虛擬仿真實驗教學體系中的幾點問題思考

強 彥，趙涓涓，吳俊霞，董云云，武儀佳

（太原理工大學 信息與計算機學院，山西 太原 030600）

0 引言

虛擬仿真實驗教學中心是教育信息化和教學實驗改革共同作用、相互影響下的產物。2019年教育部工作要點指出“推進教育信息技術與教育教學深度融合”。《加快推進教育現代化實施方案（2018—2022 年）》提出的十項推進教育現代化重點任務中，提出了“開展國家虛擬仿真實驗教學項目等建設”的重大舉措[1]。2017—2018 年間，省級申報項目數量達766 項，共認定260 項，分為23 個類別。相較于2017 年，無論是項目總數還是項目類別數量上都呈現大幅上升趨勢，表明近年來在國家政策方針的支持下，虛擬仿真實驗教學建設進入了快速發展的新時期。

1 基于虛擬仿真的實驗教學環節中的“四重四輕”

近些年，作為教育信息化時代下的產物，虛擬仿真實驗教學在教育界羸得了很大的關注度。虛擬仿真技術改變了傳統的實驗模式，使實踐教學環節發生了根本性的變化。

1.1 重虛仿輕實踐，虛實把握不準確

教育部高教司在文件中明確提出了“虛實結合、相互補充、能實不虛”的虛擬仿真實驗教學十二字原則[2]。

在高校虛擬仿真實驗教學平臺的建設過程中，學生在仿真平臺上完成的實驗較易成功，而真實場景下的實驗往往會遇到各種各樣的問題，如控制開關電路的ALU-G（運算器接口的一種）和C-G（控制開關電路的一種）意外被同時置零，造成總線沖突、損壞芯片；實驗排線連接時管腳連接出錯；部分絕緣導線內部電路斷路導致實驗結果未知等。仿真實驗較真實實驗來講更容易成功，避免了實際操作中遇到的許多問題，導致高校教師偏向于引導學生使用虛擬仿真平臺來進行相關實驗的驗證，出現了“重虛仿輕實踐”的實驗教學現象，未能深入貫徹落實教育部“能實不虛”的仿真教學原則。高校在實驗教學環節中對虛擬仿真實驗和真實實驗的把握程度還不夠，造成了重虛輕實的實驗教學環節側重點失衡的現象。

1.2 重驗證輕創新，教學方法少靈活

一直以來，實踐環節作為高校教學必不可少的組成部分，重點考查學生對所學理論知識的熟悉理解、儀器設備的操作使用及創新意識的培養提升。傳統的實驗教學僅局限于對已知實驗結果的驗證，而非具備創新意識的設計探索實踐。在高校實驗教學部分，教師多是將要完成的實驗內容按照實驗目的、實驗原理、實驗器材、實驗步驟等環節給學生進行“填鴨式”的灌輸[3]。隨后，學生根據教師所講解的流程，毫無挑戰性地按照已有模板完成理論知識的驗證性實驗。學生進行著沒有任何自主創造性的模仿操作，長此以往導致想象力和創造力的湮沒。

相對于高速信息時代所緊需的創新性人才，高校實驗教學環節中更多偏重于驗證性實驗環節，缺乏對學生創新性實驗環節的重點培養，造成了“重驗證輕創新”的實驗教學偏差。鑒于此，太原理工大學信息與計算機學院（以下簡稱我院）開展了綜合實踐環節和課程設計環節來提升學生的實驗創新能力。但從驗證性到創新性實踐環節的跨度很大，出現了部分學生在進行綜合設計環節時無從下手的情況，教師只能再次干預甚至主導學生的創新實踐環節。創新性實驗環節繼而演變成驗證性實驗，出現這個現象的原因就在于實驗教學方法缺少一個循序漸進的過程，只是僵硬的驗證和任務性的創新，并沒有為學生提供一個逐層遞進的實驗教學體系。

1.3 重購置輕研發，資源共享不充分

高校作為社會高水平人才的培養地，匯聚了眾多優質資源，是創新意識的爆發地。然而，對于高校引進虛擬仿真平臺的現狀來講，大都是通過購買校外公司成熟的系統軟件來滿足基本的教學任務需求，而非靠校內研究團隊的自主研發。當前，很多高校大都不同程度的購進了虛擬仿真平臺，平臺的開發維護成本較高且系統安全穩定性較差，不同院校不同虛擬仿真平臺之間并不具備連通性，通用性較弱。各大高校重復開發基本功能相近的仿真平臺，一方面浪費了大量的人力財力和硬件資源，另一方面阻礙了仿真平臺的功能完善與創新。

