基于創新創業人才培養的多學科融合虛擬仿真實驗教學資源建設

周耀勝

武漢工程大學創新創業學院 湖北武漢 430205

當前正是我國深入實施創新驅動發展戰略,加快建設創新型國家的關鍵時期,需要大量高素質的創新創業人才。高校作為高素質創新創業人才培養的主體,應主動服務國家重大戰略需求,加快“四新”建設,大力推進新時代創新工程教育與實踐教學資源建設,形成具有中國特色的高水平工程教育體系。

實驗教學是高校培養學生工程實踐能力和創新創業精神的重要手段[1],目前的實驗教學存在實驗設備落后、課程設置不成體系、內容設置陳舊、教學方式方法單一、學科交叉不夠等問題[2-4],使得學習主動創新的興趣和意愿不強烈、學習效果差、個性化發展不足。因此通過虛擬仿真實驗教學資源,使學生了解產品從設計研發到生產制造的全過程,對提高學生創新創業能力大有益處。

隨著人工智能、AR/VR、云計算為代表的現代信息技術的發展,為建設虛擬仿真實驗教學資源提供了全新的手段,在“四新”建設中發揮著越來越重要的作用。先進制造相關學科群(涉及機械、電氣、電子、計算機、光電、控制等學科)緊貼工程生產實際,涉及面廣、交叉融合度深,相關學科深度融合的綜合性虛擬仿真教學資源越來越重要。為了進一步將課程與現代生產實際相結合,很有必要搭建一個多學科融合的綜合實驗教學平臺,使得學生能夠將所學的理論知識應用于生產實際,培養其“雙創”意識,提高其“雙創”素養和能力。

1 建設意義

虛擬仿真實驗教學資源,不僅可以拓展實驗教學內容的深度和廣度,增強學生的學習興趣,通過信息技術手段實現開放與共享,還可以延伸其使用的時間和空間,對改進教學現狀具有重要意義。具體體現在以下四個方面:

1.1 整合優質教學資源,降低實驗教學成本

傳統的機械制造類、電氣類等專業的實驗教學設備一般都比較龐大,具有占地面積大、安裝和后期維保相對比較煩瑣的缺點,不同院系專業的實驗教學場所一般比較分散。此外隨著信息技術的迅猛發展,高校實驗教學設備和相關教學內容常常落后于市場上的最新技術。因此“光機電控類”多學科融合的虛擬仿真實驗教學平臺,將校內外優質實驗教學資源整合聚集到云端,師生可隨時訪問,可以有效降低教學成本。

1.2 彌補傳統教學不足,防范教學安全事故

機械制造類、電氣類專業的專業實驗設備一般價格昂貴,實驗室常常存在設備不足,導致學生一般是分組或輪流操作實驗,學生的技能訓練得不到充分鍛煉。很多實驗課程涉及強電、高速旋轉等,實驗中如果發生誤操作會對實驗者的人身安全造成極大危害。因此采用VR/AR等現代信息技術開發虛擬仿真實驗教學課程,可以有效彌補傳統實驗教學的不足,保障教學活動順利開展。

1.3 鼓勵學生自由探索,提高實驗教學效果

機械制造類、電氣類實驗教學設備一般體積龐大、結構復雜,部分工作場景也無法在學校教學實驗室完成,學生難以準確掌握其結構、裝配關系及工作原理,這使得教學效果大打折扣。利用虛擬仿真技術復現實驗教學環境,提供安全、可靠和經濟的實驗教學項目,讓學生獲得沉浸式的教學體驗。學生還可以自由探索,這激發了學生參與度,通過實驗室設備初探、虛擬仿真實驗教學復現其工程,實現教學目標及效果。

1.4 完善平臺管理機制,服務“雙創”人才培養

根據國家虛擬仿真實驗教學示范中心的“科學規劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續發展”原則[5],虛擬仿真教學資源平臺應該實現校內、校際、校企間開放共享,探索共建共管新模式,建立可持續發展的虛擬仿真實驗教學服務支撐體系。虛擬仿真實驗教學平臺資源可以讓學生自由探索,支持學生參加各類學科競賽和創新創業實踐,這對培養學生創新創業能力具有促進作用。

