電子信息類虛擬仿真實驗教學發(fā)展探究

摘" 要" 虛擬仿真實驗教學作為五類金課之一，受到教育界的廣泛重視。電子信息類課程內(nèi)容涉及社會發(fā)展前沿，尤其適合運用虛擬仿真實驗輔助教學。通過對電子信息類國家級線上線下教學建設和現(xiàn)有研究進行分析，將我國電子信息類虛擬仿真實驗教學劃分為三個階段，并對未來的研究提出建議。

關鍵詞" 虛擬仿真實驗教學；電子信息類課程；一流課程；教學資源

中圖分類號：G712" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）10-0131-04

0" 引言

隨著信息技術的不斷發(fā)展，虛擬仿真實驗由于可以突破時間、空間限制，實現(xiàn)真實教學情境尚不具備條件或難以完成的實驗教學，而越來越受到教育界的關注。據(jù)相關資料統(tǒng)計，目前我國已建設有300個國家級虛擬仿真實驗教學中心，在國家虛擬仿真實驗教學課程平臺實驗空間（http：//www.ilab-x.com/）上共有2 079個虛擬仿真實訓項目，其中被認定為一流課程的項目有728項。電子信息學科有大量實踐教學環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的課堂教學、MOOC等授課方式很難讓學生獲得實境中的教學體驗。而通過虛擬仿真實驗教學、MOOE等教學方式，則能突破實體實踐教學的局限性，通過虛實結合、以虛促實的方式將學科教學與信息化教學深度融合，有效地提升學生的實踐認知和創(chuàng)新能力[1]。

通過分析我國電子信息類國家虛擬仿真實驗教學中心和示范性虛擬仿真實訓教學項目現(xiàn)狀，同時通過文獻分析電子信息類虛擬仿真實驗教學研究趨勢，以期為電子信息類虛擬仿真實驗教學項目建設提供思路與經(jīng)驗。

1" 線上線下電子信息類虛擬仿真實驗教學建設現(xiàn)狀

1.1" 線下電子信息類虛擬仿真實驗教學中心建設現(xiàn)狀

為促進虛擬仿真實驗在教學中的應用，教育部自2013年起連續(xù)三年每年建設100個國家級虛擬仿真實驗教學中心，其中電子信息類國家級虛擬仿真實訓中心共23個。這23個中心分布在18所高校，其中非“985”“211”“雙一流”建設高校有七所，占總數(shù)的38.9%。從主管部門來看，教育部直屬高校九所，工業(yè)信息化產(chǎn)業(yè)部直屬高校一所，省屬高校六所，軍隊院校兩所。從分布地域來看，電子信息類國家級虛擬仿真實驗教學中心在我國七個大區(qū)均有建設，并集中在12個省份，如圖1所示。

從院校類型看，教學中心并沒有集中在國家重點院校中；從地域分布看，教學中心分布廣泛，在各大區(qū)均有建設，但主要集中在教育、經(jīng)濟較發(fā)達的省份，這也與教育部建設國家級虛擬仿真實訓中心的指導思想相一致，保證良好基礎的同時提高覆蓋面[2]。從學科特點看，隨著世界范圍內(nèi)科技引領的產(chǎn)業(yè)變革日益發(fā)展，電子信息學科也在迅猛發(fā)展，我國各地均對電子信息類人才有著廣泛的需求。實施虛擬仿真實驗教學，更應該與當?shù)匦袠I(yè)、產(chǎn)業(yè)緊密結合，加強其應用能力及綜合服務能力[3]。與傳統(tǒng)專業(yè)相比，一些非專業(yè)性老牌院校的累積優(yōu)勢在此學科上無法體現(xiàn)，這也是很多非傳統(tǒng)國家重點院校能在此學科虛擬仿真實訓室建設中起到帶頭作用的原因之一。由此可知，國家設立虛擬仿真實驗教學中心時并不以學校整體水平為評價依據(jù)，而是傾向于該校電子信息類學科建設水平，這使得很多電子信息類院校在遴選時相比其他學校具有相對優(yōu)勢。

1.2" 線上電子信息類虛擬仿真實驗教學建設現(xiàn)狀

我國建立的國家級虛擬仿真實驗教學中心為隨后虛擬仿真實驗項目的建設奠定堅實的基礎。2017年，教育部發(fā)布《2017—2020年示范性虛擬仿真實驗教學項目建設規(guī)劃》，標志著我國虛擬仿真實驗教學的建設重點已由強調(diào)中心建設轉變?yōu)槭痉缎蕴摂M仿真實訓教學項目建設[4]。在實驗空間上可查到電子信息類虛擬仿真實訓項目共63個，其中

