儀器類專業虛擬仿真實驗教學中心的建設思路

廖肖依 馮燁 王美軍 龐立 周龍

[摘 要] 對儀器類專業虛擬仿真實驗教學中心的建設思路進行了具體的分析，主要針對儀器類專業的相關知識、實驗技能以及虛擬仿真實驗教學中心的建設進行探討。通過采取校企合作的方式，站在學科的優勢角度上構建涵蓋基礎教學、專業訓練以及學科前沿技術的多層次的實踐教學平臺，為我國儀器類專業的發展提供堅實的理論基礎。

[關 鍵 詞] 儀器類專業；虛擬仿真實驗；教學中心；建設思路

[中圖分類號] G434 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）22-0152-02

在高等教育信息化建設和教學示范中心建設中，虛擬仿真實驗室教學是其中一個必不可少的部分，現代信息化技術高速發展，學科專業也要隨之不斷完善進步，而虛擬仿真實驗教學就是這兩者高度融合的產物。近年來，我國大力推進國家虛擬仿真實驗教學中心的建設，對該項建設投入了大批資金，將其作為推進科學發展、共享資源規劃的一個關鍵部分，以此來推進各高校實驗教學方式的改革創新。

儀器儀表技術屬于信息技術范疇，主要是針對信息檢測、信息運輸以及信息理論技術等。近幾年，我國計算機網絡技術取得了飛速發展，隨之而來的虛擬仿真技術也取得了明顯進步，將計算機技術融入其中，有效地開拓了虛擬仿真技術中的新領域。以天津大學為例，天津大學目前已經開展了虛擬仿真實驗教學，并進行了光電子國家實驗教學示范中心的建設，在發展現存學科的基礎上，又構建了相對完備的虛擬仿真實驗教學體系，發展至今，效果顯著。

一、儀器類專業虛擬仿真實驗教學體系的特點

許多高校都存在重教學而輕實驗的問題。事實上，教學只是進行理論部分的傳教，而實驗才是將理論落實到實際的過程，這兩者缺一不可，同等重要。具體來說，儀器類專業虛擬仿真實驗教學體系具有以下特點。

（一）成本更低

實驗教學不同于課堂教學，需要有相應的實驗器材作為教學支撐，但對于高校中的儀器類專業來說，實驗器材通常價格昂貴，大批量購置實驗器材為高校帶來了巨大的經濟壓力，因此，許多高校都無法及時開設虛擬仿真實驗教學體系。而新時期，虛擬仿真技術取得了明顯的進步，高校無需花費昂貴的價格購買實驗器材，僅需要在計算機上構建虛擬實驗室，即可為學生營造一個十分真實的實驗環境，學生通過操作虛擬儀器，就可以身臨其境般地完成每一個實驗操作步驟。學生在虛擬仿真實驗教學中心進行實驗操作時，不會消耗實驗器材，也不會受到外界條件的限制，學生可以反復操作，實驗教學的作用可以被最大化。

（二）安全性更高

儀器類專業涉及許多精密的器件，在具體的實驗操作時，一旦出現問題，不僅會對儀器本身造成損壞，嚴重時甚至會對學生的安全帶來威脅。而通過虛擬實驗教學，就有效地規避了這些問題，即便學生在這一過程中出現了失誤的操作，也不會產生嚴重的后果。

（三）作用更強

實驗過程通常較為復雜，高校的學生在進行具體的實驗之前，通常都會提前進行實驗預習。而虛擬仿真實驗教學，不僅可以協助高校學生在實驗之前進行預習，幫助學生充分了解實驗的操作步驟，減少實驗操作摸索的時間，而且對于一些操作難度較大的實驗，學生可以先進行實際操作，再通過虛擬仿真實驗教學系統進行，從而起到有效的復習作用，通過重復進行每一個實驗步驟來消化實驗內容。

（四）實驗效率高

虛擬仿真實驗教學可以有效地幫助學生完成實驗目標，另外，隨著計算機網絡技術的逐步發展，學生不僅可以在校內進行虛擬仿真實驗操作，還可以實現遠程虛擬實驗，高校的教育領域得到了明顯的拓展。構建虛擬仿真實驗教學中心使實驗操作不僅僅局限于實驗室，儀器類專業的學生可以通過網絡隨時進行實驗操作，并且在實驗的過程中可以與其他實驗者進行溝通交流，不僅有效促進了學生之間的共同進步，還可以提高研究效率。

二、構建虛擬仿真實驗教學資源的重要性和必要性

近年來，隨著我國計算機網絡技術的逐步發展，我國的高校教育也步入了一個新的階段。傳統的依靠教師進行知識教學已經無法滿足當前學生獲取知識的要求，計算機已經逐漸成為高校學生學習的一項重要工具。高校面臨實驗教育改革的新問題，而且虛擬仿真實驗教學技術的出現，則有效緩解了高校教育改革過程中面臨的危機。虛擬仿真實驗教學中，虛擬是重點，仿真是實質，教學是目的，通過人機交互的方式，為高校學生創造進行實驗活動的平臺，協助教師完成教學任務，從而達到鍛煉學生實驗動手能力的目的。深究儀器類專業虛擬仿真實驗教學中心建設的重要性，具體體現在以下幾點：

（一）基礎教學理論實踐方面

虛擬仿真實驗是在真實的實驗基礎之上構建的，通過進行虛擬仿真實驗操作，可以有效促進學生對課堂所學知識更為深入地理解。虛擬實驗同實際實驗大致相同，學生可以通過虛擬實驗環境完成與實際實驗一致的實驗操作，虛擬實驗同時也具有更為明確的優勢，儀器類專業的學生完成實驗操作的時間得到了有效的縮減，且在實驗過程中出現的失誤也明顯減少。設備及元器件損壞的情況大幅度減少，且基本不會發生影響學生安全的問題。加之虛擬仿真技術不受外界因素的影響，學生可以隨時隨地進行實驗操作，有效避免了因實驗室不足而造成的學生無法即時進行實驗操作的問題。

