測控專業系列核心課程虛擬仿真教學平臺研究*

梅秀莊 甘世明 宋鵬飛 牛方浩

（內蒙古工業大學機械工程學院）

為滿足社會對創新型跨學科人才需求，更好的服務新工科建設，探索新型教育培養方式已成為學校教育改革的主題。原始課堂教學方式側重于理論的講解，課堂相對枯燥乏味，使得學生學習的積極性低，課程教學效果不盡人意。秉持新工科、學生為中心的教學理念，以培養學生創新實踐意識、創新思維能力為教學改革的目標，積極探索新型教學模式、方法，是每位高等教育工作者須承擔的重要職責和使命。

利用先進的計算機虛擬仿真技術，將專業課程基礎與專業知識、工程實例進行形象的圖文展示，實現傳統教學與虛擬仿真教學的緊密融合，搭建課堂學習到實踐學習的橋梁，使學生較短時間內掌握一些復雜的專業知識，充分調動學生積極性，增強學生的認知能力和工程實踐能力，有利于充分發揮虛擬仿真教學在高校教學實踐中作用[1]、推動高等教育教學質量的提升[2]。

本文通過設計測控專業系列核心課程的虛擬仿真教學平臺，依據本校測控技術與儀器專業的培養目標和課程教學標準，將測控專業系列課程的重要、抽象的知識點實例化、可視化，使學生更容易理解；將測控專業系統課程知識系統化，促進測控專業整體理論知識的整合，使專業性知識更加系統化；輔助學生解決日常生活中與本專業相關的實際問題，鍛煉其編程能力和邏輯思維能力。

將研發出的虛擬教學平臺應用于測控專業的本科教學，使一些晦澀難講、難以理解的原理、抽象的概念、以及性能分析等進行準確、形象、直觀地圖形化展示，加深學生對所學知識點的理解，起到事半功倍的教學效果。另外可將日常生活、實際工程中典型的實例，加入到虛擬仿真教學平臺，有利于開闊學生的視野，激發其學習的興趣和積極性。可輔助老師教學，改善教學效果，提高學生學習效率，開闊學生視野。

通過建立虛擬教學平臺，將整個測控專業的大部分課程理論知識進行系統的整合，使專業知識系統結構得到系統化展現，有利于促進專業教學的長期發展。將測控專業的一些抽象化知識點，通過友好的界面進行圖形化展示，有利于學生的理解和短時間內消化所學專業知識。引入與專業相關的日常生活、實際工程應用實例，使學生開闊眼界，有助于激發其學習積極性、主動性。

本文以提高課程教學效果、提升學生工程實踐和創新能力為目標[3]，利用MATLAB編程軟件系統搭建測控技術與儀器專業系列核心課程虛擬仿真教學平臺，為學生提供方便、便攜的虛擬仿真操作，有助于培養測控儀器專業學生在信號檢測與分析、模式識別、智能控制等方面的知識技能、實踐動手能力。

一、虛擬仿真實驗教學平臺建設的必要性與優勢

（一）平臺建設的必要性

隨著新工科理念在高校的不斷深入，社會對跨學科人才的要求也在逐漸提高，傳統的教學模式難以適應新工科概念下的人才培養，發展教學新方式勢在必行。測控專業中《信號與系統》《數字信號處理》《誤差理論與數據處理》《數字圖像處理》《測控電路》《自動控制原理》等課程屬于專業的核心課程。由于測控專業學科跨度較大，理論性強、概念抽象、分析邏輯繁瑣，學生在課堂專業知識的學習中經常會遇到很多復雜、難以理解問題，短時間難以消化和吸收繼而影響后續的學習。與此同時，現如今由于新冠疫情原因等多種不確定因素影響，學生不能正常返校，不能在教室內進行授課、學習，需要采用網絡的線上教學模式進行專業課程、實驗課程的遠程學習，對老師授課、學生學習都提出了新的挑戰，教師授課過程中不能通過察言觀色來了解學生對知識的理解程度，很難動態調節講課節奏、靈活調整授課內容，學生也通常出于禮貌不忍心打斷老師的正常授課而提出自己不懂的問題，這些都大大增加了學生對專業知識的理解和掌握難度，

為了更好地迎合新工科需求和適應現有的教學模式、克服疫情防疫等因素影響，構建能將抽象知識進行形象展示，并提供方便快捷實踐操作手段的虛擬仿真教學平臺，以虛補實，整合測控專業整體理論知識，加強理論與實踐的結合，優化教學方法，提升教學效果，為實現測控專業人才培養目標提供有力支撐[4]。

本文通過研發一套測控專業系列核心課程的虛擬仿真教學平臺，解決課堂教學中一些抽象概念、原理等難以形象、直觀展現的問題。將測控專業系列核心課程中抽象、難以理解的重要知識點，以圖形圖像、動畫的方式進行展現。使測控專業知識更加系統化，通過平臺對系列課程的整合，能使專業知識更加系統化。有利于學生總體上系統掌握知識。增加重要知識點在日常生活、實際工程中的應用實例，輔助教學，擴展學生視野，加深了理論與實踐的結合、理論向實踐的轉化。

