仿真系統(tǒng)在高職教育中的應(yīng)用研究

孫志倫 王惠

摘? 要 目前我國大部分高等職業(yè)院校引入仿真系統(tǒng)以改進傳統(tǒng)教學(xué)模式、降低教學(xué)成本、提高教學(xué)效率、增強教學(xué)趣味性。與傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生只作為課堂環(huán)節(jié)中的被動接受者相比，使用仿真系統(tǒng)后，學(xué)生由接受者變成參與者，提高了學(xué)習(xí)積極性。以自動控制理論課程輔助仿真系統(tǒng)為例，論述仿真系統(tǒng)在高職院校課程中的合理應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 仿真系統(tǒng);自動控制理論;職業(yè)院校;高職教育;實驗

中圖分類號：TP391.9? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）06-0034-03

Applied Research of Virtual Simulation System in Higher Voca-tional School： Take Automatic Control Theory for Instance//SUN

Zhilun， WANG Hui

Abstract At present， most of higher vocational colleges in China have introduced simulation system to improve the traditional tea-ching mode， reduce teaching cost， improve teaching efficiency and increase teaching interest. It is not only that students who are using the simulation system as the passive recipients in the classroom， but

also the students become the participants through the simulation sys-

tem. Taking an example of the subsidiary automatic simulation sys-

tem in automatic control theory course， the paper presents the ratio-

nal application of the simulation system in vocational college courses.

Key words simulation system; automatic control theory; higher vo-cational colleges; higher vocational education; experiment

1 引言

在職業(yè)院校教育中，很多科目由于自身難度較大，加之學(xué)生基礎(chǔ)知識比較薄弱，導(dǎo)致教學(xué)目標難以達成，而這些專業(yè)基礎(chǔ)知識理論又是學(xué)生所必須掌握的。以自動控制理論為例，該門課程是高等院校自動化、機電一體化及相關(guān)專業(yè)的一門重要的主干課與專業(yè)基礎(chǔ)課，課程的理論性和系統(tǒng)性極強，數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)和計算較多，如拉普拉斯變換、拉普拉斯反變換、勞斯判據(jù)、動態(tài)性能指標等，都需要進行大量的推導(dǎo)和計算，其推導(dǎo)過程繁雜難懂。本科學(xué)生大都感到該課程內(nèi)容抽象，難以理解，而高職院校學(xué)生由于其基礎(chǔ)理論知識較為薄弱，面對這門課更是無從下手，最后敷衍了事。

針對這種現(xiàn)狀，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于自動控制理論課程教學(xué)中，用于對自動控制系統(tǒng)的動態(tài)過程仿真，通過把課程中的理論性概念及其公式轉(zhuǎn)換為操作流程界面，并對其內(nèi)容逐一展開和推導(dǎo)，以此來降低自動控制理論的課程難度，使學(xué)生擺脫煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，直觀地了解自動控制的原理及特性。

2 虛擬仿真系統(tǒng)的意義

虛擬仿真系統(tǒng)是利用計算機中的仿真軟件編寫程序系統(tǒng)，以達到對真實實驗和理論的模擬與仿真的目的，供學(xué)生觀察、了解、操縱、建構(gòu)其中的對象，使他們獲得類似真實的體驗或者掌握知識理論體系的規(guī)律。

人本主義教育學(xué)家認為，教育的目標、學(xué)習(xí)的結(jié)果應(yīng)該是使學(xué)生成為具有高度適應(yīng)性和內(nèi)在自由性的人。建構(gòu)主義教育學(xué)家認為，教育是以學(xué)生為中心，強調(diào)學(xué)生對知識的主動探索、主動發(fā)現(xiàn)和對所學(xué)知識意義的主動建構(gòu)[1]。這兩種學(xué)派都強調(diào)以學(xué)生作為教育的主體，通過激發(fā)學(xué)生本身的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)興趣為手段，來達到提高學(xué)習(xí)能力以及完成課堂任務(wù)的目的。其區(qū)別是建構(gòu)主義教育學(xué)家將學(xué)習(xí)定義為在一定的情境即社會文化背景下，借助其他人的幫助即通過人際協(xié)作活動而實現(xiàn)的意義建構(gòu)過程;而人本主義教育學(xué)家則更重視學(xué)習(xí)涉及整個人，而不僅僅是為學(xué)習(xí)者提供事實，也就是說在學(xué)習(xí)的同時不僅是要達到知識上的提升，同時要完成個人能力上的升華。

