新工科下電氣類虛擬仿真實驗中心建設的探討

劉海珊 劉瑾 李洪芹

摘要：高教部指出虛擬仿真實驗教學是一種全新的、融合的實驗教學模式。文章分析了當前電氣類實驗教學現狀，從實驗教學現狀、建設的必要性、目的及中心應具備的特點展開討論，明確了虛擬仿真實驗室應以學生為本，以信息化教學為模式進而共享優質實驗教學資源。

關鍵詞：虛擬仿真;電氣;信息化

中圖分類號：G647 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2020）14-0383-02

一、引言

中國本科教育當前已經進入了新時代，比如教育部制定了“雙萬”計劃，為全面整頓本科教學秩序：淘汰“水課”、打造“金課”、取消清考等，所有措施都明確了本科教育的地位。而今，教育部大力推崇和發展的示范性虛擬仿真實驗教學項目，落實到各高校則是以學院相關專業課程為建設主體。協同企業的研發和創新能力，系統地建設與整合虛擬仿真實驗的優質教學資源，服務于教師和學生。

按照學科專業的需求，建設虛擬仿真實驗室，其建設成果更體現了高校對自主知識產權的開發，并可網絡化運行實現資源共享。何為虛擬仿真？其實驗教學資源分為程序和系統兩大類：程序可構建虛擬環境，并實現實時仿真、實時互動的程序;系統則需要終端硬件設備支持。二者共同協作完成虛擬仿真實驗。如何建好電氣類虛擬仿真實驗室，本文就以下幾點展開分析。

二、高校電氣類實驗室特點。

隨著高等院校應用型本科建設的推進，高校由“教學型為主”向“教學科研型并進”改革的深入，高校教師提升科研能力的關鍵場所即為實驗室。當前各高校的電氣類實驗室現狀如下。

1.實驗教學的關注度。現階段各高校人才培養方案中規定實驗學時達到16個學時的課程須獨立設課，凸顯了對實驗教學的重視。人才培養方案對理論課程和實驗課程的差別對待，使學生形成一種重理論輕實驗的思想意識。

2.實驗教學課時不足。根據應用型本科人才培養方案的新要求，各專業理論課程的總學分有所減少，也就意味著教學總課時減少。而實驗課是需要多次實驗操作來驗證的，若減少實驗課時數，則會直接影響實驗教學效果。

3.實驗教學內容需更新完善。在實際教學過程中，各專業的實驗課往往緊密跟隨理論課程，但在實際操作中二者的銜接及實驗課程常出現教學內容不匹配的問題。同時現階段實驗教學內容又受實驗裝置限制，從而容易導致實驗教學內容的重復、脫節。

4.實驗教學條件有待改善。高校要投入大量人力、物力和財力，解決實驗室中的實驗教學儀器和配套設備存在老化等問題。同時實驗室數量有限，面向學生的開放性實驗室嚴重不足，使得學生為迎接各類競賽等開展實驗創新活動場地不夠，實驗教學條件亟待改善。

上述問題的存在，在一定程度上限制了實驗教學質量的提高，更制約了應用型人才的培養。因此，學生創新能力培養和教師教學研究性轉變，亟須對現有的實驗教學模式進行優化，虛擬仿真實驗室則呼之欲出。應以虛擬實驗室建設為契機，更好地發揮實驗教學對創新實踐型人才培養的作用。

三、虛擬仿真實驗室建設的前提

想單純靠硬件儀器來打造高水平的實驗室面臨著隨時落后的危機。現有的基礎實驗設備種類多且數量大，實驗教師的教學與設備管理任務非常繁重。開展虛擬仿真實驗室建設時需注意以下幾點。

1.夯實基礎，緊跟學科前沿。為培養應用型人才，各高校各施所長。以電氣類虛擬仿真實驗室建設為例，電氣類學科是一個傳統領域，但它又與其他學科領域的新技術交叉融合，適應于電氣類專業的虛擬仿真實驗室必須緊跟電氣類專業學科發展的新方向、新動態。

