虛實結合的實驗教學平臺助力創新人才培養

夏定元， 張家亮， 王永圣， 羅 強， 石道生

（武漢理工大學a.信息工程學院；b.電工電子實驗中心；c.自動化學院，武漢 430070）

0 引 言

2013年以來，教育部發布了關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的系列通知，作為指導性文件，為全國高校持續提高實驗教學信息化水平，推動實驗教學與現代信息技術深度融合指明了方向。同時，通過明確虛擬仿真實驗教學中心建設“虛實結合，相互補充，能實不虛”的原則，促進實驗教學資源開放共享，虛擬仿真實驗教學中心建設與實驗教學示范中心發展相得益彰［1］。國內外高校的理論研究和實踐探索也表明，建設虛擬仿真實驗教學中心，推動實驗教學改革與創新，確有其必要性、可行性和有效性［2-3］。

特別在新冠肺炎疫情特殊時期，傳統的教學秩序受到沖擊，現場教學（面授）被迫取消，網上教學（網課）浪潮興起［4-6］。實驗教學也不例外。然而，由于實驗教學相較于理論教學的差異性，線上實驗教學及虛擬仿真實驗教學項目成功案例不多［7］。在后疫情時代，實驗教學示范中心如何在充分發揮虛擬仿真實驗教學項目功能的同時，回歸實驗教學的本質，線上虛擬仿真與線下實操并重，虛實結合，助力學生創新精神和實踐能力提升，值得探討。

1 實驗教學平臺建設與發展

1.1 實驗教學示范中心建設

2006年，我校整合資源，將自動化學院的電工技術實驗中心、信息工程學院的電子與信息技術實驗中心合并，優化建成集公共基礎實驗教學與創新創業教育于一體的實驗教學單位——電工電子實驗中心，學校直屬單位，掛靠教務處。中心先后被授予湖北省高等學校實驗教學示范中心（2007年）、湖北省高等學校大學生創新活動基地（2010年）、湖北省大學生創業示范基地（2012年）、學校首批開放實驗室（2016年）和首批創新創業夢工場（2018年）。

中心由2個實驗教學平臺組成：①電工電子公共基礎實驗教學平臺。著重于大學生基本技能培養，服務于全校理工科電類、非電類60余個專業7 500余名學生，開展教學計劃內電工電子公共基礎實驗、實習、實訓，每年完成教學工作量約40余萬人時，量大面廣，為廣大理工科學生電工電子基本技能培養打下堅實基礎，有利于今后從事有關專業技術工作得心應手，適應社會發展需要；②電子信息類專業創新創業教育平臺。著重于大學生創新創業能力培養，每年定期在全校范圍內選拔招收200余名具有創新潛能的學生進入電工電子夢工場，培訓1～2年，以大學生創新創業項目和學科競賽為依托，項目牽引與專題訓練相結合，將科學研究的創新創業方法引入教學，推行基于問題（案例）研究的教學方式，全開放實驗室，開展大學生課外科技創新活動、學科競賽和創業實踐，發掘學生創新意識和創業思維的潛力，強化團隊協作能力和創新創業實踐能力，激勵學生在科技創新競賽中獲獎，指導學生自主創業并成功注冊公司。

1.2 虛擬仿真實驗教學中心建設

在總結湖北省電工電子實驗教學示范中心建設成果基礎上［8-10］，根據新時代教育教學改革和人才培養需要，對照國家級虛擬仿真實驗教學中心遴選要求，理順虛擬仿真實驗教學中心建設與實驗教學示范中心發展兩者關系，借鑒全國兄弟高校做法［11-12］，拓展實驗教學示范中心功能，改革實驗教學模式與方法，加強實踐教學團隊建設，完善實驗教學體系，優化虛擬仿真實驗教學項目，推動實驗教學與現代信息技術融合，實現優質資源開放共享，增強學生創新精神和實踐能力，促進實驗教學示范中心內涵發展，促進拔尖創新人才脫穎而出，獨具特色。

2 改革思路與實踐成效

2.1 創新實驗教學模式與方法

（1）現實困境與破解方案。在現有電工電子實驗教學示范中心，包含實驗、實習、實訓3類實踐性極強的課程，推動教學模式與方法改革的難度極大，全面實施虛擬仿真實驗教學也不切合實際，有必要采用循序漸進的方式，逐步完成虛擬仿真實驗教學中心建設任務，實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能，為解決傳統實驗過程中涉及的高危或極端的環境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況，提供可靠、安全和經濟的實驗項目［13］。因此，中心嘗試先從部分虛擬仿真實驗教學項目做起，將現代信息技術、人工智能技術與實驗教學項目融合，建設和利用信息化實驗教學共享資源，構建配套的虛擬仿真實驗教學體系，培育必備的實踐教學團隊與精品課程，并積累一定的實驗教學與管理經驗后，搭建統一的虛擬仿真實驗與管理平臺。