虛擬仿真系統(tǒng)可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)習(xí)效率，降低課程難度，讓學(xué)生直觀體驗理論知識。這是因為虛擬技術(shù)具有沉浸性、交互性、構(gòu)想性三大特征：沉浸性指人能夠沉浸到計算機系統(tǒng)所創(chuàng)建的環(huán)境中，由觀察者變?yōu)閰⑴c者，成為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的一部分;交互性指人如同在真實的環(huán)境中一樣，能用多種傳感器與多維化信息環(huán)境中的虛擬對象發(fā)生交互關(guān)系;構(gòu)想性指人能從虛擬環(huán)境中得到感性和理性的認識，進而深化概念、產(chǎn)生新意和構(gòu)想[2]。學(xué)生在通過仿真教學(xué)系統(tǒng)學(xué)習(xí)知識內(nèi)容之后，可以提高個人的自主學(xué)習(xí)能力，而這種以仿真系統(tǒng)輔助教學(xué)的教育方式符合人本主義學(xué)習(xí)理論。當學(xué)生從被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為主動學(xué)習(xí)時，當以學(xué)生為中心來構(gòu)建學(xué)習(xí)情境時，當學(xué)生了解到學(xué)習(xí)內(nèi)容與自身需要相關(guān)時，他們的學(xué)習(xí)的積極性最容易激發(fā)。在一種具有心理安全感的環(huán)境下可以更好地學(xué)習(xí)，這符合建構(gòu)主義的教育理念。故使用虛擬仿真系統(tǒng)來促進學(xué)生的知識積累和個人學(xué)習(xí)能力的完善是具有理論依據(jù)的。

與普通高校相比，職業(yè)院校對學(xué)生的理論和公式的理解要求較低，在一些難度較大的知識點上不做過高要求，學(xué)生對具體實物和公式會應(yīng)用即可，即“不求高深，但求實用”。在這種觀念的影響下，虛擬仿真系統(tǒng)成為一種工具，學(xué)生只需要按照系統(tǒng)要求的流程逐步操作，即可得到需求的結(jié)果。

3 仿真系統(tǒng)對職業(yè)院校教育的作用

現(xiàn)階段我國職業(yè)教育還存在不少問題。2016年12月，李克強總理對關(guān)于加快職業(yè)教育發(fā)展做了重要批示，要求切實把職業(yè)教育擺在更加突出的位置，加快構(gòu)建現(xiàn)代職業(yè)教育體系，堅持面向市場、服務(wù)發(fā)展、促進就業(yè)的辦學(xué)方向，進一步深化改革創(chuàng)新，強化產(chǎn)教融合、校企合作，積極鼓勵和支持社會力量參與，努力建成一批高水平的職業(yè)學(xué)校和骨干專業(yè)，加快培育大批具有專業(yè)技能與工匠精神的高素質(zhì)勞動者和人才。

政府大力支持與鼓勵在職業(yè)教育中引入虛擬仿真軟件的做法，并在教育資源和教學(xué)實踐兩方面提出不同的要求。例如：在教育資源方面，高職教育“要充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，開發(fā)虛擬工廠、虛擬車間、虛擬工藝、虛擬實驗”，針對各級各類教育的不同需求，遴選和開發(fā)1500套虛擬仿真實訓(xùn)實驗系統(tǒng);在教學(xué)實踐方面，各級各類教育“加強實踐教學(xué)，創(chuàng)新仿真實訓(xùn)資源應(yīng)用模式，提高使用效益”。

根據(jù)從部分期刊和網(wǎng)絡(luò)平臺收集到的資料，現(xiàn)階段我國職業(yè)教育在政府的大力支持下快速發(fā)展，高職院校數(shù)量從2014年的1327所增加到2018年的1388所，入學(xué)人數(shù)和畢業(yè)生人數(shù)也穩(wěn)定提升。雖然發(fā)展迅速，但存在部分職業(yè)院校教學(xué)效果不佳，專業(yè)教學(xué)資源短缺，生師比高，生均教學(xué)資源投入不足，專業(yè)質(zhì)量認證機制缺失等問題。限制職業(yè)教育發(fā)展最嚴重的問題是通過職業(yè)教育的畢業(yè)學(xué)生達不到學(xué)校預(yù)期要求和企業(yè)入職底線，主要有兩方面的原因：一是學(xué)校，二是學(xué)生。而引進虛擬仿真教學(xué)輔助系統(tǒng)，恰對這兩方面都有積極的影響。