2.人才培養發展的需要。虛擬仿真實驗室的建設要緊密圍繞本專業的人才培養計劃。比如上海工程技術大學已發展成一所學科門類齊全、辦學特色鮮明的應用型本科院校。學校近年來不斷加大人才引進，強化校企結合的創新人才培養模式，深化教學改革，持續提高教育質量。

3.設計課程內容的需要。專業課程是培養人才的關鍵。以電氣工程及其自動化專業為例，該專業學習電氣工程領域的理論、方法及工程應用，課程體系注重強電與弱電結合。現有實驗室大多采取封閉式教學模式，限制了“優化課內，強化課外”的教學意識，缺乏“從概念到產品”的開發訓練。同時，在很多實驗教學環節中都存在高耗能、高危險等不易實現的環節。以虛擬仿真實驗代替強電課程實驗則顯得更為適宜，有效解決傳統實驗平臺建設周期長、投入大、后期實驗儀器性能老化、設備維護不到位等問題。

4.師資力量提升的需要。要培養學生的創造力，師資隊伍建設必須先行。創新思維的前提是實驗環境的豐富資源，基于硬件的實驗平臺顯然受到制約。虛擬仿真實驗室借助網絡化教學模式，轉化為開放式實驗室，可以改善傳統實驗室的時間和空間的局限性，吸引學生根據自身的愛好、專業興趣自主選擇實驗內容，有效拓展實驗渠道，豐富課外學習內容。所以，建立虛擬仿真實驗室是擺在電氣類實驗室面前的一個嶄新課題。

四、虛擬實驗室建設的目標

電氣類虛擬仿真實驗室的建設應融合現代電氣技術、虛擬仿真實驗技術、網絡技術于一體。構建以電氣類學科基礎課程為教學內容的虛擬仿真實驗室，既可以構建校內共享的在線虛擬教學與實驗實訓的“理、虛、實、訓”一體化的學習環境，又有利于推動培養學生的創新精神、提升學生的實踐能力。同時，提升高校實踐教學信息化和資源開發共享水平，推進區域經濟發展方式轉變。適應于電氣類虛擬仿真實驗室應具備的特點如下。

1.多樣化。教學資源傳播網絡化隨著大數據、云計算、“互聯網+”等信息化技術的發展更為突出。虛擬仿真實驗室利用高科技，實現實時網絡課堂，將教學形成一體化課程，學生自主學習。這種多樣性為一體的混合式教學模式，使得傳統以教師為中心的教學模式將退出歷史舞臺。

2.人性化。虛擬仿真實驗教學削弱了時間和空間限制。學生可以根據自身理論學習情況，隨時獲取教學資源。同時實驗系統又可對學生的學習行為、效果與成績進行動態展示與激勵，激發學生的學習熱情。

3.全方位。虛擬仿真實驗不僅支持學科基礎教學課程群，還適合開發支持綜合實驗和設計性實驗。虛擬仿真實驗融合多種新技術，形成集仿真技術于一體的教學資源庫來支持多種教學類型。隨著教學的深入，教師可不斷將自己的教學成果添加到系統中。

五、結論

虛擬仿真實驗室的出現符合新工科教育教學：教學方式由以“教”為主的傳統模式進入更具創新性和挑戰性的以“學”為主的模式。推動虛擬仿真實驗室建立，通過網絡化的理論學習，身臨其境的虛擬仿真實驗從軟件到硬件，從產品概念到設計完成，從虛擬到現實，實現了整個電氣技術探究過程。以激發教師的研發與創新能力，培養學生自主學習和管理的能力，踐行著“理”“虛”“實”一體化教學理念，實現以現代信息技術推動高等教育教學質量提升的“變軌超車”。

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Abstract：The Ministry of Higher Education has given an important directions：virtual simulation experiment teaching is a suitable model.This paper first analyses the current situation of electrical experiment teaching，and then discusses the current situation of experimental teaching，the necessity of construction，the purpose and the characteristics of the center.It is clear that virtual simulation laboratory is student-oriented and take information-based teaching as the mode to realize sharing of high-quality experimental teaching resources.

Key words：virtual simulation;electrical;information technology