（二）專業課程訓練方面

虛擬仿真實驗工具可以供多名學生同一時間進行實驗操作，學生不會受到設備、場地等外界因素的限制，可以有效地實現課堂知識與實驗操作之間的協作運行。另外，虛擬工具設計更能協助學生發現操作過程中的錯誤，且無需耗費實驗資源和器材，學生可以反復進行實驗操作，掌握實驗要點。

（三）學科前沿研究角度

對高校來說，很多時候都需要采用大型的儀器設備來進行實驗教學。大型儀器設備的購入通常需要耗費大量資金，且進行實驗操作時，由于儀器體積過大操作步驟較為繁復，在實驗過程中，不僅要消耗實驗器材和資源，而且設備運行及后期維護的成本支出皆較高。采用虛擬仿真實驗教學方式，不僅可以使學生獲得使用大型儀器設備進行實驗的同等體驗，同時也避免了過多的資金支出，為學科前沿研究的發展打下了堅實的基礎。

三、虛擬仿真實驗教學資源建設的具體方法

（一）構建基礎教學虛擬仿真實驗平臺

虛擬仿真實驗最大的優勢就在于其不受外界因素的限制，高校學生雖然具有較高的素質，但對于一些只經過了短期課堂學習的儀器類專業的學生來說，對實驗的具體操作步驟了解較少，在進行實際性的實驗時通常會手足無措，難以獨立應對。而隨著虛擬仿真實驗技術的不斷發展進步，各項元器件都可以通過實物圖形來呈現，學生在進行具體的實驗時有身臨其境之感，可以切實體會到全方位的基本技能訓練。除此之外，對具有實踐經驗的學生及研究生來說，也可以通過對虛擬仿真實驗技術的調整，來實現針對各方面各專業學生的教學。

（二）構建專業訓練虛擬仿真實驗平臺

虛擬仿真實驗平臺將實際的實驗步驟通過虛擬的方式呈現出來，大量仿真實驗的融合，更有助于儀器類專業學生實際操作意識的培養。虛擬仿真實驗平臺的構建全面利用了信號的控制，對學生綜合能力的培養有著積極作用。

（三）建設學科前沿技術虛擬仿真實驗平臺

隨著我國各項技術的不斷發展進步，傳統的研究成果已經難以滿足新時期各項發展的需求，對虛擬仿真實驗平臺來說也是如此。這就要求高校不斷地將新型的教育成果融入虛擬仿真實驗平臺當中，為學生營造更為良好的實驗環境。

四、共享教學平臺的構建

隨著我國教育水平的不斷發展，虛擬仿真實驗教學資源得到了各高校的廣泛應用。通過利用現代化的信息技術，虛擬仿真實驗教學平臺得到了良性的發展。虛擬仿真實驗教學平臺突破了傳統教學過程中教師與學生的互動教學方式，融入了實驗管理員這一第三角色。系統對于教師、學生以及實驗管理員有針對性地構建了不同的用戶界面，有助于發揮不同角色在虛擬仿真實驗教學平臺運行過程中的不同作用。學生可以通過平臺進行實驗類型的選擇、實驗室的預約、實驗報告的提交以及實驗成績的查詢等操作。教師可以通過平臺進行實驗結果的評定、實驗步驟的指導、實驗資源的發布等操作。此外，實驗管理員可以通過平臺對網絡服務器進行遠程的操控調整。三者之間協同發展，更有助于發揮系統的優勢性。

除此之外，虛擬仿真實驗教學平臺可以對儀器類專業學生的實驗操作數據進行有效的記錄，例如，學生完成實驗的正確率、學生實驗操作的精準度、學生的具體實驗次數等。通過對這些實驗數據進行分析，可以對實驗的難易程度進行合理的分配，有針對性地對各年級的學生分配不同的實驗任務。

綜上所述，隨著我國計算機網絡技術的逐步發展，虛擬仿真實驗教學中心的建設已經成為各高校校園建設過程中的一個關鍵性部分。經過一段時間的發展，虛擬仿真實驗教學中心的建設已經取得了一定的成果，但其中仍然存在一系列有待解決的問題。這就要求各高校在進行儀器類虛擬仿真實驗教學中心的建設時能立足于學生的專業知識體系，以提升實驗教學效果為目的，構建虛擬與真實相結合、教學與科研一體化的綜合性實驗教學體系。將虛擬實驗教學平臺與生產實踐平臺相結合，一方面可以切實提升學生具體操作實驗的能力，另一方面也更有助于學生將課堂學習的知識落實到實踐當中，從而有效解決儀器類專業學生在學習過程中所面臨的各項問題。高校在進行虛擬仿真實驗教學中心的構建時，應當充分利用學院與企業合作的優勢，為高校各專業的發展開辟更為全面的新型教學模式，同時為儀器類專業的良性發展起到推進性作用。

參考文獻：

[1]李平，李晶杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013，32（11）：5-8.

[2]畢玉玲，曾周末，趙學虹.搞好實驗教學中心建設促進實驗教學中心改革深入發展[J].實驗室科學，2005，8（3）：1-3.

[3]王曉迪.虛擬仿真實驗教學中心建設中八項關系的理解與探討[J].實驗技術與管理，2014，31（8）：9-11.

[4]王衛國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J].實驗室研究與探索，2013，32（12）：5-8.