仿真系統在高職教育中的應用研究

孫志倫 王惠

摘? 要 目前我國大部分高等職業院校引入仿真系統以改進傳統教學模式、降低教學成本、提高教學效率、增強教學趣味性。與傳統教學中學生只作為課堂環節中的被動接受者相比，使用仿真系統后，學生由接受者變成參與者，提高了學習積極性。以自動控制理論課程輔助仿真系統為例，論述仿真系統在高職院校課程中的合理應用。

關鍵詞 仿真系統;自動控制理論;職業院校;高職教育;實驗

中圖分類號：TP391.9? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）06-0034-03

Applied Research of Virtual Simulation System in Higher Voca-tional School： Take Automatic Control Theory for Instance//SUN

Zhilun， WANG Hui

Abstract At present， most of higher vocational colleges in China have introduced simulation system to improve the traditional tea-ching mode， reduce teaching cost， improve teaching efficiency and increase teaching interest. It is not only that students who are using the simulation system as the passive recipients in the classroom， but

also the students become the participants through the simulation sys-

tem. Taking an example of the subsidiary automatic simulation sys-

tem in automatic control theory course， the paper presents the ratio-

nal application of the simulation system in vocational college courses.

Key words simulation system; automatic control theory; higher vo-cational colleges; higher vocational education; experiment

1 引言

在職業院校教育中，很多科目由于自身難度較大，加之學生基礎知識比較薄弱，導致教學目標難以達成，而這些專業基礎知識理論又是學生所必須掌握的。以自動控制理論為例，該門課程是高等院校自動化、機電一體化及相關專業的一門重要的主干課與專業基礎課，課程的理論性和系統性極強，數學公式推導和計算較多，如拉普拉斯變換、拉普拉斯反變換、勞斯判據、動態性能指標等，都需要進行大量的推導和計算，其推導過程繁雜難懂。本科學生大都感到該課程內容抽象，難以理解，而高職院校學生由于其基礎理論知識較為薄弱，面對這門課更是無從下手，最后敷衍了事。

針對這種現狀，將虛擬仿真技術應用于自動控制理論課程教學中，用于對自動控制系統的動態過程仿真，通過把課程中的理論性概念及其公式轉換為操作流程界面，并對其內容逐一展開和推導，以此來降低自動控制理論的課程難度，使學生擺脫煩瑣的數學推導，直觀地了解自動控制的原理及特性。

2 虛擬仿真系統的意義

虛擬仿真系統是利用計算機中的仿真軟件編寫程序系統，以達到對真實實驗和理論的模擬與仿真的目的，供學生觀察、了解、操縱、建構其中的對象，使他們獲得類似真實的體驗或者掌握知識理論體系的規律。

人本主義教育學家認為，教育的目標、學習的結果應該是使學生成為具有高度適應性和內在自由性的人。建構主義教育學家認為，教育是以學生為中心，強調學生對知識的主動探索、主動發現和對所學知識意義的主動建構[1]。這兩種學派都強調以學生作為教育的主體，通過激發學生本身的學習積極性和學習興趣為手段，來達到提高學習能力以及完成課堂任務的目的。其區別是建構主義教育學家將學習定義為在一定的情境即社會文化背景下，借助其他人的幫助即通過人際協作活動而實現的意義建構過程;而人本主義教育學家則更重視學習涉及整個人，而不僅僅是為學習者提供事實，也就是說在學習的同時不僅是要達到知識上的提升，同時要完成個人能力上的升華。

虛擬仿真系統可以激發學生的學習熱情，提高學習效率，降低課程難度，讓學生直觀體驗理論知識。這是因為虛擬技術具有沉浸性、交互性、構想性三大特征：沉浸性指人能夠沉浸到計算機系統所創建的環境中，由觀察者變為參與者，成為虛擬現實系統的一部分;交互性指人如同在真實的環境中一樣，能用多種傳感器與多維化信息環境中的虛擬對象發生交互關系;構想性指人能從虛擬環境中得到感性和理性的認識，進而深化概念、產生新意和構想[2]。學生在通過仿真教學系統學習知識內容之后，可以提高個人的自主學習能力，而這種以仿真系統輔助教學的教育方式符合人本主義學習理論。當學生從被動學習轉化為主動學習時，當以學生為中心來構建學習情境時，當學生了解到學習內容與自身需要相關時，他們的學習的積極性最容易激發。在一種具有心理安全感的環境下可以更好地學習，這符合建構主義的教育理念。故使用虛擬仿真系統來促進學生的知識積累和個人學習能力的完善是具有理論依據的。

與普通高校相比，職業院校對學生的理論和公式的理解要求較低，在一些難度較大的知識點上不做過高要求，學生對具體實物和公式會應用即可，即“不求高深，但求實用”。在這種觀念的影響下，虛擬仿真系統成為一種工具，學生只需要按照系統要求的流程逐步操作，即可得到需求的結果。

