淺析高職院校虛擬仿真實驗教學模式

李冬 李敏 馮喬

高職教育的重要特征是具有鮮明的職業崗位針對性，實訓教學是高職院校教學過程中的重要環節。目前國內高職院校辦學規模擴大的速度迅速加快，但是教學經費不能隨著辦學規模的擴大而同比增加，這進一步加劇了實驗資源短缺。另外，隨著科學技術的發展和教學改革的需要，原有的實驗技術和設備由于陳舊老化等原因不能滿足實驗教學的要求，符合要求的實驗設備因價錢昂貴而只能配備很少套，而且原有的實驗教學系統不利于學生與教師的互動。基于以上情況，積極探索實踐教學的新途徑，改革實驗體系，革新實驗手段也就勢在必行。

虛擬技術在軟件技術和計算機技術不斷提高的基礎上，廣泛應用到教學和科研的很多領域。虛擬仿真教學能直接有效地提高學生的技能水平，具有多感知性、沉浸性、交互性、構想性等理念。這些特點有益于高職院校的工學結合的項目式教學，為解決高職教育面臨的教學培養目標與學生就業相掛鉤開辟了一條新思路。國內外學者一直不斷地研究與探索新的實驗教學方法，因此虛擬實驗室就在此基礎上應運而生了。

虛擬實驗室的發展是一個控制虛擬設備至物理設備的過程，虛擬實驗室在科研與其他創造性活動中，為了創造及獲取成果，利用分散的信息和通信技術，進行遠距離合作和實驗的一種電子協作組。為了達到與在普通實驗室中相同的實驗效果，實驗者通過網絡發送指令給服務器端控制的實際設備或者仿真對象，并且可以通過圖表、動畫等形式的實驗結果反饋給用戶，實驗者可以在計算機終端自由地學習有關實驗內容并進行實驗。利用計算機在虛擬實驗室做實驗，避免了傳統實驗對實驗地點和實驗時間的限制要求。

一、虛擬仿真實訓教學的意義

我國職業教育正處于發展階段，還存在許多薄弱環節，如何能把最新、最實用的技術有效地傳授給學生，是職業教學迫切要考慮的問題，而虛擬仿真技術作為一種新興的教學媒體正好迎合了職業教育的要求。

1.虛擬仿真實訓教學有利于提高學生的學習興趣。職業教育要突出真實環境，沒有設備一切都是空談。虛擬仿真技術采用計算機作為傳播工具，開發一些優秀的輔助教學軟件，可以根據實際設備和工程情況進行教學情景創設、互動來組織教學活動。虛擬仿真實訓教學環境創設多種情景，采用三維動畫模型，添加豐富的色彩和音樂，將“大型的設備”搬上了課堂，真正實現理論和實際的有機結合，這樣的教學環境更有效地激發了學生的學習興趣。學生在學習過程中針對真實設備通過虛擬系統建立模型的同時，可以直接觀察到虛擬環境所產生的和真實設備相同的結果，從而使實驗教學模式得到了革新，具有形象生動、交互性、反饋實時等明顯的優勢，并使學生的創造性思維得到了提高，培養了學生的主動性和創新性。因此，虛擬仿真實驗教學模式增強了學生自主學習的能力，對學生在學校就能提前熟悉企業的現場環境和真實設備，熟練掌握職業崗位技能起到了很好的效果。

2.虛擬仿真實訓教學有利于降低教學成本。信息技術迅猛發展，傳統的教學媒介在學校教育中通常存在滯后性。教育的普及和教學技術的更新需要一定的條件，比如硬件資源的配備和師資條件是否達到要求。為了加快教學技術發展進程，學校通常會淘汰一些硬件設備和教學儀器，而這些教學資源和實訓教學媒介其實沒用多久，但是因技術上的革新和教學改革而面臨“下崗”，高職院校實驗設備的改造和教學資源的升級，只能通過購買新設備的方式來進行解決。這種對老設備采取全部淘汰的狀況既造成有限教學資源的浪費，學校也會因為資金問題不能立馬投資新設備，最終使教學改革不能持續，教學過程處于陳舊老套的狀態。建立虛擬仿真實訓室則可以使實驗設備重復利用，實驗室改造和升級也僅取決于電腦和軟件的改進與升級，原來老設備等硬件資源也可以結合使用。虛擬仿真系統的最大特點是不需要實驗耗材，且可以反復實踐教學內容，有效降低了學校在實驗設備的資金投入，虛擬仿真實驗具有先進性、共享性、易擴充性和易于改進等特點，在虛擬的環境中實現了課程改革和教學內容的創新，滿足不斷變化的教學改革需求，學生職業技能的培養目標也能及時跟上時代新技術的發展。

