虛擬仿真技術在機電類課程教學中的應用研究

徐建亮 徐文俊 李東方 蘭葉深

摘要：高職機電類專業的教學實踐性與專業性都很強，需要投入大量的設備和耗材等。學生操作技能的培養需要通過有效的訓練方能掌握，加上傳統實驗作業工作環境相對較差、勞動強度較大，對于初學者來說有一定的難度。為改善工作條件，節約訓練成本，提高人才培養的質量，衢州職業技術學院在機電類專業人才培養過程中將虛擬仿真設備應用于教學之中，提高了學生的學習積極性，有效地節約了訓練成本。本文通過對機電類課程的教學方式及特點，提出了一些虛擬仿真技術在電工基礎課程教學中的應用策略。

關鍵詞：虛擬仿真技術；課堂教學；電工基礎；改革

1.引言

作為高職院校的機電類專業，其人才培養的目標是培養出面向生產、管理、服務一線需要的高端技能型人才，面向的工作崗位主要有機電一體化裝備和產品的設計、制造、裝配、操作、調試、維修和售后技術服務等，機電行業范圍很大，產品種類很多，而且工種也很多，因此在教學過程中需要學生掌握很多技能。但是，實驗實訓設備畢竟是有限的，這就需要我們探索新的教學方法。

仿真技術是繼數學推理與科學試驗之后認識世界自然規律的第三類基礎方法。虛擬仿真教學是指利用實物和計算機軟件共同模擬出真實的情境，讓學生在模擬的情境下進行探究和學習。這種教學方法生動形象，很接近現實工作場景，有利于提高學生興趣，使學生在短時間內進入相應情境，真實的體驗在現實生活中進行操作的感覺，以達到更快掌握操作技能的目的，而且這種教學方法可以利用計算機軟件的優勢創造出靈活多樣的工作場景，使學生掌握更多的操作技能。

機電類課程的教學，在傳統的教學模式中，理論課與實驗課是分離的，這就導致技能訓練得不到及時的理論指導，而理論課也沒有結合生產、生活實際，這樣導致了學生的技能掌握不到位。隨著教學改革的發展，出現了“項目教學”、“教、學、做”一體化等新型的教學模式，但在這些新的教學模式下采用的技能訓練通常有兩種：第一種是僅限于實驗箱提供的幾個固定實驗，學生只需按圖接好線、按實驗指導書輸入程序就可完成實驗，學生動手機會少，不能真正地參與到學習活動中；第二種是通過制作一些實際的實驗電路板或實物，然后在上面進行安裝、試驗和調試，大大提高了學生的動手能力，但是實際操作時要受到設備數量、品種等方面的限制，而且耗時大，占用課時太多，耗材的消耗量也很大，成本高。

虛擬仿真教學則以其高效率、低成本、內容豐富、性能有效和安全等優勢得到越來越多的應用和推廣。因此應該將“項目教學”、“教、學、做”一體化和虛擬仿真教學的方法結合起來，充分發揮各自的優點，得到更好的教學效果。

2.虛擬仿真實驗室在教學中的作用

打造良好的虛擬實驗平臺，有助提高實驗教學水平。傳統的教學過程中，理論課程教學與課程涉及實驗的教學是分開進行的，上理論課的時候沒有實驗演示。借助虛擬實驗平臺，就可以一邊進行課程的講授一邊進行實驗。教師在上課的過程中，碰到可以通過實驗驗證的理論，借助虛擬仿真實驗技術，通過實驗輔助理論的教學，使得學生更容易理解所學的知識。

通過建立虛擬實驗室，既是完成教學信息化的一個重要環節，又能使得實驗教學有一個本質的提升，跟上國際化的發展步伐，使得學科的優勢能得到充分發揮。虛擬仿真實驗可以提供開放式實驗環境，真真正正實現實驗室向學生長時期開放。學生可以不用受到時間和空間的約束，隨時隨地進行實驗，這樣能較好地培養學生自主創新能力，對學生的學習興趣能起到正面的激發作用。

面對復雜的實驗系統，虛擬實驗室方便搭建規模宏大的實驗平臺。有的課程的實驗會比較復雜，搭建整個實驗平臺需要耗費較長的時間。而在傳統給學生開設的實驗課程中，由于學生人數一般比較多，給每個學生安排的實驗時間都比較有限，在這有限的時間內要完成大型實驗臺的搭建是一件不可能完成的事情，這帶來的后果是大型實驗往往開展起來非常困難。如復雜電路的設計實驗，一般學生進行這樣的實驗需要花費2～3天的時間。學校一般無法給予學生這么長的時間完成一個實驗，迫使取消這樣的實驗或者改為簡單的對結果進行驗證的實驗。針對這樣一個問題，虛擬實驗平臺能給出完美的解決方案，為學生進行大型實驗提供條件，只要學生實時保存搭建實驗過程的實驗流程，該實驗流程可在其他地方打開繼續進行實驗。