2 建設內容

2.1 構建創新創業能力培養的虛擬仿真實驗教學體系

虛擬仿真實驗教學體系在教學大系統中,與實體實驗教學體系相互補充,同樣需要遵循實驗教學的客觀規律和基本準則[6-8]。利用虛擬仿真技術對現有的實驗教學環節、內容迭代升級,建設“三段漸進式”的虛擬仿真實驗教學體系。

面向“光機電控”等智能制造類相關專業的“三段漸進式”的可持續發展的虛擬仿真實驗教學體系是指通過基礎虛擬仿真實驗、綜合虛擬仿真實驗、多學科融合的虛擬仿真綜合實驗及創新創業模擬實驗,螺旋遞進、逐級提高。基礎虛擬仿真實驗旨在檢驗學生對專業基礎知識的掌握程度,綜合虛擬仿真實驗旨在強化學生學科專業知識技能的綜合使用,跨專業融合虛擬仿真綜合實驗旨在打破專業界限培養學生綜合能力,創新創業模擬實驗以體驗式教學方式開展創新創業教育,全面提高學生的創新創業素養和能力。利用虛擬仿真技術,將不同層次的實現項目深度融合,形成教學體系。

“三段漸進式”虛擬仿真實驗教學體系有四個顯著特點:

(1)理論與虛擬仿真相結合。虛擬仿真實驗與專業基礎課程、專業核心課程相配套,使學生掌握理論知識后再進行虛擬仿真實驗,加深對基礎理論的掌握。

(2)實體與虛擬仿真實驗相結合。對無法在實驗室內完成的實體實驗,采用虛擬仿真實驗來完成。

(3)實驗與實踐相結合。通過虛擬仿真實驗了解生產制造環節,校外實踐進一步加強對理論和知識的掌握。

(4)虛擬仿真與創新創業相結合。學生自由探索,通過虛擬仿真實驗教學平臺開展創新研究,滿足轉化條件的可將項目進一步向創業項目方向轉化。

2.2 虛擬仿真實驗教學平臺建設

在虛擬仿真實驗教學體系的基礎上,整合校內外相關教學資源,加上科學合理的管理,構建多功能、全面開放共享的虛擬仿真實驗共享平臺,這個平臺核心由虛擬仿真實驗教學系統和實驗教學管理系統組成,可以在時間、空間和資源三個維度上實現最大程度的共享。其中多學科融合的虛擬仿真實驗教學平臺包括智能制造類虛擬仿真實驗平臺、自動控制類虛擬仿真實驗平臺、計算機類虛擬仿真實驗平臺。

2.2.1 智能制造類虛擬仿真實驗平臺

智能制造類虛擬仿真實驗教學平臺有兩種。(1)以強化專業基礎能力為主的實踐平臺,包括以制造基礎為主的基礎課程,主要是讓學生掌握機械制造的基礎理論和工藝流程,培養學生的工程意識。以綜合能力培養為主的實踐平臺,包括基于企業實際生產制造環節的實驗教學,能夠使學生體驗企業生產工藝流程的教學內容。(2)以培養學習創新創業能力為主的綜合平臺,由學生團隊完成創新創業項目訓練。

2.2.2 自動控制類虛擬仿真實驗平臺

自動控制類虛擬仿真實驗平臺包括電工電子基礎型實驗平臺、電氣控制綜合型實驗平臺以及創新創業型平臺。電工電子基礎理論課程虛擬仿真實驗,通過虛擬范真實驗提高學生對基礎理論和知識的認知和理解。專業綜合應用虛擬仿真實驗教學,可以進行模塊化組合,供學生完成課程綜合設計,加強學生綜合設計能力。基于工程項目的創新創業實踐層,促進優秀科研項目轉化為實驗教學資源,成熟的轉化為創新創業項目。

2.2.3 計算機類虛擬仿真實驗平臺

計算機虛擬仿真實驗教學平臺包括計算機基礎教學實驗平臺、計算機專業應用實驗平臺和計算機綜合創新創業平臺。計算機基礎教學實驗平臺主要涉及計算機類基礎實驗課程,如大學計算機基礎,通過虛擬仿真實驗教學可以進一步加深對基礎課程的理解。計算機專業應用實驗平臺主要涉及計算機專業實驗課程,如網絡空間安全,通過虛擬仿真實驗教學可以夯實專業技能。計算機綜合創新創業平臺主要包括基于百度云人工智能創新實驗平臺,學生通過平臺可開展各類創新創業實驗及實踐。

