虛擬實驗室助力高職院校實訓課堂建設研究

于婷婷，趙良吉

(濰坊工程職業學院，山東 青州 262500)

1 研究背景及現狀

隨著國家經濟的快速發展，高素質、高品質的技能崗位對人才的需求越來越旺盛。這些都要求高職院校加大對高水平、技能型人才的培養規格和力度。在職業院校中，尤其是高職院校的工科專業，實訓課程占比非常高。相比較高等院校的學生，職業院校的學生大部分的工作崗位是生產一線，所以對學生技能的掌握比理論知識的研究要更高一些。近年來，國家出臺了一系列政策，充分說明高職院校的教學改革必須立即進行，這就包含實訓課程教學改革。早在20世紀90年代初，我國的高校教師開始探索實訓課程的改革辦法，為了促進實訓課堂信息化水平提升，國內部分高校提出應用仿真軟件在實驗中可以發揮較好的作用，創立了基于電路仿真的虛擬技術仿真實驗室。例如上海交通大學和清華大學走在改革的前端，率先建立了虛擬校園模型，并加入了虛擬實驗室和虛擬圖書館，提出陳舊模式的“填鴨式”實踐教學方法已經不能滿足現代社會對學生的需求和期望，還會降低學生的學習興趣，單一的實驗手段和實驗方法及實驗數據造成了千篇一律的實驗報告，學生的創新性思維受到了限制，不利于學生個性化發展。

在理工科專業中，實驗實訓設備需要投入很大的資金，與此相關的維護保養費用也非常高，所以大部分高校只能選擇減少相關設備投入。在實訓課堂上存在授課教師在一臺實訓設備前演示，所有學生圍著看，邊看邊忘印象不深刻，等到學生獨立操作的時候很可能已經忘記操作流程，學習效率低下。尤其是機電類課程具有一定的危險性，對于220 V或者380 V的電壓相關知識，教師處于安全考慮只是理論性講解，學生看不到直觀的效果，學習的理論知識得不到檢驗，學習效果較差，應掌握的知識和技能沒有妥善掌握，浪費了學習時間和學生精力。

從企業方面來看，企業需要的是掌握先進技術的人才，企業設備更新換代較快，與之相反的是高職院校用于實訓教學的設備配備數量不足、老舊陳舊可操作性差，導致學生的動手實踐能力與企業用人需求有著非常大的差異。畢業后的學生到企業任職，不能直接上崗工作，對新的技術和設備不適應，需要進行長時間的再培訓。這樣會使企業對高職院校培訓的人才產生質疑，降低了高職院校在企業中的信譽。

2 建設虛擬實訓課堂的方案

2.1 條件準備

高職院校要制定相關的文件和導向，為實訓教學的改革和創新提供政策、資金支持。硬件方面，學校需要出資配備滿足學生進行實訓的相關實驗設備、多媒體智能教室、計算機等硬件設施；軟件方面，學校需要購買用于相關課程實驗教學的針對性仿真軟件。同時，學校要經常組織任課教師進行相應教學硬件和軟件操作的培訓。

大部分職業院校教師都是直接從大學畢業從事教學工作，“雙師型”教師較少，也沒有企業的實踐鍛煉機會。因此，教師要到企業去鍛煉，深入到技術一線，增加自身的技能教學經驗，任課前還需要集中培訓熟練掌握相關實訓設備和仿真軟件的使用，會應用多媒體課件和現代化教學手段輔助教學。課程開始之前要求學生掌握一定的電腦操作技術，改變原有的學習觀念，會利用互聯網獲取相關知識。

2.2 建設內容

2.2.1 課程設計

更新實訓教材和教學內容。相對于理論教學內容而言實訓教學的內容更新速度慢、不受重視、參考教材有限。任課教師和編寫教材的編者因為沒有深入企業一線，最新的技術和標準沒有融入實訓內容，使高職院校培養的人才與社會需求存在脫節現象。任課教師可以利用寒暑假到相關的企業調查訪談，了解企業和用人單位的最新需求，依據企業及用人單位所需的技能要求選擇最新具有針對性的教材和教學內容，當硬件設備達不到時，用軟件仿真代替，使學生所學技能與企業需求保持一致。課程開始之前需要課程小組集體選取并設計出適合高職院校學生的實訓項目，用于實訓課程教學。

2.2.2 教學模式

創新實訓教學模式。打破傳統“教師演示，學生照搬練習”的實踐教學模式，應用網絡資源和信息化教學手段改進教學方法，建立“網絡+課堂”“虛擬+現實”的實訓課程教學模式，具體實訓課學習模式如圖1所示。

圖1 實訓課學習模式

以單相橋式整流電路實驗項目為例，實驗包含虛擬仿真和實驗箱實驗。其中仿真軟件用到的是Protues8，實驗箱為學校配備的實驗箱。實驗電路輸入的是220 V的交流電壓，通過仿真查看輸出電壓是交流還是直流，測量整流之后輸出的電壓值并與理論課所學的公式進行比較。用Protues8進行仿真的實驗電路如圖2所示，示波器所接A通道為輸入信號，B通道為輸出信號。

