論等既廣泛又深入的內容。上述原因使得信號類課程虛擬實驗的開展具有很大特殊性。就目前實際而言，信號類課程的虛擬實驗還處于發展階段，遠沒有成熟產品可供選擇；各校，各門學科，不同學生知識及學習能力、要求等都有巨大差異，這些決定了此類虛擬實驗在近年內仍將以教學人員自己設計為主[3-4]。筆者嘗試從方法學上對信號類虛擬實驗的設計做出探討。

1 虛擬實驗項目的設計

1.1 虛擬實驗開設項目

虛擬實驗是仿真實驗，在某種程度上可減少實驗成本，提高實驗效果的要求。教學過程中應遵循規則：①盡量以與實際應用類似為優先，其次為教學實驗，最后才是虛擬實現；②虛擬實驗可以是原理類似，結構類似，方法類似，但不能取代實物實驗；③盡量將虛擬實驗上學習的知識遷移到實物和實際應用中。可以虛實結合，在條件具備時，逐步增加實物實驗內容[5]。

虛擬實驗開設項目設計時，按照教學內容進行針對性設計，諸如參數調節，測試點設計，結果顯示等若考慮得當，有時也可達到超越實物實驗的效果。

1.2 實驗的形式，結構考慮

由于信息類學生本身屬于虛擬實驗的“專業用戶”，可以在虛擬實驗的形象直觀性等方面降低。因此實驗不需采用大量圖畫，背景去標定實物，也不需過多考慮有趣性。該做法的優點是可鍛煉學生的數理建模思維，并可培養學生編程分析能力。因此，實驗主要工具可采用MATLAB、LabVIEW等環境。在條件允許時，還可由虛到實，逐步向工業領域的方法靠攏[6]。

學生從知道原理，到知道實現方案，逐步過渡到怎么樣工業化實現，怎么樣處理故障，考慮容錯問題等。在教學安排上可設計一個典型事例，由理論教學（基本概念）到虛擬實驗，再放回理論（復雜部分），最后完善虛擬實驗內容這樣一個反饋回路，使得學生更加認識深入。

1.3 平衡問題表述

信息理論課程的教育，應使得學生了解信號采集處理的一般方法和經典方法。學生應對本學科領域里的基本技術路線熟悉，了解應用背景，知曉處理方法。對重要的方法應給予重視，亦即應對實驗項目進行細化。在此基礎上可讓學生了解各個章節內容。

例如信號系統，本身不僅僅是電子線路中信號的基本處理方法，其也是機械、生物、圖像等諸多領域中通用的處理方法；在傳統驗證性實驗基礎上，可大量的補充，并考慮如何應用相似的方法，進行各類物理系統建模，抽象出大家所熟悉的信號與系統，并在課程中找到可用的方法?！案哂^點”的表達，適合水平較高、教師專業背景來源廣泛的院校，設計實驗也可以豐富多樣化。

又如圖像處理，信號處理等課程，或統計處理，微分方程，積分變換等課程，數學知識是整門課程的難點和核心。如果不予以適當的“低觀點”化，整個課程教學可能會完全變成數學教學。對大多數本科生而言，沒有能力也沒有必要對這些內容完全深入。正如一本模式識別的教材中提到：“掌握課程的先導課程是代數學、矩陣論、函數論、概率論與數理統計、最優化理論與方法、模糊數學、信號處理、人工智能原理、計算機軟件與設計。對于多數讀者，不可能也不必要花費大量精力和時間去學完上述全部課程”[7]。

1.4 處理教學重點問題

虛擬實驗的一個較大優勢是避免了較大的實驗設備投入。由于實驗方法通常在計算機上完成，其效果必然沒有實體實驗那么直觀和有針對性。在實驗設計中，尤其應注意突出教學重點，及發揮其本身的優勢。

例如圖像處理課程的教學，使用較實際的編程語言C++等，學生和教師會將大量的時間用于語言程序的學習，編寫和調試，這樣課程似乎變成了程序設計課，反而忽視了圖像處理本身的內涵。采用虛擬實驗，則可以根據學生學習進度適時調整學習的重點。圖像處理的第一層次是像素處理，基于灰度的操作。第二層次是考慮尺度、時頻處理、包括小波、分形、編碼、形態學、表示與描述等等，第三層次是模式識別，圖像分析，計算機視覺等，教師可以根據學生學習進度和情況，在不同教學階段設計出突出該階段特色的處理方法。這樣，學生可由淺入深逐漸領會課程的完整性[8]。

1.5 操作性，直觀性的考慮

增加實驗的操作性和直觀性，學生可較易利用多參數及動態的角度得到實驗結果。相比于學生自己編程，或進行程序調試，虛擬實驗的趣味性、易用性更好。

編程、調試和分析，在時間允許時，可以鼓勵學生進行。但是在日常教學時，可能出現的問題是分散學生的精力，如前文所述。此外難度也會增大。所以，較為實用的方法是，將虛擬實驗封裝好，或設計一個易于執行和選擇的界面。為學有余力學生還可以開放編程接口，調試窗口。