傳統的課堂教學方式側重于理論的講解和分析，極少考慮所學知識在日常生活及工業生產實踐中的實際應用，在一定程度上降低了學生學習的積極性、弱化了課程教學效果。通過借助MATLAB軟件系統搭建虛擬仿真教學平臺，引入測控專業系列核心課程的共性基礎知識、各門課程基礎原理及過程分析，借助MATLAB強大的計算功能和圖形處理功能，利用圖形圖像、聲音、動畫、特效等方式，將一些晦澀難講、難以理解的原理、抽象的概念、以及性能分析等進行準確、形象、直觀地表現，從而使學生加深對所學知識點的理解，起到事半功倍的教學效果。激發其學習的興趣和積極性。

在課堂教學過程中一些理論性強且抽象的概念在老師的講解過后，同學們很難理解消化，現通過虛擬仿真教學平臺，通過點擊不同的按鈕，進行圖形圖像的形式展示，使抽象的知識變得更加形象具體，便于同學的理解掌握，同學們對于一些性質難以記憶，通過仿真平臺改變相應的參數，圖形圖像就會進行相應變換，這樣就使得難于記憶的知識點記憶的更加準確。

律師稱楊偉東被警方帶走，并不能以此就認定其有罪。但他分析，消息爆出后阿里巴巴很快確認，并且應對有序，“當事人可能都不知道，但該知道的人或許早已知道，阿里內部很可能已經做了初步調查并掌握了一定的證據。而且楊偉東剛好在輪值結束后出事，要么是阿里真的非常幸運，要么是一切都在安排之中。”

（二）虛擬仿真教學在測控專業的應用優勢

專業授課教師、專業學生均可以在自己的計算機上使用本文的虛擬仿真教學平臺，具有不受時間、空間限制的特點，能很好的適應疫情防控形式下的遠程網絡教學。該平臺具有在靈活性、實踐性、可操作性等方面具有顯著的優勢。

（1）靈活性。平臺的使用者可以靈活更改各模塊單元中的參數，動態了解各參數對結果數據、分析結論的影響，同時也可以通過圖形或列表形式的數據分析、仿真結果，來掌握各調整參數對結果影響的差異[5]。通過靈活的參數調整、動態圖形、動態列表展示，使學生更能深入掌握專業理論知識，理解抽象難懂的一些概念、定理或公式。

（2）實踐性。測控專業屬于多學科交叉的專業，對學生實踐動手能力、工程問題分析和解決能力的培養要求高。通過平臺引入專業知識實例、工程應用實例，使學生在課堂內、外均可進行自主學習、實踐動手操作，將學生自己日常生活中的聲音、圖像等實際數據加載到該仿真平臺，經平臺算法的輔助、自己獨立思考、老師專業輔導，學生自己可總結分析出自己的結論，可增強學生分析、解決實際工程問題的能力。

（3）擴展性。平臺采用計算機編程語言來實現，具有很強的擴展性，學生或教師在教學過程中可將自己感興趣的一些知識點、工程實例加入到該系統平臺，并可將原來不足的地方進行逐漸改進，隨著該平臺的使用人數、使用頻次的增多，該平臺在專業知識擴充、工程實例儲備等方面會不斷得到完善、升級。

二、虛擬仿真實驗教學平臺建設的目標和思路

（一）平臺的總體設計目標

基于現代教育的課程教育改革理念，依據測控技術與儀器專業的培養目標和課程教學標準，并通過對測控技術與儀器專業的任課教師、本科生、畢業生的深入調研，確定該虛擬仿真教學平臺的總體設計目標為：對測控專業的基礎知識、專業知識進行提煉、系統融合，并在教學平臺中形象、友好的展示，對與測控相關的專業實例、工程實例進行甄選、融入到虛擬仿真教學平臺，增強學生在測量、控制等方面的實踐動手、實驗數據分析、實驗結果總結等能力，為測控專業建設添磚加瓦。

（二）虛擬仿真實驗教學平臺架構

經項目成員的反復探討分析、與相關技術專家的交流，確定出所設計的虛擬仿真教學平臺主要包括基礎知識模塊、專業知識模塊、工程實例模塊等三部分組成，其分別簡稱為基礎模塊、專業模塊、實例模塊。基礎模塊主要用于匯總、系統融合測控專業系列核心課程中重點學科基礎知識，主要涉及各課程共有的、交叉的基礎概念與原理、數學變換及其性質等內容，在平臺中以可動態參數調整、可視化圖形界面展示。專業模塊進行測控專業知識凝練，突出每門課程在專業人才培養方面的優勢，可通過按鈕操作導入、導出數據、圖文分析結果并靈活設置各實驗參數。實例模塊主要引入測控專業相關的、學生比較感興趣的一些工程實例，增強學生對未知探索的渴求，為課程實踐、工程實踐提供一些解決問題的方法和思路。