在學(xué)校方面，現(xiàn)階段職業(yè)院校的主要問題是學(xué)校所能給學(xué)生提供的實訓(xùn)條件和教授的知識內(nèi)容無法滿足學(xué)生的就業(yè)需求。現(xiàn)在的高職學(xué)校教師水平很容易受到學(xué)生質(zhì)疑，一方面是因為很多職業(yè)院校難以留住優(yōu)秀的教師，部分教師雖然在專業(yè)知識上達到較高的水平，但并未接觸過專業(yè)的教育學(xué)培訓(xùn)，導(dǎo)致課堂上無法清晰說明，難以令學(xué)生明白，在一些考驗教師教育功底和教育水平的課程中，這種現(xiàn)象更為嚴重。另一方面，高職學(xué)生普遍對學(xué)習(xí)缺乏興趣，甚至反感學(xué)習(xí)。作為課程總目標直接面向就業(yè)的職業(yè)學(xué)院，大多數(shù)職業(yè)院校在文化課上由于課程難度較高、學(xué)生基礎(chǔ)較差或不愿學(xué)習(xí)等原因，無法完成其課堂目標;在實訓(xùn)課上又因為資金匱乏，實驗裝備和實訓(xùn)條件無法做第一時間的更新，甚至很多院校的實訓(xùn)器材種類都無法做到齊全，導(dǎo)致學(xué)生無法學(xué)到面向企業(yè)的技能。這勢必會阻礙職業(yè)教育的發(fā)展。

針對這種現(xiàn)狀，由于仿真系統(tǒng)的特性，能夠緩解和解決一部分實驗、實訓(xùn)器材短缺的問題，同時具有輔助教學(xué)的功能，提高教師駕馭課堂的能力。通過下載補丁實時更新的仿真系統(tǒng)，能讓學(xué)生對部分課程內(nèi)容和能力進行學(xué)習(xí)和鍛煉。同時，自主操作系統(tǒng)結(jié)合教師課堂講解的教育方式也更能引起學(xué)生的興趣。在各類職業(yè)院校課程中引入虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，可以幫助職業(yè)院校培育具備最新專業(yè)技能與工匠精神的高素質(zhì)勞動者。

在學(xué)生方面，高職學(xué)生在入學(xué)前大多經(jīng)過了一次失敗的高考，從某種角度來說，他們是應(yīng)試教育的失敗者，對繼續(xù)學(xué)習(xí)興趣不足;或者可能給自己打上不善于學(xué)習(xí)的標簽，內(nèi)心懷疑自己的學(xué)習(xí)能力。一部分學(xué)生因為學(xué)習(xí)目的不明確而導(dǎo)致動力不足，興致不高;另一部分學(xué)生則是自控能力較差，沉迷于網(wǎng)絡(luò)、小說或其他興趣愛好，根本無心學(xué)習(xí)。仿真系統(tǒng)主要針對第一類學(xué)生改善學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)習(xí)能力，走出心理障礙;對于第二類學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度有部分改善作用。

以自動控制理論課程為例，該課程難度較大，且需要實驗儀器進行配套教學(xué)，需要對前置課程如高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、電學(xué)等都有一定的基礎(chǔ)才能順利學(xué)習(xí)，幾乎全部高職院校的學(xué)生都難以理解其全部課程內(nèi)容。當學(xué)生在某一課程中完全聽不懂時，會極大地打擊其自尊和學(xué)習(xí)積極性。但是自動控制理論強調(diào)的是物理概念和實際應(yīng)用，對學(xué)生未來從事自動化類型工作有極為重要的作用，不管是現(xiàn)場的實際操作還是產(chǎn)品開發(fā)工作，都需要對自動控制理論具備基本的了解。

對學(xué)生而言，如果在課程中應(yīng)用自動控制理論課程輔助仿真系統(tǒng)，可以將課程中抽象的理論和公式通過虛擬仿真軟件直觀地表示出來。學(xué)生的學(xué)習(xí)過程不再是機械記憶教師講解的知識，而是從學(xué)習(xí)的被動接受者變成主動參與者。通過對系統(tǒng)界面的簡單操作，即可了解自動控制理論的運算過程、運算結(jié)果、應(yīng)用實例等方面的問題，全面提高自動控制理論課程教學(xué)效率。同時，通過運用自動控制理論仿真系統(tǒng)，學(xué)生在課堂以及課下都能自主完成課程學(xué)習(xí)和實驗，發(fā)揮主體性，在學(xué)習(xí)過程中能夠自我決定、自我選擇、自我調(diào)控、自我評價反思。當完成學(xué)習(xí)目標后，學(xué)生得到的成就感和滿足感也優(yōu)于傳統(tǒng)授課方式。

通過運用仿真輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)，學(xué)生可以自己輸入變量，通過系統(tǒng)將物理概念以及公式轉(zhuǎn)換為可見的流程式操作，并以圖像的形式反饋給學(xué)生。如在動態(tài)系統(tǒng)的微分方程章節(jié)，仿真系統(tǒng)可以通過對物理建模的仿真直接將其轉(zhuǎn)換為微分方程形式的模型，而不需要學(xué)生詳細了解物理和電學(xué)中的內(nèi)容，只需要使用系統(tǒng)中現(xiàn)有的公式，即可得到微分方程以及推導(dǎo)過程。以此降低課程內(nèi)容的難度，并且在系統(tǒng)中通過插入一些小提示幫助學(xué)生理解，并集中其注意力，以此調(diào)動和誘導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，令學(xué)生養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，從而讓職業(yè)院校中的學(xué)生被動強迫學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)積極性不足、注意力分散的情況有所好轉(zhuǎn)。