1.4 重導學輕自學，課前學習失主動

傳統的實踐課程學生大都會像理論課程一樣地對待，學生將本應主動動手完成的實驗變成了課堂聽課環節。通常情況下，大部分學生往往依賴于教師的實驗指導，課前學習缺乏主動，對即將進行的實驗缺乏深入的探索研究甚至一無所知，養成了一種沒有帶著問題去探索的“被動式”行為。教師為彌補學生沒有課前預習的不足，需從頭引導學生一步步進行實驗，從而浪費了大量的時間在理論環節的教學，學生實踐導學時間大幅收縮，實驗教學效果降低，學生在實踐環節的熱情下降，越發忽視課前的自學環節。教師為完成教學任務，導學時間延長，學生動手環節時間縮短，久而久之就會形成一個惡性循環，嚴重影響實踐教學環節效果[4]，最終導致學生求知和動手探索的欲望降低。

2 虛擬仿真實驗教學的針對性改革

分析上文提出的“四重四輕”實驗教學體系中的不平衡，結合我院實際情況作出以下針對性改革。

2.1 虛仿實踐并立，虛仿為輔

應明確教育部在虛擬仿真實驗教學中的十二字原則，把握實驗教學中虛擬仿真實驗與真實實驗的平衡，在實踐教學過程互為補充，以實為本、以虛為輔，不能避實就虛。虛擬仿真實驗具備很強的仿真特性，用虛擬元器件進行操作，可以將實驗效果以逼真、形象、立體的表現形式演示出來[5]，虛擬仿真實驗與實際實驗操作的效果幾乎等同，大大提高教師實踐教學效果。同時，虛擬仿真系統平臺實驗界面簡潔，通過拖拉點擊虛擬器件進行操作，簡單方便，具備友好的交互性，對于學生來說很容易上手進行操作。虛擬仿真的教學豐富了課堂的教學模式，學生不再僅限于教師的口頭教授講解和實驗步驟流程，如同進入真實的場景中，訓練自主思考問題的能力，增強對實驗內容的領悟。

但是，亦不可盲目夸大虛擬仿真技術在實驗教學中的作用，完全沉浸在信息化教學帶來的便利中。應大力主張學生親自動手解決實際問題，動手是學生學習過程中極為寶貴的學習機會。仿真實驗只對真實實驗起輔助作用，要想真正掌握實驗技能，必須通過自己實際動手親自解決遇到的種種困難才能真正掌握。

虛擬仿真實驗與真實實驗在學生教學方面各有其獨到之處，對實踐教學都有著舉足輕重的地位，考慮到虛擬仿真的局限性，采取“虛仿實踐并立，虛仿為輔”的教學方式，更有利于學生創新能力的培養。

2.2 驗證創新并重，驗證為基

“合抱之木始于毫末，萬丈高樓起于壘土。”一切成就的源泉在于不斷地積累。同理，高校要想培養出高水平創造力強的人才，教學實踐環節也得從驗證性實驗著手，隨后再進行深層次的創新研究。

驗證性實驗是在已有的實驗條件下重新證明某個已存在的原理或者假設是否成立或正確。而創新性實驗則是通過實驗驗證自己新提出的某種假設是否成立。驗證性實驗更注重培養學生的動手實踐能力，創新性實驗是在學生已有一定的知識前提下，通過自主思考進行某種創新研發，著重培養的是學生的思維能力。為解決實驗教學環節重驗證輕創新、學生創新意識不足的問題，我院擬在驗證實驗的基礎上，探索一條驗證與創新并重的實驗教學體系。

我院具備良好的實驗教學環境，并配備了良好的實驗教學基地。基于虛擬仿真軟件的開放共享性，學生可以在學習理論知識的同時，利用虛擬仿真實驗平臺隨時隨地進行基礎性實驗驗證，從而使學生對基礎理論知識有更好的理解，當學生具備一定的基礎知識后，教師可以引導學生進行相關的創新，培養學生的創新意識。驗證實驗與創新實驗的相互交叉，不僅提高了學生的動手能力，也使得學生對創新性實驗有了更深的理解。學生不再對創新性實驗有抵觸情緒，開始慢慢嘗試，調動了學生創新思考的積極性，形成了良好的學習氛圍。