操作性良好的界面，具有以下優點：①和實際應用相似，和編程中參數調試內容相似；②最好是所見即所得，可以有多角度的顯示方法；③考慮人機工程學的因素，符合學生學習的心理及認知過程。

總體而言，虛擬實驗的界面是簡單，向真實靠攏，滿足實際需要即可。

1.6 實驗開放性，探索性的設計

實驗的開放性主要包含兩方面含義，一是實驗對象應用的方便性，如網絡訪問、交互實驗等等，由于涉及大量網絡設計的工作，此類問題這里不做贅述，另一方面，開放性是指學生易于使用，并且可以基于原有實驗內容的擴展和深入。這個概念類似于通常所說的一些開放免費軟件的開放性。探索性，主要強調其適合于學生，遵循該虛擬實驗思路，對某類特殊問題的研究。

虛擬實驗最大優點是實驗的低或無成本，學生做實驗時，虛擬實驗可以具有無運行成本，無需考慮器材的破壞，無物理傷害等特點，這樣可以大大鼓勵學生的開放性和探索性設計。教師也可以開放程序，讓學生參與界面交互操作，甚至參與實驗程序的設計，這樣可以滿足學生的深入學習需求。

1.7 綜合性課題實驗的設計

虛擬實驗在綜合性課題和實驗中也可發揮出自己的優勢。無需或較少考慮接口問題，更加靈活性，更深難度與綜合性這些特點可進一步體現出虛擬綜合性實驗的優勢。事實上，一些大型軍工武器實驗，大型工業實驗項目的預驗證也是利用虛擬仿真方法來實現的。在信號類課程的實驗設計中也有類似方法思路。

較完備的綜合性實驗可以幫助學生對多門課程知識進行整合，學生通過實驗可更牢固地掌握課程間的聯系，從而對以前支離孤立的知識點有更加深入的認識。較好的綜合性實驗設計，本身也可作為學生的畢業論文題目。

2 結語

一個良好虛擬仿真實驗的設計，其主要出發點應是學生學習過程中的良好收獲，因此需滿足以下幾點：1.目的明確：實驗內容緊緊圍繞教學內容，突出重點；2.滿足教學要求和特點：包括符合學生和初學者的由易到難，既有理論描述理解，又可以滿足技術路線，方法的訓練；3.安全有效和便捷成本低：貼近真實和實物實驗，發揮虛擬實驗成本低，安全，參數易調等優勢；4.內容更深入、探索性和新的感知：內容上，較之傳統實驗難度深入，可以培養學生綜合探索精神，盡量增加學生新的感知。

[1]蘇培華.基于虛擬儀器的虛擬實驗應用研究.電子設計工程[J]，2015，23(13):172-175.

[2]涂錚錚,程凡,徐沁等.計算機專業硬件類課程虛擬實驗平臺設計電腦知識與技術[J]，2015,11(32):106-108.

[3]耿艷香,徐文超,張立毅等.教學實踐中虛擬實驗的發展與完善.計算機教育[J]，2014,24：119-121.

[4]姜樹杰.巧用虛擬實驗技術解決教學難點.實驗技術與管理[J]，2016,33(4)：100-102.

[5]劉蕓,張文輝.基于內容分析法的虛擬實驗教學應用研究.中國教育技術裝備[J].2014,12：3-6.

[6]燕慧英,杜娟.信號類課程的虛擬實驗平臺設計.大眾科技[J]，2015,17(7)：155-157.

[7]孫即祥.現代模式識別（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2008.

[8]蔣世忠,黃展鵬,趙潔.醫學圖像處理虛擬實驗室的研究與構建[J].微計算機信息，2010，26(5)：212-213.

Design and Application of Virtual Experiment in Information Courses

LI Wei1，YANG Qing-hua2，SHEN Xue-zhen3

（1．College of Computer Science,West Normal University，Nanchong637000；
2．Department of Medical Imaging,North Sichuan Medical College，Nanchong 637000）

The virtual experiments used in information courses have many advantages of convenience,low cost,openness,depth.Their audiences have good foundation of software and mathematical,so the designs of virtual experiments have great specificity and difficulty.From the aspects of project selection,description level,structural style,key issues,openness and comprehensiveness,discusses the possible faced problems in this kind of virtual experiment designs.From the point of view of methodology,it also puts forward some suggestions and basic design ideas,and discusses the specific methods of the experimental design from the perspective of the application effect and the cultivation of students'quality.

Virtual Experiment;Experimental Teaching;Information Course;Teaching Design

1007-1423（2017）04-0045-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.04.010

李薇（1982-），女，四川廣安人，副教授,碩士研究生，研究方向為圖像處理、嵌入式、物聯網技術

2017-01-10

2017-02-06

四川省教育廳自然科學一般項目（No.17ZB0430）、四川省教育廳自然科學一般項目（No.13ZB0012）、西華師范大學教改項目（No.JGXMQN1329）

楊慶華（1977-），男，江西弋陽人，碩士研究生，副教授，研究方向為醫學成像技術、醫學圖像處理分析

沈雪珍（1972-），女，四川南充人，碩士研究生，講師，研究方向為計算機應用