基于虛擬實驗平臺的大學(xué)生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的研究

程立英 趙以恒 張志美 張浩華 劉玲

摘 要：該文針對大學(xué)生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的現(xiàn)狀，結(jié)合《數(shù)字電子技術(shù)實驗》和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目實施的具體情況，研究虛擬實驗平臺在學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的應(yīng)用，并將虛擬實驗與實物實踐相結(jié)合的方式應(yīng)用于大學(xué)生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)中，不僅提高了學(xué)生探索實驗的興趣，激發(fā)學(xué)生自主創(chuàng)新意識，而且更全面地培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維模式，提高了大學(xué)生解決實際問題的能力。

關(guān)鍵詞：虛擬實驗 實驗教學(xué) 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目 創(chuàng)新實踐

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（c）-0216-01

深化教育體制改革，大力開展創(chuàng)新型教育，培養(yǎng)創(chuàng)新人才已成為當(dāng)前高等教育改革的重點。大學(xué)生課內(nèi)實驗和課外參與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目（以下簡稱為“大創(chuàng)”項目）是學(xué)生在校期間參與實踐的主要途徑，對培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識、分析問題和解決問題能力有著不可替代的作用。但由于學(xué)校資金、設(shè)備受限，以虛擬仿真技術(shù)為支撐的虛擬實驗逐漸成為大學(xué)生實踐技能培養(yǎng)的熱點[1]。如何充分利用現(xiàn)有資源，根據(jù)學(xué)生及社會需求，將虛擬實驗和實物實驗相結(jié)合，實現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)是當(dāng)前大學(xué)生實踐中亟待解決的問題。該文結(jié)合《數(shù)字電子技術(shù)實驗》教學(xué)和“大創(chuàng)”項目實施，基于現(xiàn)有實踐資源，引入虛擬仿真技術(shù)建立虛實結(jié)合的實踐平臺，開展多層次的實驗課程和創(chuàng)新實踐，為學(xué)生提供了更完善、更有利于自主創(chuàng)新實踐的平臺。

1 大學(xué)生實踐環(huán)節(jié)的現(xiàn)狀分析

1.1 傳統(tǒng)的實踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)模式

現(xiàn)有的實驗課堂教學(xué)大多采用“課前預(yù)習(xí)—課中操作—課后報告”的形式，預(yù)習(xí)時，學(xué)時只是被動地通過書本描述，了解實驗內(nèi)容；課堂操作時，由于儀器設(shè)備老化、所用元器件損壞等因素，在實驗中經(jīng)常出現(xiàn)異常，學(xué)生要把大量時間和精力花費在排除故障上；課后，學(xué)生沒有機(jī)會重新操作，使得實驗分析只能停留在理論層次。在現(xiàn)在倡導(dǎo)自主創(chuàng)新精神下實施的“大創(chuàng)”項目，旨在通過項目研究的形式，系統(tǒng)訓(xùn)練大學(xué)生的科研素質(zhì)、科學(xué)思維和創(chuàng)新精神，提高學(xué)生解決實際問題的能力[2]，但由于設(shè)備經(jīng)費和實踐場地受限等原因，并不能保證對每名成員提出的方案進(jìn)行實驗，因此，學(xué)生創(chuàng)新意識的激發(fā)不能全面地展開。

可見，傳統(tǒng)的實踐能力培養(yǎng)模式在一定程度上抹殺了學(xué)生探索實驗的興趣，阻礙了學(xué)生創(chuàng)新的追求。

1.2 虛擬實驗的特點

虛擬實驗是指綜合運(yùn)用多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實及相關(guān)仿真技術(shù)而產(chǎn)生和發(fā)展的一種實驗?zāi)Ｊ健３浞掷锰摂M實驗平臺，不僅可以節(jié)約實驗開支，擺脫時間和空間的限制，而且可以因材施教，對學(xué)生實施多目標(biāo)、分層次地管理。目前很多高校和公司結(jié)合相關(guān)課程實踐特點及教學(xué)需求建立了虛擬實驗系統(tǒng)[3-4]。

2 虛擬實驗平臺在大學(xué)生創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)的應(yīng)用

2.1 虛擬實驗在分級實驗教學(xué)的應(yīng)用

針對實驗課程特點和學(xué)生個體的差異，采用多層次分級實驗教學(xué)模式，結(jié)合實物實驗與虛擬實驗優(yōu)勢互補(bǔ)，以數(shù)字電子技術(shù)實驗為例構(gòu)建了虛實結(jié)合的實驗平臺[5]。學(xué)生在實驗平臺中進(jìn)行訓(xùn)練，在課前預(yù)習(xí)和課后拓展中，可以采用Multisim、MATLAB等仿真軟件實現(xiàn)電路的搭建并仿真實驗，直觀地觀測到相應(yīng)的實驗現(xiàn)象。

2.2 虛擬實驗在大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目中的應(yīng)用

在實施國家級“大創(chuàng)”項目“智能導(dǎo)盲機(jī)器人的設(shè)計與研制”時，考慮購買樂高套件的成本、學(xué)生設(shè)計機(jī)器人機(jī)構(gòu)的合理性等問題，項目組首先利用MATLAB中Simulink 3D Animation工具箱，根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計方案，建立機(jī)器人的3D模型，并利用Simulink建立相應(yīng)的模塊，調(diào)整其中的參數(shù)，可以直觀形象地觀測到機(jī)器人的不同狀態(tài)，虛擬界面如圖1所示。在對設(shè)計方案進(jìn)行論證基礎(chǔ)上，搭建實物機(jī)器人如圖2所示。

在此項目實施過程中，通過利用虛擬實驗平臺不僅節(jié)約了成本，提高了效率，而且提高了學(xué)生的理論與實踐結(jié)合運(yùn)用能力，最大程度地激發(fā)了學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計的潛能。

3 結(jié)語

該文提出了將虛擬實驗平臺與實物實踐優(yōu)勢互補(bǔ)的應(yīng)用于大學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)，并在實際實驗教學(xué)與“大創(chuàng)”項目中進(jìn)行了應(yīng)用，不僅減少了儀器設(shè)備的開支，提高了學(xué)生實驗的興趣，激發(fā)了創(chuàng)新意識，而且更全面地培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維模式，提高了大學(xué)生解決實際問題的能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱韶平.虛擬實驗室在大學(xué)創(chuàng)新實踐教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].懷化學(xué)院學(xué)報，2013，32（11）：94-96.

[2] 侍松門，莊亞勤.關(guān)于大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目的思考[J].黑龍江教育：高教研究與評估版，2014（7）：44-46.

[3] 張玲，王曉平，陸劍峰.基于虛擬實驗的虛擬實驗器件建模[J].機(jī)電一體化，2010（7）：44-46.

[4] 李林.基于現(xiàn)代教育技術(shù)的電路虛擬實驗系統(tǒng)[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2009，l7（6）：51-52，57.

[5] 程立英，張志美，魏春娟，等.虛擬實驗在分級實驗教學(xué)中的應(yīng)用探究[J].沈陽師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，29（2）：326-329.