測控專業虛擬仿真實驗平臺設計

簡澤明 馮銘鋒 劉夢然 聶 磊 劉文超

（湖北工業大學機械工程學院，湖北 武漢 430068）

0 引言

近年來，由于虛擬仿真技術在高等工程教育中的創新作用，引起了眾多高校的關注。作為一種新的人才培養機制，目前虛擬仿真實驗平臺已經成了眾多高校著重建設的教學平臺。國外許多著名高校已經在虛擬仿真實驗平臺上進行建設，如麻省理工學院微電子在線實驗室與美國休斯頓大學虛擬物理實驗室等，這些虛擬實驗平臺都為其人才培養作出了顯著的貢獻。而在我國，虛擬仿真實驗平臺的人才培養機制也在不斷發展，如國內的北京郵電大學計算機網絡課程群、中南大學虛擬實驗平臺以及國防科技大學云平臺實驗系統等。

測控技術與儀器專業是精密機械、電子、電路、光學、自動控制、計算機與信息技術等多學科互相滲透而形成的一門高新技術密集型綜合學科。測控學生所學的測控電路、信號與系統等專業課，往往需要用到與之配套的教學實驗軟件。作為一種新型人才培養模式，虛擬仿真實驗平臺能夠為測控專業學生提供良好的教學環境以及實驗氛圍，也能為湖北工業大學校“721”培養模式提供相應的實踐教學支撐平臺。針對目前實驗教學中所存在的各項問題，我校測控專業對虛擬仿真實驗平臺展開了探索，并建立起適合測控專業學生的測控虛擬仿真實驗平臺。

1 目前高校實驗教學機制所存在的問題

1.1 只注重學生的共性培養而無法重視個性

目前各大高校所進行的教學模式主要是以課程導向性學習為主，即傳統意義上的將課本內容教授給學生，學生能夠完成期終考試或者是結課論文即可。忽略了學生之間對知識的接受程度的個體差異，并且造成了學生只是機械性地傳承所學知識的局面，而并未將其應用于具體的生產實踐中。這是高校學生所面臨的問題。測控學生需要學習光學、電子、機械和計算等科目，多學科的交叉學習僅僅培養的是共性的知識載體，而非知識間個性的有機結合。因此需要通過實驗教學平臺來幫助學生形成一個完整的知識體系，這也是傳統教學平臺所存在的劣勢。

1.2 傳統教學媒介限制了學生的想象力與創造力

傳統的教學模式主要為采用多媒體結合課本教學以及實驗課程理論相論證的方式來進行人才培養，但是此類傳統的教學忽略了學生自主學習的興趣，并限制了其想象力，許多實驗僅僅只是交給學生一個實驗指導書，讓學生難以發揮自己的創造力。并且由于各高校在各專業的實驗室教學設施上各有側重，許多實驗室平臺的設備都已經超過了使用壽命，再加上實驗室在管理以及設備規范安全等方面的限制，導致了實驗室并不能完全為學生提供一個理想的環境，許多學生在實驗學習上只能淺嘗輒止，并不能獲得沉浸式的學習體驗，并不利于學生建立一個完整的學習體系。

1.3 實驗教學評價考核制度存在缺陷

當前教學評價考核制度主要為考試成績以及課堂表現占大部分，實驗成績往往占的比重在5%～15%之間，并沒有受到普遍重視，導致學生難以重視實驗課程和任務，進而將主要精力放在考前突擊上，難以真正融會貫通其所學知識。并且學生之間常存在抄襲問題，導致實驗所得數據時常雷同，這樣難以真正反饋出學生所學所想以及其真實水平，使得教師難以通過調整實驗方案實現真正的因材施教，進而不能培養出具有高科學素養的創新型人才。

2 測控虛擬仿真實驗平臺構建

測控虛擬仿真實驗平臺主要使用Java 語言進行開發，并使用MySQL 對數據庫進行建設，網站基于WordPress 進行搭建，其中實驗項目的界面采用Photo Shop 配合Unity 3D 進行設計。

平臺采用了測控專業基礎學習軟件的資源整合的交互系統建立方案，將測控專業的電子仿真軟件如Multisim、LabVIEW、Proteus、 計算機及自動控制類仿真軟件Keil、MATLAB 以及精密機械專業軟件CAD與Solidworks 進行教學資源的整合。將各軟件的教學資料以及現有的網課資源錄入虛擬仿真實驗平臺中，以教學視頻或是設置操作步驟的教學模式讓學生熟悉相應軟件的操作。而后將各個軟件分為各教學模塊，如精密機械模塊或是電路設計模塊，針對不同的模塊設置不同的學習任務，以任務為導向引導學生進行實驗操作。由于其良好的拓展性，平臺能夠兼容機械、計算機以及電子等專業領域的教學軟件及開放性實驗方案。

圖1 虛擬仿真實驗平臺界面

測控虛擬仿真實驗平臺的運行機制以數據庫系統為主，其由仿真實驗數據庫、數據庫管理系統以及仿真實驗應用系統三部分構成。此交互系統旨在構建起一個學生與教師之間有效溝通的橋梁，科學準確地反映出學生的真實學習水平，從而幫助教師進行教學規劃以及評測。

（1）仿真實驗數據庫包括用戶資料庫、教學資源庫以及實驗仿真數據庫。在用戶資料庫中，主要通過收集學生在虛擬實驗平臺上所留下的學習記錄以及實驗成績，對學生進行評測，而后為應用系統提供學生的學習水平數據。而教學資源庫主要由軟件的教學視頻以及課程資料組成，為虛擬仿真實驗平臺提供教學資料以及學習任務。在實驗仿真數據庫中，主要存儲著實驗方案以及實驗軟件信息。

（2）數據庫管理系統通過收集用戶資料庫中的學生數據以及評測結果，在教學資源庫中選用相應水平的教學資料設計和與之水平相適應的實驗方案。學生再通過數據庫系統完成階段性的學習以及實驗仿真，從而達到教學目的。

（3）仿真實驗應用系統的用戶使用端口分為學生端與教師端。教師通過教師端錄入實驗任務，以任務或者階段性測驗的形式發送至學生端，而學生可以自主選擇完成實驗任務的地點與時間。當學生完成教師所發布的任務之后，平臺將對學生的整個實驗過程進行評分與能力分析。在設置的截止日期前，每個學生都可以重新改進實驗（可以設定限制實驗次數）。最終得出實驗結果，避免學生由于實驗操作的錯誤而半途而廢，并且學生可以自主選擇實驗方案進行拓展。平臺將會自動錄入優秀學生的實驗操作，為下一屆學生提供實驗范本，從而實現平臺實驗方案的自我優化。該舉措旨在實現學生的個性培養并增強學生實驗的信心，以及提高學生的操作能力。教師也可通過平臺所提供的數據分析進行相應地課程方案改革，循序漸進地提高學生的實驗能力水平。

圖2 數據庫系統架構

3 結語

通過虛擬仿真實驗平臺培養的測控專業學生，有著較高的科學素養以及實踐創新能力，推進虛擬實驗仿真實驗平臺的發展與建設在我校實驗與教學課程改革中具有重大的意義，同時也能夠為其他專業及高校提供人才培養模式范本。