3 管理與運行機制

目前大多數高校的虛擬仿真實驗教學資源建設主要是在相關智能部門的指導下,各個二級學院根據學科專業特點及實驗實習實訓需要來規劃,各個學院以項目為單位分頭建設,這導致各項目軟硬件、網絡運行、項目評價、共享服務等方面存在割裂,影響了虛擬仿真實驗教學的未來發展[9]。部分項目前期建設投入成本高,后期維護不及時導致項目停擺。部分虛擬仿真實驗平臺由于技術支撐、服務器容量、平臺穩定性等原因,校內外共享程度較低,平臺利用率不高[10]。此外有些虛擬仿真實驗教學項目資源維護和防護不及時,經常出現網絡攻擊和中毒等問題。虛擬仿真實驗教學項目及資源共建共享對于加強中心建設、深化實驗教學改革、提高人才培養質量具有重要意義[11-12]。因此建設開放共享式的虛擬仿真實驗教學項目及共享平臺,打造成將校內虛擬仿真實驗課程、實驗儀器等教學資源的擴展性、兼容性、集成性融為一體的大型實驗教學資源平臺,滿足跨地域、跨校、跨學科的虛擬仿真實驗教學的需求很有必要。

3.1 平臺管理模式

虛擬仿真實驗平臺實行校院兩級管理和中心主任負責制度。學校對虛擬仿真實驗教學平添的建設、發展、規劃、人事制度、財務制度等進行統一規劃管理。虛擬仿真實驗教學平臺具有以下功能:

(1)綜合管理:實現信息展示、登錄、信息交互等功能。

(2)教學管理:實驗課程管理、實驗教學管理、實驗過程管理監控、實驗結果上報等。

(3)實驗室開放預約管理:校際預約管理、校內預約管理、學院預約管理三級開放預約機制。

(4)數據統計分析:開課統計、虛擬仿真實驗統計、教學成果統計、教學結果統計等。

3.2 開放共享模式

將虛擬仿真實驗教學平臺納入學校綜合門戶信息平臺進行管理和共享,可服務于校內多個學科專業的虛擬仿真實驗課程,利用信息化技術手段可實現24小時開放,校內外師生可隨時隨地訪問,實現校內、校際、校企共建共享。

(1)校內共享:學生可通過平臺在校園網內隨時預約實驗課程,進行在線學習實驗、線上實驗,以及下載實驗資料進行自由探索,教師可24小時查看學生預約情況,在線指導學生實驗,批改實驗報告,將科研項目轉化為實驗項目進一步豐富實驗教學資源庫等,實現校內開放共享。

(2)校際共享:通過虛擬服務器及信息技術,可提供預約接口,兄弟高校可通過網絡提出預約申請,平臺管理員將視內部時間予以安排,實現校內外全面共建共享。同時各個高校可以將各自已建設的虛擬仿真實驗課程資源嫁接到對方學校,實現校際的廣泛交流。

(3)校企共享:虛擬仿真實驗平臺及虛擬仿真實驗中心的相關資源也可為企業的工程設計、產品研發提供服務,企業的橫向合作項目也可通過虛擬仿真實驗中心給學生提供實習實訓、創新創業的機會,形成產學研協同育人合作,達到校企共享。此外可以成為雙方培訓員工的重要基地。

結語

建設虛擬仿真實驗教學項目及資源對提高學生動手實踐能力、創新創業能力具有重要作用。隨著國家建設教育強國對高質量創新創業人才的迫切要求,探索基于創新創業人才培養的跨學科虛擬仿真實驗教學資源是高校實踐教學面臨的一項重要任務。本文分析了目前虛擬仿真實驗教學資源的現狀及存在的問題,按照教育部對虛擬仿真實驗中心建設的要求,提出基于創新創業能力培養的多學科深度交叉融合的虛擬仿真實驗教學資源建設方案和思路,更新理念、做好頂層設計、改變管理模式,實現校內、校際、校企之間的共建共享。該方案可實現學生工程實踐能力和創新創業能力的提高。