對從教者來說，在課程中使用自動控制理論課程輔助仿真系統(tǒng)同樣具有優(yōu)勢。傳統(tǒng)理論教學(xué)往往強調(diào)教師的講授，極為考驗教育者的教育功底和水平。教師在教學(xué)中主要使用PPT和黑板，結(jié)合教材書本的內(nèi)容進行解釋和補充。使用該系統(tǒng)，可以降低教師在自動控制理論課程中的教學(xué)難度。在一些章節(jié)中使用該系統(tǒng)功能中的推導(dǎo)和繪圖功能，可以直接得出如微分方程的圖像等學(xué)習(xí)內(nèi)容;對一些知識難點，通過編寫系統(tǒng)可以做出注解和例題分析，方便教師對學(xué)生進行講解。同時，教師可以將習(xí)題和作業(yè)導(dǎo)入仿真輔助教學(xué)系統(tǒng)中，讓學(xué)生在課后仍通過該系統(tǒng)理解知識點和教學(xué)內(nèi)容。

對學(xué)校而言，仿真系統(tǒng)可以代替一部分物理實驗，通過輸入預(yù)定的數(shù)值和流程，可以得到模擬出的仿真結(jié)果;若過程有誤則生成錯誤結(jié)果，并提示錯誤點。

如果運用傳統(tǒng)模式的教育方法，自動控制理論實驗教學(xué)采用在實驗室中模擬電路實驗臺，將集成電路模塊進行連線，形成典型系統(tǒng)，通過示波器觀察響應(yīng)曲線。實驗室占地面積大，價格較昂貴，且學(xué)校內(nèi)的實驗設(shè)備長期工作，可能會造成電容積分飽和，出現(xiàn)實驗誤差，需要對該科目進行較大的硬件投入。在不以自動化相關(guān)專業(yè)作為主要教學(xué)專業(yè)的學(xué)校中，布置該類型實驗平臺具有一定的資金困難，從而放棄實驗課程。而使用自動控制理論仿真系統(tǒng)，則可以在不耽誤教學(xué)進度和質(zhì)量的前提下，減少一定程度的經(jīng)費開支。

仿真系統(tǒng)對高職教育的促進作用不僅體現(xiàn)在自動控制原理一門課程中，與此相近的其他課程都可以使用仿真教學(xué)系統(tǒng)進行輔助教學(xué)，同樣具有良好的效果。

4 結(jié)語

誠然，教學(xué)仿真系統(tǒng)在現(xiàn)階段還有許多不足之處，其主要任務(wù)還是輔助教師進行教學(xué)，也不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗和實踐。教育是一個復(fù)雜過程，教學(xué)系統(tǒng)是一個獨特的復(fù)雜系統(tǒng)，具有開放性、不可還原性、非線性與非均衡性等特征。教育自身的復(fù)雜性一定程度上制約了系統(tǒng)仿真技術(shù)的運用[3]。即便如此，使用教學(xué)仿真系統(tǒng)進行教學(xué)，依然可以解決現(xiàn)階段高職教育中的很多難題，對促進學(xué)生、教師、職業(yè)院校乃至社會發(fā)展都有重要作用。

1）運用教學(xué)仿真系統(tǒng)可以輔助教學(xué)，簡化教學(xué)難度，增強課堂的趣味性。教師通過運用該虛擬仿真系統(tǒng)，能夠打破傳統(tǒng)的教學(xué)模式，從原則到運用，從繁雜到整合，從抽象到實際，逐步實現(xiàn)相關(guān)知識的學(xué)習(xí)操作。

2）職業(yè)院校學(xué)生使用教學(xué)仿真系統(tǒng)進行學(xué)習(xí)，在理論上也符合人本主義和建構(gòu)主義教育學(xué)思想;在實踐中，仿真系統(tǒng)可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和自主性，降低學(xué)習(xí)難度，幫助學(xué)生建立自信。

3）高職院校可以通過各類仿真系統(tǒng)對教學(xué)內(nèi)容進行實時更新，使教學(xué)內(nèi)容跟上社會發(fā)展，教學(xué)手段與時俱進。同時可以節(jié)約教學(xué)資金，有助于院校發(fā)展。

4）職業(yè)院校使用高品質(zhì)的教學(xué)仿真系統(tǒng)，可以為企業(yè)和社會培養(yǎng)具備最新專業(yè)技能與工匠精神的高素質(zhì)勞動者。其為社會培養(yǎng)高素質(zhì)高技能人才的核心理念，符合我國國情以及“中國制造2025”的戰(zhàn)略發(fā)展目標。■

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