3 仿真系統對職業院校教育的作用

現階段我國職業教育還存在不少問題。2016年12月，李克強總理對關于加快職業教育發展做了重要批示，要求切實把職業教育擺在更加突出的位置，加快構建現代職業教育體系，堅持面向市場、服務發展、促進就業的辦學方向，進一步深化改革創新，強化產教融合、校企合作，積極鼓勵和支持社會力量參與，努力建成一批高水平的職業學校和骨干專業，加快培育大批具有專業技能與工匠精神的高素質勞動者和人才。

政府大力支持與鼓勵在職業教育中引入虛擬仿真軟件的做法，并在教育資源和教學實踐兩方面提出不同的要求。例如：在教育資源方面，高職教育“要充分利用現代信息技術，開發虛擬工廠、虛擬車間、虛擬工藝、虛擬實驗”，針對各級各類教育的不同需求，遴選和開發1500套虛擬仿真實訓實驗系統;在教學實踐方面，各級各類教育“加強實踐教學，創新仿真實訓資源應用模式，提高使用效益”。

根據從部分期刊和網絡平臺收集到的資料，現階段我國職業教育在政府的大力支持下快速發展，高職院校數量從2014年的1327所增加到2018年的1388所，入學人數和畢業生人數也穩定提升。雖然發展迅速，但存在部分職業院校教學效果不佳，專業教學資源短缺，生師比高，生均教學資源投入不足，專業質量認證機制缺失等問題。限制職業教育發展最嚴重的問題是通過職業教育的畢業學生達不到學校預期要求和企業入職底線，主要有兩方面的原因：一是學校，二是學生。而引進虛擬仿真教學輔助系統，恰對這兩方面都有積極的影響。

在學校方面，現階段職業院校的主要問題是學校所能給學生提供的實訓條件和教授的知識內容無法滿足學生的就業需求?，F在的高職學校教師水平很容易受到學生質疑，一方面是因為很多職業院校難以留住優秀的教師，部分教師雖然在專業知識上達到較高的水平，但并未接觸過專業的教育學培訓，導致課堂上無法清晰說明，難以令學生明白，在一些考驗教師教育功底和教育水平的課程中，這種現象更為嚴重。另一方面，高職學生普遍對學習缺乏興趣，甚至反感學習。作為課程總目標直接面向就業的職業學院，大多數職業院校在文化課上由于課程難度較高、學生基礎較差或不愿學習等原因，無法完成其課堂目標;在實訓課上又因為資金匱乏，實驗裝備和實訓條件無法做第一時間的更新，甚至很多院校的實訓器材種類都無法做到齊全，導致學生無法學到面向企業的技能。這勢必會阻礙職業教育的發展。

針對這種現狀，由于仿真系統的特性，能夠緩解和解決一部分實驗、實訓器材短缺的問題，同時具有輔助教學的功能，提高教師駕馭課堂的能力。通過下載補丁實時更新的仿真系統，能讓學生對部分課程內容和能力進行學習和鍛煉。同時，自主操作系統結合教師課堂講解的教育方式也更能引起學生的興趣。在各類職業院校課程中引入虛擬仿真教學系統，可以幫助職業院校培育具備最新專業技能與工匠精神的高素質勞動者。

在學生方面，高職學生在入學前大多經過了一次失敗的高考，從某種角度來說，他們是應試教育的失敗者，對繼續學習興趣不足;或者可能給自己打上不善于學習的標簽，內心懷疑自己的學習能力。一部分學生因為學習目的不明確而導致動力不足，興致不高;另一部分學生則是自控能力較差，沉迷于網絡、小說或其他興趣愛好，根本無心學習。仿真系統主要針對第一類學生改善學習的積極性，提高學習能力，走出心理障礙;對于第二類學生的學習態度有部分改善作用。

以自動控制理論課程為例，該課程難度較大，且需要實驗儀器進行配套教學，需要對前置課程如高等數學、線性代數、電學等都有一定的基礎才能順利學習，幾乎全部高職院校的學生都難以理解其全部課程內容。當學生在某一課程中完全聽不懂時，會極大地打擊其自尊和學習積極性。但是自動控制理論強調的是物理概念和實際應用，對學生未來從事自動化類型工作有極為重要的作用，不管是現場的實際操作還是產品開發工作，都需要對自動控制理論具備基本的了解。

