信息類專業虛擬仿真教學及管理平臺的構建

汪源+周密

摘 要：文章對國內傳統的實踐教學的弊端進行分析，提出“開放共享、優化管理、先虛后實”的原則，構建信息類專業虛擬仿真教學及管理平臺。平臺包含實驗仿真、教學管理、教學資源、考核資源、實驗室管理和虛擬考試等六部分，給管理人員智能、全方位管理和監督實踐教學、教師快捷安排教學內容和階段性考核等開辟了全新的渠道，為相關專業實踐教學模式、考核方式等內容的改革提供一種新思路。

關鍵詞：虛擬仿真教學及管理平臺；電子信息；開放共享

隨著近十幾年全球信息化的發展，教育信息化建設已在我國受到極大的關注。2010年中共中央、國務院發布的《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》和2012年中華人民共和國教育部發布的《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》都提出加快發展教育信息化建設。2013年中華人民共和國教育部印發的《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》明確指出發展虛擬仿真實驗教學中心。

三亞學院（以下簡稱“本?！保┰?014年通過中華人民共和國教育部本科教學工作合格評估后向應用型大學轉型的進程中，積極響應國家的教育信息化建設的號召，不斷加大校園信息化建設的力度。在提升本校實踐教學質量和水平的同時，也非常重視實踐教學管理，在借鑒其他高校工作經驗的基礎上，于2015年開始在本校理工學院電子信息類專業試點建設“虛擬仿真教學及管理平臺”，為本校實踐教學的開展提供虛擬仿真環境和教學管理系統，解決了實踐教學和管理過程中存在的問題，初步提升了理工學院的實踐教學質量和水平。

一、國內實踐教學存在的問題

目前我國存在一大批高校從傳統高校向培養應用型人才高校轉型，隨著應用型高校聯盟的成立，應用型高校的人才培養層次和規格也逐漸明晰，人才培養的途徑和配套的課程體系也在逐漸形成，但由于各高校實驗室體系龐大、設備成本高昂，實驗室的功能轉型相對人才培養目標的轉型緩慢得多。雖然學校都很關注對學生運用專業知識的技能和素養的培養，但大多數高校的實驗教學都是通過演示性、驗證性實驗來支撐的，這種直觀的形式不僅便于學生掌握，也讓學生可以更好地理解知識本身。但這樣的教學模式也存在以下問題：①實驗室的管理難度很大，設備維護成本高，很難實現實踐教學資源的靈活管理。②以人工管理為主的模式使管理工作的任務繁重，需要避免所有課程的人、時、地之間的沖突，同時還需能夠對實驗室的設備進行前期的準備和調試，對教師教學和學生學習進行管理和監督等，其中對于教與學各過程的管理和監督需要人為進行操作完成，因此較為容易出錯。③教師的教學任務繁重，需按照教學需求和人才培養方案的目標調整教學大綱，設定教學重點、難點，準備各種教學文檔對學生進行過程化考核。隨著高等教育從精英化向大眾化轉變，專業學生人數呈現大量增長的趨勢，因此，教師沒有足夠的精力去管理學生，這樣的現狀與教學過程需要教師進行過程化考核的要求之間形成較大的矛盾。④學生學習習慣、自覺性較差，部分學生不能很好地管理自己的學習過程，且不能反復自學。⑤實驗室建設費用高昂，前期投入大、后期維護費用高，實驗室使用率不高，硬件實驗設備損壞比例較大，維護難，壽命短，且以驗證型實驗器材為主。⑥學生數量眾多，教師指導難以到位，不能分層分類培養學生，教學目標難以落實，實驗教學容易走過場，設計性和探究性實驗難以開展，體現不出因材施教。⑦現行的教學模式容易產生眾多紙質化的教學過程檔案，容易造成教學成本浪費，且不易保管。

二、平臺建設目標

平臺建設之初的定位是服務理工學院的所有班級（也可擴展為其他學院部分班級）的實踐教學，因此在建設時需預留接口，以便今后能和其他專業仿真平臺和軟件對接，能夠整合成一個校級綜合大平臺。

采用多媒體技術手段，充分利用Proteus、LabVIEW、Multisim、MATLAB、GMDSS及汽車仿真教學等虛擬仿真軟件的設計及虛擬仿真等功能。同時平臺的建設也形成學校之間、學院之間及校企之間共建、共享、共營的新型協同體，更好地為培養校內外具有實踐創新能力的優質人才提供服務。具體的目標包括：