圖2 單相橋式整流電路仿真電路圖

實訓課堂上，教師發布實訓相關任務，進行簡單的講解和演示。教師還可以提前錄制仿真實驗的視頻傳到學習平臺上供學生參考。學生進行硬件實驗之前需要先用Protues8仿真軟件畫出電路圖，在仿真軟件中對相關的數據進行測量和記錄。結果滿意之后，再選擇合適的器件和測量儀表在實驗箱中進行實驗。因為實驗中接觸的是220 V的交流電壓，仿真實驗提高了實驗的熟練度和可行性，降低了實驗的危險系數。通過對仿真軟件的實驗數據進行測量，學生可以正確的使用萬用表，不至于在實驗箱實驗中錯選萬用表的擋位。輸入電壓值的測量需選用交流電壓250 V擋位，變壓器變比為22∶1，則輸出電壓值的測量需選用直流電壓20 V擋位。并且Protues8仿真加電子實驗箱實驗的數據加深了對理論公式記憶，理論知識在實訓項目中得到更好的鞏固，實現了雙贏的作用，達到了最佳效果。

單相橋式整流電路實訓項目Protues8仿真中示波器所接A通道為輸入信號，信號線為黃色，B通道為輸出信號，信號線為藍色。從仿真圖中可以很直觀的看出電壓信號由交流變成直流。從右側旋鈕區可以很直觀的觀察出輸入電壓和輸出電壓的幅值大小。通過仿真實驗的練習，加深了對實訓項目的認知，提高了對硬件電壓測量的準確性，如圖3所示。

圖3 Protues8示波器仿真波形圖

2.3 課堂評價

好的學習和教學效果離不開好的評價手段，改革實訓課堂考核評價方案尤為重要。用多元長期評價機制代替一次定結果的考核評價方式，對學生的考核不僅是實際設備操作的考核，也包括仿真軟件的考核及信息化素養的考核，使考核評價實時貫穿在學生的整個實訓學習過程之中。學生的實訓技能考核不再只包含單純的連線或者拆裝，還要包括仿真軟件中的創新性實驗。在這種評價方式下，學生在平時的實訓課學習過程中更加的積極，也更愿意跟教師交流，而不是只在考試之前突擊學習。

通過仿真軟件還可以對實訓項目進行升級，如在整流電路中再并聯470 μF的電容器進行通交流隔直流的濾波電路，再用仿真示波器對輸出波形進行波形的顯示和測量，學生加深了對該實訓項目的認知，并對后續的課堂內容進行了預習，對更好地學習濾波電路起到了積極的作用。

3 總結

虛擬仿真實驗室的助力使高職院校的實訓課堂教學變得豐富多彩，教師的教學和學生的學習方式都變得多元化。

1)提高了實訓課程的信息化水平，課堂變得充滿活力。傳統實訓課堂是教師演示，學生生硬地照搬練習，信息化水平低。虛擬實訓室加網絡平臺資源的助力使實踐課堂充滿生機，學生需要針對任務問題的解決方案進行討論、合作完成實驗項目。學生課前可以觀看教師上傳的實驗演示視頻并模擬仿真，同時進行線上交流，課中有目的的進行練習、答疑，課后還可以通過網絡平臺交流學習心得，利用仿真軟件實現對課堂實驗的鞏固和提升。

2)突破了硬件設備局限性，使學生的專業技術水平能適應崗位需求。企業的技術比較先進，高職院校的設備更新步伐不可能完全同步。高職院校主要是培養能夠適應崗位需求的技能型人才，這就要求高職院校培養的學生必須要掌握企業和用人單位所需技術。虛擬仿真解決了設備短缺和技術落后帶來的學生做實驗不方便的困難。學生只需利用計算機就能夠進行仿真實驗。通過教師傳到平臺上的實訓教學學習視頻，學生可以隨時模擬仿真。通過虛擬仿真軟件的多次練習，增加了學生對實驗操作的熟練程度，提高了技術水平，進一步深化了對理論知識的理解。

3)深化了以學生為中心的教學模式變革，提升了學生的信息現代化技術水平。實訓課程教學采用網絡加課堂、軟件加硬件、討論加答疑的模式進行，學生在課前、課中、課后都可以隨時觀看實驗操作視頻，實時交流討論，利用軟件進行仿真練習，學生可以根據自身認識選擇器件，加深對實驗的認識和創新，不同的器件學生可以通過網絡搜索進行對比區別，提高了學生自身的信息化利用水平和主動接受學習知識的能力。

虛擬實驗室助力下的實訓課堂使傳統的實訓課堂教學得到改革，突破了硬件設備局限性，使學生的專業技術水平能適應企業崗位需求并可以掌握最新的技術和能力，有效提高了實訓課程的信息化水平，使學生和教師的動手能力及運用信息化的能力都顯著提升，實訓課堂也由沉悶變得充滿活力。在虛擬實驗室的助力下，實訓課程教學采用線上線下的模式進行，深化了以學生為中心的教學模式變革，提升了學生的信息現代化技術水平，促進了學生的長期學習和深遠發展。學生不再因為沒有實訓設備而難以完成實訓，大量的訓練可以通過仿真進行，提高了硬件設備操作的熟練度，使實驗在規定時間內更容易完成。提高了實訓項目完成的成功率和實訓項目完成的效率，所有的學生都可以在有限的課堂時間里參與實訓項目，對教學效果和質量的提升有積極的影響和良好的推動力。