3.當前電工基礎教學存在的問題

通過對機電類專業學生的走訪調研，我們總結出了目前電工基礎教學中主要存在的不足：

3.1 教學模式存在不足

（1）在當前的教學模式中，電工基礎的教學，是把理論課與實驗課進行分離的，這就導致了學生在實驗實訓中得不到及時的理論指導，而理論課也沒有與實際生產、生活實際相結合；

（2）教學內容相對陳舊落后。絕大部分教學內容上都是對老教材進行“照本宣科”式的傳授，對當前學科發展的前沿發展，如相關的新知識、新技術等等的更新相對較慢，無法適應電子技術發展更新快的現狀；

（3）教學模式封閉，模仿痕跡比較明顯。就專業知識的基礎而言，專科的學生不如一本、二本的學生扎實。有些高職院校制定的課程教學計劃，沒有結合沒有體現本校學生和教學方面的特點，照搬本科高校的課程培養計劃安排，脫離了實際情況，且課程的門類和內容偏多、偏深；

（4）現代技術手段在教學中應用不多，教學設備和設施比較缺乏，教學方式相對落后，存在著“教師念講義，學生記筆記，考試背筆記，考后都忘記”的現象；

（5）使用同本科院校一樣的教材、教案給專科的學生授課，而且教學方法刻板，缺乏創新性；同時，新上崗年輕教師授課缺乏經驗與方法，教學效果較差。

3.2 實驗設備難以滿足需求

原有的傳統實驗室，無論是在空間還是時間上都無法滿足大量學生同時進行實驗的要求，實踐教學體系的建立不完善，實踐教學條件缺失，實驗室開放程度不夠，學生的實驗實訓不能貫穿專業課教學的全過程；二是電子技術實驗實訓中，一些項目如模擬電子、數字電子等實訓，仍采用較為舊式的實驗課程，難以與當前的教育教學同步；三是某些實訓項目的原材料損耗、工具及設備的損傷較大。以上原因都會導致高職院校電工基礎的教學質量。雖然近年來，各大高校都大力加強校內實訓基地建設，實訓條件日臻完善，但是實驗教學仍然存在前所未有的挑戰。

因此，針對目前電力電工基礎的教學方式進行深化改革很有必要，本文把一體化教學方式和虛擬仿真技術相結合，提出了一種基于“教、學、做”一體化的虛擬仿真技術教學方案。

4.虛擬仿真技術在電工基礎教學中應用現狀

4.1 虛擬仿真技術概述

虛擬仿真技術最先是由美國的學者提出的。在上世紀80年代期間，美國VPL公司創建人之一杰倫·拉尼爾提出了虛擬仿真的概念，實驗者借助設備與虛擬環境中的研究對象進行互動，產生出身臨其境的感受與體驗。虛擬仿真技術是當前人類認識和探索自然界客觀規律的重要手段之一，而隨著電子計算機技術的不斷發展，虛擬仿真技術也在不斷地革新和進步，目前，虛擬仿真技術已經成為數學推理、科學實驗之后，人類認識自然界客觀規律的第三類基本方法。

4.2 在電工基礎教學中使用虛擬仿真技術的必要性

（1）電工基礎課是理論性強而又抽象的一門專業課，學好電工基礎課，為今后輕松學習其它電子專業知識，以及從事電子類的生產和科研提供了條件。但是專科的學生一般文化基礎課程比較薄弱，理論分析比較困難，較偏向于動手操作或接受直觀性比較強的知識點。因此用相應的仿真軟件來進行輔助教學，有助于學生理解課本中的知識點，能讓抽象知識直觀化，使實踐與理論更好地融合，引導學生進行系統觀察。

（2）實驗實訓教學是電工基礎的學習過程中，培養學生實踐能力與創新能力的重要方法，通過實驗可以對理論課程進行科學驗證，讓學生加深理論知識的理解，同時通過實驗培養學生的創新意識和科學嚴謹的作風。但是，有些實驗實訓耗時、耗力、耗物、耗財以及不可逆、不可重復等缺點。虛擬仿真技術恰恰可以彌補這方面的不足，輔助實驗。因此，我們要鼓勵學生對所做實驗進行虛擬模擬研究，引導學生主動進行擴展研究，這樣更有利于培養出具有創新精神和實踐能力的人才。

（3）當前很多的實驗實訓內容僵化，學生只要按部就班地按照實驗步驟就可以完成實驗內容，只能滿足學生的考試及認識需求，缺乏創新創造能力的培養。我們要學生在感知認識的基礎上，讓他們從中獲取知識、技能并培養其觀察能力。采用虛擬仿真技術的教學對培養學生的綜合運用能力、排除電路故障能力以及開發創新能力有著極其重要意義。