（1）實現對絕大部分實驗課程的教學管理和監督。減輕人工的程序化的工作，通過平臺幫助教師過程化監督學生的學習狀態，讓教師全身心地投入教學目標的落實、學生動手能力的訓練上，進行教學內容、教學方式等方面的改革，開設設計性、探究性實驗；系統記錄教師的過程化教學管理內容，增加評判教學管理好壞的依據；系統定時考查可以優化學生的學習習慣，提高學生學習的自覺性；此外，可以減少實驗室維護費用，將紙質化教學檔案轉化為電子化教學檔案，減少教學成本，便于教學管理及監督。

（2）理工學院的實驗項目應包含演示性、驗證性、綜合性、設計性等多個層次，虛擬仿真實驗應涵蓋學生學習的全過程。從器件到電路，采用PSpice、Multisim等仿真軟件，結合LabVIEW等工具軟件，實現電路分析、數字電子技術、模擬電子技術等的仿真設計；從信號到處理，利用Verilog、DSP Builder、Matlab等EDA工具軟件，實現信號采集分析與處理；從傳輸到控制，結合Matlab、Simulink等，實現通信傳輸和控制實驗；從單元到系統，結合Proteus、Multisim等，實現功能單元和集成系統設計；此外，結合Protel、Orcad、Padscad等布線軟件，實現從設計到應用級仿真。

（3）構建高等學校之間虛擬仿真實驗教學示范中心共享資源的渠道。通過互聯網技術和云端服務器，可以為實現與國內優秀高校的國家級虛擬仿真實驗教學示范中心教學平臺的互通提供軟硬件平臺，各個學校的教師之間可以共享優質的教學資源，學生也可以像學習MOOC一樣，通過網絡進行實踐類課程的學習，獲取名校名師的指導。

三、平臺架構和功能

虛擬仿真教學及管理平臺由6個模塊構成，如圖1所示。這6個模塊相輔相成，緊密結合，共同組成平臺的架構和功能。

實驗仿真模塊是本系統的核心模塊，所有的仿真實驗、考試、測評和角色體驗等都可以利用Proteus、Multisim、LabVIEW等仿真環境在平臺上進行。

視頻教學和題庫管理是平臺的內容部分，提供教學、實驗和測評的具體內容，也是工作量最大的部分，并且可以依據建設的需要后續添加。

系統管理和考試系統是平臺的管理部分，通過各種角色可以實現時間教學管理的各種功能。

虛擬仿真教學及管理平臺功能包括：①實現對絕大部分實驗課程的教學管理和監督；②教師對教學內容的設計，包括上傳各種教學文檔、教學資源、考核資源等；對學生進行過程化考核，包括學生是否預習、復習、完成作業等；③學生通過平臺進行相應教學資源的學習、整理筆記、復習、完成并提交作業及項目考核；④學生在教師的指導下，進行實踐教學環節學習，包括基礎技能訓練、課題仿真設計、自主開發創新和崗位角色體驗等，完成學習任務。

本校虛擬仿真教學及管理平臺界面如圖2所示。

四、平臺建設成效

（1）實現電子信息類各專業大部分課程實驗項目的虛擬仿真，部分因實驗設備陳舊而完成不了的項目或難度較大的項目，可以根據學生實際情況分成“虛擬仿真”和“實際操作”兩個層次分類指導，實現分類分層次培養的教學理念，減輕教師的工作量，提高實驗室利用效率，降低實驗設備損壞率，減少教學成本。

（2）平臺可以將教師過程化教學管理的內容與執行情況記錄下來，對教師進行全過程化的監督和考核，增加評判教學管理的依據。

（3）為“小班上課”的改革提供平臺，系統根據學生的學習狀態及學習進程來劃分層次，根據層次來預約小班輔導的時間，同時小班輔導的形式也可從課堂轉移到虛擬的網絡中。

（4）為課程論文（項目）的改革提供平臺，課程論文（項目）的選題、項目系統的虛擬仿真實現、實施過程中教師對學生的管理、學生與教師的交流等都可在該平臺中實現。

（5）實現無紙化教學和管理，教師的所有教學資源、學生的所有學習資源及教務管理的文檔全部電子化，極大方便了各種教學資料的管理和存儲的問題，真正實現無紙化教學和無紙化辦公。

總之，對國內傳統的實踐教學的弊端進行分析，提出“開放共享、優化管理、先虛后實”的原則，本校建設了信息類虛擬仿真教學及管理平臺，為管理人員智能、全方位管理和監督實踐教學、教師快捷安排教學內容和階段性考核等開辟了全新的渠道。

平臺的建設，加強了對本校電子信息類專業學生的實踐能力和創新精神的培養，提高了創新人才的培養質量，為電子信息類專業實踐教學體系改革提供了一種新方法。

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（作者單位：三亞學院理工學院）