對學生而言，如果在課程中應用自動控制理論課程輔助仿真系統，可以將課程中抽象的理論和公式通過虛擬仿真軟件直觀地表示出來。學生的學習過程不再是機械記憶教師講解的知識，而是從學習的被動接受者變成主動參與者。通過對系統界面的簡單操作，即可了解自動控制理論的運算過程、運算結果、應用實例等方面的問題，全面提高自動控制理論課程教學效率。同時，通過運用自動控制理論仿真系統，學生在課堂以及課下都能自主完成課程學習和實驗，發揮主體性，在學習過程中能夠自我決定、自我選擇、自我調控、自我評價反思。當完成學習目標后，學生得到的成就感和滿足感也優于傳統授課方式。

通過運用仿真輔助學習系統，學生可以自己輸入變量，通過系統將物理概念以及公式轉換為可見的流程式操作，并以圖像的形式反饋給學生。如在動態系統的微分方程章節，仿真系統可以通過對物理建模的仿真直接將其轉換為微分方程形式的模型，而不需要學生詳細了解物理和電學中的內容，只需要使用系統中現有的公式，即可得到微分方程以及推導過程。以此降低課程內容的難度，并且在系統中通過插入一些小提示幫助學生理解，并集中其注意力，以此調動和誘導學生的學習積極性，令學生養成自主學習的習慣，從而讓職業院校中的學生被動強迫學習、學習積極性不足、注意力分散的情況有所好轉。

對從教者來說，在課程中使用自動控制理論課程輔助仿真系統同樣具有優勢。傳統理論教學往往強調教師的講授，極為考驗教育者的教育功底和水平。教師在教學中主要使用PPT和黑板，結合教材書本的內容進行解釋和補充。使用該系統，可以降低教師在自動控制理論課程中的教學難度。在一些章節中使用該系統功能中的推導和繪圖功能，可以直接得出如微分方程的圖像等學習內容;對一些知識難點，通過編寫系統可以做出注解和例題分析，方便教師對學生進行講解。同時，教師可以將習題和作業導入仿真輔助教學系統中，讓學生在課后仍通過該系統理解知識點和教學內容。

對學校而言，仿真系統可以代替一部分物理實驗，通過輸入預定的數值和流程，可以得到模擬出的仿真結果;若過程有誤則生成錯誤結果，并提示錯誤點。

如果運用傳統模式的教育方法，自動控制理論實驗教學采用在實驗室中模擬電路實驗臺，將集成電路模塊進行連線，形成典型系統，通過示波器觀察響應曲線。實驗室占地面積大，價格較昂貴，且學校內的實驗設備長期工作，可能會造成電容積分飽和，出現實驗誤差，需要對該科目進行較大的硬件投入。在不以自動化相關專業作為主要教學專業的學校中，布置該類型實驗平臺具有一定的資金困難，從而放棄實驗課程。而使用自動控制理論仿真系統，則可以在不耽誤教學進度和質量的前提下，減少一定程度的經費開支。

仿真系統對高職教育的促進作用不僅體現在自動控制原理一門課程中，與此相近的其他課程都可以使用仿真教學系統進行輔助教學，同樣具有良好的效果。

4 結語

誠然，教學仿真系統在現階段還有許多不足之處，其主要任務還是輔助教師進行教學，也不能完全代替傳統實驗和實踐。教育是一個復雜過程，教學系統是一個獨特的復雜系統，具有開放性、不可還原性、非線性與非均衡性等特征。教育自身的復雜性一定程度上制約了系統仿真技術的運用[3]。即便如此，使用教學仿真系統進行教學，依然可以解決現階段高職教育中的很多難題，對促進學生、教師、職業院校乃至社會發展都有重要作用。

1）運用教學仿真系統可以輔助教學，簡化教學難度，增強課堂的趣味性。教師通過運用該虛擬仿真系統，能夠打破傳統的教學模式，從原則到運用，從繁雜到整合，從抽象到實際，逐步實現相關知識的學習操作。

2）職業院校學生使用教學仿真系統進行學習，在理論上也符合人本主義和建構主義教育學思想;在實踐中，仿真系統可以提高學生的學習積極性和自主性，降低學習難度，幫助學生建立自信。

3）高職院?？梢酝ㄟ^各類仿真系統對教學內容進行實時更新，使教學內容跟上社會發展，教學手段與時俱進。同時可以節約教學資金，有助于院校發展。

4）職業院校使用高品質的教學仿真系統，可以為企業和社會培養具備最新專業技能與工匠精神的高素質勞動者。其為社會培養高素質高技能人才的核心理念，符合我國國情以及“中國制造2025”的戰略發展目標。■

參考文獻

[1]彭茜.仿真虛擬實訓系統在中職教學過程作用的實證研究[D].北京：北京理工大學，2015.

[2]陶砂，張天擎.職業院校虛擬仿真實訓資源開發的方法與應用[J].中國教育技術裝備，2012（33）：4-7.

[3]WANG Y， CHEN L. Exploration on Application of Si-mulation in Education[M]//2011 Chinese Conference onSystem Simulation Technology & Application.2011：361-365.