被認定為一流課程的項目14個。通過分析可以看到，63個項目分布廣泛，如圖2所示。從區(qū)域分布上看，華東地區(qū)開設項目數(shù)量較多，華南地區(qū)較少，且數(shù)量差距較大。由此可見，東部沿海地區(qū)得益于電子信息產(chǎn)業(yè)的大量投入和快速發(fā)展，擁有較好的行業(yè)合作優(yōu)勢和建設需求；而華南地區(qū)實訓項目均集中在廣東省，西部地區(qū)集中在四川省等分布狀況，與產(chǎn)業(yè)分布密切相關。

在實驗空間中，每個項目的學習人數(shù)、項目評價等信息如圖3、圖4所示。截至撰稿之日，實驗中心電子信息類虛擬仿真實驗教學項目總瀏覽量已達28萬余人，取得較好的傳播效果。被認定為國家一流課程的14個項目在平均瀏覽量上明顯高于其他一般項目，在項目評價上也比一般項目略高，在一定程度上反映了虛擬仿真實驗一流課程符合教育部通過打造金課推廣優(yōu)質課程資源的預期。

2" 電子信息類國家級虛擬仿真實驗教學研究趨勢與發(fā)展方向

通過對電子信息虛擬仿真實驗教學的相關文獻進行分析，國內(nèi)學者在電子信息虛擬仿真實驗教學領域已經(jīng)有了較深入的探索。筆者把其中探索的過程大致分為三個階段：一是單機仿真軟件應用階段；二是規(guī)模化、集成化發(fā)展階段；三是“互聯(lián)網(wǎng)+教學”應用階段。

2.1" 單機仿真軟件應用階段

早期由于學校擴招、實訓室建設落后等各種原因，在很多電子信息類課程教學中往往以理論為主，或是勉強使用性能欠佳、落后的儀器設備讓學生實驗練習。這樣的教學無法讓學生在實踐中學習，學生學習時很難理解，學習后不能應用，使得電子信息這類實踐性強、實驗現(xiàn)象很難肉眼觀測的課程成為學生口中的天書。于是眾多學者試圖通過對計算機仿真軟件的應用來達到輔助教學的目的，例如：楊高波等[5]在EDA課程中采用EWB（Electronics Workbench）軟件及MAX+PLUSII軟件；陳萍等[6]利用Scilab軟件整合MATLAB仿真軟件的功能并運用于通信原理課程中；仇佳捷等[7]通過開源軟件OpenSceneGraph（OSG）開發(fā)用于電工電子虛擬實驗平臺設計方案等。

在應用過程中，學者發(fā)現(xiàn)虛擬仿真實驗教學不再受制于儀器設備的不足，相比實體實驗具有以下幾大優(yōu)勢。

一是實驗條件要求大幅降低，很多實驗只要給每個學生配備一臺電腦，就可以滿足他們諸多的實踐需求。

二是實驗效果穩(wěn)定。在實體實驗操作中不僅要考慮實驗方法步驟，還會受到器材、外部環(huán)境等各種因素的影響，而且在實驗結論的穩(wěn)定性上遠不如虛擬仿真實驗。

三是實驗范圍大幅拓展，一些實體儀器無法完成或現(xiàn)象不明顯的實驗通過虛擬仿真實驗，可以更好地幫助學生觀測和理解。

因此，通過虛擬仿真實驗輔助教學成為各個高校教學改革的重要途徑。

2.2" 規(guī)模化、集成化發(fā)展階段

2013年8月，教育部印發(fā)《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》（教高司函〔2013〕94號），虛擬仿真實驗教學正式從針對單個課程、單個知識點的教學實踐轉變?yōu)橛商摂M仿真實驗教學資源、教學、管理、共享平臺、師資隊伍等方面集成的教學中心[8]。本著“能實不虛，虛實結合”的原則，教育部在全國范圍內(nèi)立項300個虛擬仿真教學中心，并著重強調(diào)在實際教學中學生的實際參與及如何利用虛擬仿真實驗獲得知識與技能。獲得立項的23個電子信息類虛擬仿真實驗教學中心代表了我國電子信息類虛擬仿真實驗教學的最高水平。

在教學中心建設中，學者運用計算機和互聯(lián)網(wǎng)技術，將電子信息類專業(yè)學科領域的課程體系進行整合、重構，建立“中心→平臺→實驗模塊”的虛擬仿真實驗教學框架，不斷豐富和完善實踐課程教學體系，創(chuàng)新實驗教學的方法[9-11]。教學中心的建設要堅持開放共享的原則，學生可以通過互聯(lián)網(wǎng)訪問這些教學中心的虛擬仿真實驗平臺，自主進行實驗探索，較好地培養(yǎng)自主學習的能力[12]。

教學中心的建設極大地促進了虛擬仿真實驗教學的發(fā)展，形成系統(tǒng)化、團隊化、規(guī)范化、協(xié)作化的教學體系，但還存在教學資源缺乏、原創(chuàng)性不足、教學少而科研多、開放共享性不夠等不足之處[13]，更具開放性、靈活性、針對性的虛擬仿真實驗教學項目應運而生。