因此，把虛擬仿真技術加入電工基礎教學中十分必要，對學生進行系統的專業知識學習也具有重要的意義。

4.3虛擬仿真技術在電工基礎中的應用

虛擬仿真技術已經發展到了一個較為成熟的階段，其在各個領域都有著廣泛應用，在教育領域也是如此，尤其在電子技術這種實踐性非常強的課程中，虛擬仿真技術已經成為了輔助教學的重要工具。目前常用的電力電子模擬電路仿真軟件大體可以分為以下幾類，一類是利用包括有詳細器件模型的通用電路仿真軟件如SPICE，SABER進行電力電子電路仿真。另一些比如CAD、PCAD、Protel、Multisim、MATLAB等等仿真軟件在電子技術虛擬仿真中也得到廣泛的應用。其中Multisim以其界面直觀、操作方便、電路元件庫豐富和虛擬電子的設備種類齊全等等優點，成為了目前課程教學中較為認可的仿真軟件。

5.虛擬仿真技術在電工基礎教學中的應用策略

虛擬仿真技術在電子技術教學中的應用，可以通過將虛擬仿真技術引入到課堂教學中，激發學生的學習興趣創設仿真電子技術教學實驗，增強學生的實踐操作能力，同時與企業開展虛擬項目合作實驗等方式來開展教學活動。

5.1將虛擬仿真技術引進課堂

在傳統的電工基礎教學過程中，教師較為注重對學生理論知識的傳授，而忽視了實踐技能指導可提升學生電子技術操作能力。單純的電子技術理論知識教學，一般都是對一些原理和公式進行推導得出結論，但是在這種教學模式下，基礎不扎實的學生可能會出現脫節，進而產生一定的厭學情緒，無法將注意力完全集中在電子技術學習活動當中。而將虛擬仿真技術引入電工基礎教學中，能夠改善傳統的教學方式中單一、枯燥的教學氛圍，更加關注學生的實踐體驗，讓學生在實踐中獲得更多的知識，并可以培養學生形成獨立的思維和創新意識。虛擬仿真技術能夠使學生在一個仿真的情境下，進行電子電路的實驗和操作，這種教學模式能夠為學生帶來更多的電子技術學習體驗，使學生把理論知識和實踐操作相結合起來，不斷豐富學生的理論知識體系； 借助理論知識的學習，不斷提升學生的實踐操作能力。

電工基礎理論知識教學中，需要通過實際展示才能夠加深學生對電子技術理論知識的理解，從而為接下來的課程內容教學和教學實踐活動打下堅實的基礎。然而，如果一味通過實驗操作展現，不僅會浪費大量的時間，同時材料的消耗也是一個問題，虛擬仿真技術能夠完美地解決這一問題，通過將虛擬仿真技術引入到電工基礎教學中，通過虛擬仿真軟件進行仿真模擬實驗，將抽象化的內容變得相對直觀明了，深化學生對電子技術知識的理解與掌握。

5.2創設仿真電子技術教學實驗，增強學生的實踐操作能力

實踐是檢驗真理的唯一標準，只有通過理論與實踐相結合才能更好的研究一門科學。在電工基礎教學中，教師可以借助虛擬仿真技術，引導學生在模擬的場景中，進行電子電路的實驗和操作，因此，創設電子技術的仿真實驗的教學也相當重要。在平時的課程教學上加入仿真展示還是遠遠不夠的，最重要的是要學生自己學會這種研究方式，通過創設對應的仿真技術教學和實驗教學可以幫助學生更好的學到虛擬仿真這種研究方式，培養獨立的思維模式和創新能力。這種模式能夠為學生帶來更多的電工基礎學習體驗，在電工基礎的實驗過程當中，提升學生的實踐操作能力，電工基礎教學實驗中，教師可以結合學生的性格特點和電工基礎教學的特點進行教學實驗活動的創新，將虛擬仿真技術融入電工基礎的教學活動當中。

5.3校企合作，共建更高水平的虛擬仿真實驗、實訓基地

要使得學生專業能力全面均衡的發展，不僅僅要指導學生學習電子技術，掌握電子技術，更加需要通過一定的電工基礎教學活動，提升中職學生的綜合能力和綜合素養。高職院校教學質量的提高，離不開高水平的教學條件和教學設備的支持，而且這些教學環境必須與企業真實工作場景相似，因此在有限的時間、有限的條件下讓學生接觸到更多工作場景就顯得尤為重要。

虛擬仿真教學具有較強的擴展性和較大的開放性，能夠提供靈活多樣的工作場景。因此，可以通過與企業密切合作，打造更多更真實的工作場景，有助于學生技能的掌握。比如，和企業一起建設虛擬仿真實驗基地，讓學生更早的接觸到與實際項目相接近的仿真實驗，更有利于學生把所學的專業知識合理高效的與實際相結合，并且能把企業的實驗風險降到最低，有利于針對性的培養相關方向的人才。

6.結束語

虛擬仿真技術在電子技術教學中的應用，符合電工基礎教學的特點，創新了當前電子技術教學的模式，提升了學生的電子技術綜合能力，在電子技術教學中的應用中，可以通過將虛擬引進課堂，創設仿真電子技術教學實驗以及和企業合作，共建更高水平的虛擬仿真實驗、實訓基地等方式進行探索，進而提升學生專業能力的綜合素養，為學生未來的工作和研究奠定良好的基礎。

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基金資助：衢州職業學院課改一般項目（KGXM201617）；衢州職業技術學院慕課項目（Mooc201714）。