2.3 研發購置并舉，研發為重

高校作為高等人才培養的重要基地，擔當著學生專業基礎知識與創新能力培養的重大任務。我院在虛擬仿真實驗平臺的使用上存在著很大的局限性與依賴性，缺乏自主性，只是一味地接受，嚴重地依賴于外界。

針對這一問題，倡導一種以研發平臺為重心，同時在購置平臺的基礎上進行二次創新研發的舉措，試圖研發出更適合所學科目和專業的個性化平臺，提高課堂的教學質量與學生的學習效率，并通過網絡將各個高校間的虛擬仿真平臺連接起來，實現實驗教育資源共享，提升資源利用率。各個高校之間可以通過這種方式實現資源共享，學習其他高校優秀的教學方式，取長補短，優化自己的教學體系與教學模式，形成改進—實踐—再改進這樣的一個正反饋。

2.4 自學導學并行，自學為本

為解決實踐教學環節的現狀，提出一種教師導學與學生自學并行，學生自主學習為根本的教學策略，將實驗時間返還學生，同時減輕教師的實踐教學工作量，激發學生主動動手參與的熱情。要求教師提前下發實驗環節的相關資料與任務，給學生提供充足的時間投入到課前自學環節，清楚了解自己實驗時間需要完成與解決的任務。同時，為防止有些學生課前不主動的行為，教師可以選擇部分重點講解，一方面彌補了部分學生沒有自學的缺陷，另一方面鞏固了其他學生對實驗理論知識的深入理解。除此以外，教師也可以選擇通過抽查的環節了解學生的課前自學情況，督促學生完成導學任務[6]，提高自學主動性，形成一個教學自學的良性循環。

3 教學實際

太原理工大學計算機科學與技術專業依托于信息與計算機學院，旨在培養高素質高水平的計算機應用型專業人才。利用虛擬現實、多媒體、人機交互等信息化技術[7]，在計算機組成原理已有實驗課程的基礎上，構建高度仿真的實驗環境，使學生可以在虛擬仿真的實驗環境中學習[8]。學院設有先進的實驗教學設備和穩定的實踐教學基地，并配備有計算機硬件實驗室和虛擬仿真實驗室。在本科教學階段，學院針對學生的不同階段開設了如課程實驗、課程設計、教學實習等在內的一系列實踐教學環節。充分發揮學生的自覺能動性，促進培養學生的創新意識和工程能力[9]。

在硬件實驗室中，我院配備了50 臺EL-JYII 型計算機組成原理實驗掛箱供學生日常實驗所用，該實驗掛箱上集成了運算單元、寄存器、存儲器、液晶顯示器等多種元器件。然而，教學配備的實驗套件價格普遍較高，開展實驗相配套的軟硬件設施還不夠完善，鑒于教學實驗場地和實驗設備的有限性，限制了學生親自動手的操作體驗，以及對所學理論知識的驗證。其次，實驗設備的組裝和拼接較為復雜，學生缺乏對實驗所用設備的了解，導致實驗硬件器材的損耗較為嚴重，實驗器材消耗成本較高。

基于FPGA 云提供的計算機虛擬仿真遠程實驗平臺，打造“課內課外一體化、線上線下一體化”的虛實結合的計算機組成原理實驗環境，可以為學生提供隨時隨地進行計算機組成原理實驗的支撐，鍛煉學生操作軟硬件系統的能力，改善計算機專業學生“欺軟怕硬”的局面，同時為新興的人工智能硬件設計相關課程奠定實驗教學基礎。該虛擬仿真實驗教學采用的PYNQ 平臺可以將Python 語言的使用與硬件的設計融合起來，培養人工智能時代下學生的綜合實踐能力。

4 結語

虛擬仿真教學作為信息時代實驗教學環節的新興的重要組成部分，有效地輔助教師在真實場景下的實驗教學，有力地促進實驗教學體系結構的深度變革。筆者就現有虛擬仿真實驗教學體系中存在的“四重四輕”問題進行了總結概括，并就這些問題給出了針對性的建議。相信，隨著計算機數字信息化技術的發展，虛擬仿真技術在實驗教學中的影響將會進一步擴大，隨時隨地進行實驗對每個求知者來講都將成為現實。