三、平臺的建設內容

使用者進入虛擬仿真教學平臺后首先進行賬號登錄，登錄成功后進入三個學習模塊，具體模塊建設內容如下所述。

（一）基礎模塊

測控專業學生必須掌握的最基礎知識點是信號采樣與合成，以往學生經常采用死記硬背形式來記憶該知識點，沒有深入理解其定理內涵。在該平臺模塊中采樣定理知識點，通過輸入原始信號的幅值、頻率、相位等信息，生成原始信號并展示信號波形，再輸入采樣頻率，并展示采樣之后的波形，通過調整采樣頻率大小，可以直觀展示采樣之后原始信號的恢復情況，若不滿足采樣定理，信號將發生失真并失去了獲取真實、有用信號的信號采集目的。信號合成結果主要受待合成信號的樣式、頻率影響比較大，通過平臺改變待合成信號的樣式、頻率等參數，點擊“信號合成”按鈕之后，就可以直觀展現合成之后的信號，通過該實驗仿真，可總結出各個待識別信號樣式、幅值、頻率等參數之間的關系對合成信號的影響。

（二）專業模塊

專業模塊是針對測控專業核心課程進行開發設計，主要由《數字圖像處理》《信號與系統》《數字信號處理》《傳感器原理及應用》《誤差理論與數據處理》《測控電路》《控制系統與仿真》等課程單元組成，依據課程大綱、不同課程的知識內容特點，對每個課程的模塊知識結構體系、知識點進行設計。這里以其中的幾個課程單位為例進行闡述。

《傳感器原理及應用》《誤差理論與數據處理》課程中對傳感器、檢測裝置、檢測儀器等測量數據進行處理是測控專業學生的基本技能，以往學生的實驗訓練，主要是通過簡單數據用手算、復雜數據用計算工具的形式，耗費時間長，為達到準確需反復計算、修正，通過本文的虛擬仿真實驗平臺，點擊“導入數據”按鈕可將數據進行批量導入并在數據列表中進行呈現；點擊對應的參數按鈕，就可快速、準備的計算出傳感器的靈敏度、線性度、遲滯等靜態特性參數；對測量數據的平均值、標準差、不確定度等參數進行快速計算、高效處理，并能進行回歸分析、最小二乘擬合、殘余誤差分布等運算，以波形、參數列表等形式進行形象展現，操作簡單、快捷。

《數字圖像處理》課程單元包括圖像灰度化、二值化、基于各種算子的邊緣檢測、圖像增強、圖像濾波、形態學計算、AI識別算法等單元組成；《數字信號處理》課程模塊包括典型信號展現、典型信號分析、傅里葉變換及性質、Z變換及性質、數字濾波器設計、小波分析等內容。

通過專業模塊在課程教學中的應用，可使學生掌握專業課程中一些抽象概念、原理、公式，加深專業知識的記憶，同時也會提高任課教師的講課效率、教學質量，為后續課程設計、專業綜合設計、畢業設計等實踐課程打下堅實的專業基礎。

（三）實例模塊

實例模塊有助于學生深入了解專業知識的應用，培養理論與實踐相結合的能力，提高專業素養，并能擴展學生的科技視野，提升學生的科研探索精神，培養其創新、研發意識。實例模塊是對案例式教學方法的一種案例展示模式，通過本專業相關的實際工程案例呈現，激發學生的學習興趣，加深理論知識的理解，促進學生由被動接受知識向主動接受并積極去探索方向轉變，啟迪學生思維，使學生積極思考，努力探索工程實例的原理、實現過程，甚至提出更先進、完善的改進方案。此外該模塊可減少專業任課教師的案例搜集、整理的時間，減少其備課工作量，提高教學效率。

該實例模塊結合本校測控專業教師前期的公開研究成果、本科畢業設計研究成果、專業相關的典型工程應用等內容進行設計。主要包括工程信號處理、自動控制仿真、語音識別、車牌識別、車標識別、人臉識別、人體姿勢識別、智能交通燈等實例。例如，工程信號處理實例中包括聲發射檢測斷鉛過程信號、電機振動信號分析實例，點擊“導入數據”按鈕，將信號進行導入，可進行時域波形展示、時域特征參數計算、濾波分析、小波分析、頻域分析等操作。

四、結束語

通過提煉測控專業系列核心課程內容并構建虛擬仿真教學平臺，將學生難以理解的原理和抽象概念、繁瑣數據處理、難度較高的系統分析、工程應用實例等內容，利用平臺進行準確、形象、直觀地圖形化展示，實現了虛擬仿真與傳統教學方式相結合的混合教學模式。

利用虛擬仿真教學平臺將本專業一些知識形象、生動地展示，既提高了學生的學習興趣又節約了在黑板手繪示意圖以及公式推導的時間，促使學生在較短時間內掌握一些復雜的專業知識；將課程理論知識與虛擬仿真相結合，有利于增加學生自主學習的參與度，提高學習效率，增強學生編程能力、邏輯思維能力，培養其創新意識、科研精神，同時也可輔助專業教師進行高效教學，改善教學效果；有力推進虛擬仿真實驗教學改革，做好課堂學習到實踐學習的銜接。

該虛擬仿真教學平臺經專業教師試用、學生體驗后得到了普遍認可和很好的評價，后續會繼續深入、完善該平臺，以便該平臺為測控儀器專業人才綜合素質的培養發揮更大的作用。