2.3" “互聯(lián)網(wǎng)+教學”應用階段

隨著信息技術的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡環(huán)境已不再成為限制知識傳播的門檻，在線教學、網(wǎng)絡學習、MOOC等一系列課程飛速發(fā)展，虛擬仿真實驗教學也進入互聯(lián)網(wǎng)時代。相比MOOC來說，實踐教學如要搬到網(wǎng)上，則只能通過虛擬仿真實驗教學才能讓學生得到實踐鍛煉。在教育部指導下，由高等教育出版社主辦的匯聚全部學科專業(yè)，涵蓋各個層次高校，直接服務于教師、學生和社會的實驗教學公共服務平臺——“實驗空間”正式上線。各高校也將自己的虛擬仿真實驗教學項目共享到網(wǎng)上，學生可以通過網(wǎng)站鏈接快速訪問實驗平臺并開展相關實驗。

在建設使用過程中，虛擬仿真實驗項目展現(xiàn)了其能夠跨越時間、空間實現(xiàn)資源共享，并完成常規(guī)教學手段或實體實驗所不具備、難以完成的教學功能[14]。通過網(wǎng)絡的擴展和延伸，與現(xiàn)代教育理念相融合，學者將教學研究的重心放到如何采用虛擬仿真技術促進學生增強學習效果、培養(yǎng)創(chuàng)新能力等方面[15-16]，如屈代明等[17]研究設計了在線實境技術用于輔助教學，便于學生能觀察到更加真實的實驗效果，從而探索實驗的過程。

高等教育出版社“實驗空間”運營工作組發(fā)表的調(diào)查報告顯示，虛擬仿真實驗教學項目適用于線上線下混合式教學，在教學中越來越受到重視，但也存在教學內(nèi)容單一、原創(chuàng)性不足的缺點[18]。

2.4" 對未來發(fā)展的思考

電子信息類虛擬仿真實驗教學至今已經(jīng)逐漸成熟，項目類型多元化、全面化，項目管理規(guī)范化、網(wǎng)絡化，項目運用開放化、共享化，其優(yōu)點及建設思路已有很多學者作了相關探索。隨著技術的不斷發(fā)展與機制的不斷完善，電子信息類虛擬仿真實驗教學未來研究探索的方向應該注重以下三點。

一是虛擬仿真實驗教學不應停留在展現(xiàn)實驗教學情境上，而應該主動與先進教學理論相結合，探索出真正以學生為主體，促進學生探索實驗，培養(yǎng)學生思維能力的綜合性實驗發(fā)展之路。當今，比起單純的知識與技能，教育界更關注的是學生綜合素養(yǎng)的培養(yǎng)，除了知識、技能、態(tài)度、價值觀，還包括解決問題方式、探索問題的能力和看待問題的角度等方面，這種綜合素質的培養(yǎng)僅靠傳統(tǒng)的知識講授很難實現(xiàn)，而虛實結合的虛擬仿真實驗教學在經(jīng)驗豐富的教師的手中將成為培養(yǎng)學生素養(yǎng)最有效的法寶。

二是隨著信息社會的不斷發(fā)展，以數(shù)據(jù)為關鍵要素的學習分析尤為重要，虛擬仿真實驗教學應與各線上教學平臺相互結合，通過分析學生學習行為數(shù)據(jù)，對學生的個性化學習提供支持。疫情的沖擊讓信息技術支持的線上教學進入大眾的視野，其精準的學習服務、無縫銜接的學習空間、全記錄的學習過程和交互式的教學體驗讓人印象深刻，指明了未來教學變革的方向。

三是探索校企合作創(chuàng)新機制，以學校為主體，企業(yè)參與開發(fā)契合學生實踐需求的虛擬仿真實驗環(huán)境。電子信息類課程知識與科技前沿關系密切，借助企業(yè)的力量，學校可彌補自身在社會聯(lián)系、技術條件等方面的不足，但也要堅持自身培養(yǎng)人才的主體地位，充分了解學生實際，合理設置教學內(nèi)容、教學環(huán)節(jié)，讓開發(fā)的虛擬仿真實驗完全契合教學實際，才能達到輔助教學、培養(yǎng)人才的目的。

3" 結束語

虛擬仿真實驗教學是電子信息類學科教學的重要組成部分，隨著網(wǎng)絡技術和計算機技術的發(fā)展，虛擬仿真實驗教學將擁有更多的變化和可能性，而利用虛擬仿真實驗教學手段增強教學效果，將成為未來電子信息教師的必備技能。

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作者：韋權峰，廣西現(xiàn)代職業(yè)技術學院，助教，研究方向為教育信息化、電子信息技術（547000）。