二、虛擬實驗教學的研究目標與內容

高職教育課程的特點就是實踐性非常強，面向工程的應用，只有通過實驗進行操作，才能真正掌握應用技術。在高職院校現行的實踐教學中，工程項目中典型的被控對象都具有體積大、價格昂貴、維護困難等特點，而且一套設備能容納的學生數也有限，實驗方案的改造與創新都比較困難，難以滿足教學改革要求，影響培養質量。

建立一種新的實驗教學模式，加強實訓基地的內涵建設，充分發揮實訓基地的作用，突出學生創新、開發技能的培養，將學院實訓基地建設成應用研究的平臺和職業技能培訓的基地。

1.研究目標。針對各類課程，建立虛擬實驗系統，充分利用有效的計算機資源，完成一些開放性和設計性實驗，把這些教學新手段逐步融入課程教學中，這也將是課程改革的發展趨勢。在探索課程實踐教學方法及模式的同時，培養學生綜合設計和操作能力，提高工程技術素質。具體而言，研究目標包括：（1）構建課程虛擬實驗系統，例如針對機電、自動化和電子專業，主要包括電工、電子、單片機課程；可編程控制器的應用、電力電子和電機等課程。（2）教師所能達到的職業技能要求；需要教師自身的知識、能力方面有較大的提高，尤其是動手操作能力和解決實際問題的能力要有大的提高，并且要求過硬的計算機軟件應用能力。（3）要確立教師主導、學生主體地位，做到教、學、做有機結合。激發學生的主動學習精神，培養學生探究真理的良好習慣和克服困難、解決問題的主動精神與創新意識。（4）課程中針對相關課程的開發系統的教學和項目的具體實施。

2.研究內容。針對各門課程的實驗系統進行了項目開發并編寫仿真實驗指導書，另外在課程實踐教學中逐步實施。項目開發主要根據原有實驗項目，通過不同的仿真軟件對實驗項目進行虛擬仿真，通過多種應用軟件開發系統進行虛擬動畫仿真，最終還要引導學生畢業設計時結合實際課題，采用虛擬仿真技術進行仿真實現。

三、采用虛擬仿真技術的優勢

虛擬實驗系統不僅可以作為真實實驗的前期準備工作，而且可以在一定程度上替代傳統的試驗。與傳統試驗相比，它具有明顯的優勢。

1.大幅度減少樣機實驗次數，縮短創新實驗的開發研究周期，降低實際實驗費用。采用虛擬仿真，可以做全部的軟件實驗和大部分的硬件實驗，彌補了設備不全導致不能實現的項目。例如，在電工電子實驗教學中涉及電阻、電容、電感的等多種元器件，實驗中也常常需要調整某一元件的參數進行電路調試，而實驗室不可能備全各種參數的元器件，不斷地更換元件，會使電路板使用壽命縮短，這時，如果使用虛擬仿真軟件進行電路連接實驗，既方便實驗，又可以不斷地調整電路參數。

2.虛擬實驗系統不受場地，時間和次數的限制，彌補沒有真實設備的直觀效果。當前的可編程課程教學都采用項目式教學，項目大都來源于企業實際的設備控制單元。比如，液位控制系統小車的往返運動等。實際上大部分學校實驗室沒有水泵、小車等設備，那就不能真實看到液位升降的效果和小車的運行過程。通過MCGS組態軟件進行仿真運行，可以實時觀察水罐水位的升降和具體的液位參數，并可以設置高低極限液位參數并報警，也可以看到小車的動作過程。另外，虛擬實驗代替實際實驗，可以不受場地、環境和時間、次數的約束，可對實驗過程進行回放、再現和重復。

3.虛擬仿真避免學生由于在實驗電路中的過失而引起元器件和儀器的損壞。又如在電力電子實驗設備中，由于電路大都涉及三相交流電，學生實驗中經常會接錯線路而導致設備上元器件的損壞，而且元器件固定在設備中，參數就定死了；另外在信號檢測時，雙蹤示波器同時檢測兩路信號，由于接地信號不共地，如果沒有采取變壓器隔離措施，會導致示波器損壞。采用MatLab軟件，可以通過器件模型并進行參數設置組合各種電路，然后連接各種儀器，實時測量信號，而且能夠改變參數進行實時的信號檢測。對整流、逆變的等電路不同時刻的波形都可以實時監控波形圖。

四、結語

虛擬仿真實驗室投入極少，經濟優勢明顯，不僅可以彌補實驗儀器和元器件缺乏的不足，而且沒有原材料損耗和儀器損壞的問題，實驗調試方便靈活，有助于實驗室的管理。虛擬實驗技術以其低成本、高效能、靈活可靠等特點，將在實驗教學中扮演越來越重要的角色。因此在以后的課程教學中要不斷多開發開放性、創新性的實訓內容；結合實際的工程項目，多開發校企合作項目。另外，如果課題實施要覆蓋全部課程，各門課程的仿真系統都不是同一系統，那對教師提出了更高的要求，要求教師掌握多種仿真開發系統，不斷進行知識更新。