（2）重點解決的關鍵問題。①虛擬與現實結合，解決資源共享問題。在現有實驗教學平臺基礎上，開發信息化實驗教學資源，立項建設一批校級虛擬仿真實驗教學項目，并圍繞虛擬仿真實驗項目整合資源，完善實驗、實習、實訓教學體系，促進公共基礎實驗教學和創新創業教育統籌協調發展。②質量與效益統一，解決辦學成本問題。推行線上線下混合式實驗教學，將非必要實際操作的實驗內容，如認知、驗證、安全等原理性實驗，通過虛擬仿真實驗來實現，解決實驗儀器設備貴且實驗耗材成本高、實驗場地固定且實驗時間難以協調、傳統的實驗評估系統智能化程度低等難題，實驗效果更理想。③基礎與提升兼顧，解決功能拓展問題。利用虛擬仿真實驗教學平臺，在公共基礎實驗教學功能基礎上，拓展創新創業教育功能，創建創新創業夢工場，全開放實驗室，促進學生成才途徑多元化。一方面指導學生在各類科技創新競賽中獲獎，另一方面培育學生創業項目和創業團隊，孵化出若干個學生企業，產生經濟和社會效益。④學校與企業合作，解決協同育人問題。探索產教融合機制，通過校企合作建立聯合實驗室、實施產學合作協同育人項目、合作研發虛擬仿真實驗項目等方式，為學生發掘專業認知渠道，拓展專業視野和專業素養。

2.2 優化虛擬仿真實驗教學項目

（1）明確虛擬仿真實驗教學項目建設任務。自2017年起，教育部開展了國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作［14-15］。2019年，教育部將國家虛擬仿真實驗教學項目納入國家級一流本科課程的建設規劃［16］。從本質上看，虛擬仿真實驗教學項目（或虛擬仿真實驗教學一流課程）的建設任務與虛擬仿真實驗教學中心的建設任務相統一，旨在堅持問題導向，實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能。然而，由于理解的局限性，不少課程教學團隊在申報和建設虛擬仿真實驗教學一流課程時，通常更多地著眼于課程自身的發展需求，不免會割裂實驗項目、實驗課程、實驗室之間的內在關系，導致虛擬仿真實驗教學項目與虛擬仿真實驗教學中心的建設任務脫節，從而削弱了虛擬仿真實驗教學項目的整體應用效果。虛擬仿真實驗教學項目建設成為近期熱門課題，引起廣泛探討。

（2）基于問題導向，精選虛擬仿真實驗教學項目。我校立足于虛擬仿真實驗教學中心建設任務，基于問題導向，針對真實實驗項目條件不具備或實際運行困難的實驗教學內容，精心選擇，立項建設一批虛擬仿真實驗教學項目。頂層設計，局部協調，整體優化，促使建設項目綜合應用效益最大化。近年來，結合國家級虛擬仿真實驗教學中心申報，實驗教學示范中心先后立項建設了3個校級虛擬仿真實驗教學項目——電子技術虛擬仿真實驗教學項目（2018年）、電工技術與電工電子實習虛擬仿真實驗教學項目（2019年）、智能小車控制系統虛擬仿真實驗教學項目（2020年）。以上3個虛擬仿真實驗教學項目的建設任務融合于虛擬仿真實驗教學中心建設任務，具有很強的針對性、有效性和實用性，較好地解決了傳統實驗教學中“做不到”“做不了”“做不上”問題，發揮了示范作用。其中，電子技術虛擬仿真實驗教學項目應用于模擬與數字電子技術實驗中的多路數據采集與遠程儀器測量；電工技術與電工電子實習虛擬仿真教學實驗項目應用于電工技術實驗中的生產過程控制與電力系統遠程控制及電工電子實習中的安全用電知識、常用儀器儀表與軟件工具共享使用；智能小車控制系統虛擬仿真實驗教學項目應用于大學生創新實踐中的智能小車運動控制與碰撞控制。

特別在2020年新冠肺炎疫情期間，一部分虛擬仿真實驗教學項目投入線上實驗教學，解決了“停課不停教”“停課不停學”的現實問題，師生反饋效果良好。同時，在后疫情時代，一部分虛擬仿真實驗教學項目應用于全國大學生電子設計、全國大學生節能減排社會實踐與科技、全國大學生智能汽車等相關競賽的備戰訓練，既降價了成本，又提高了成效。

2.3 培養學生創新精神和實踐能力

實驗教學平臺持續推行虛實結合舉措，將創新創業教育貫穿于人才培養全過程，融入專業教育全方向，其成效最終反映在人才培養質量的提高。幾年來，通過創新實驗教學模式與方法，推動實驗教學與現代信息技術融合，實現資源開放共享，實施線上線下混合式實驗教學，變革教師與學生之間教與學關系，以學生為中心，學生自主學習為主、教師指導為輔，豐富教師教學方式和考核途徑，提高學生創新精神和實踐能力，取得一系列標志性成果。

（1）2019年，中國高等教育學會權威發布“2018年全國普通高校競賽排行榜（本科）”，我校排名全國第一，在社會上產生了很大影響。尤其在全國大學生電子設計競賽—2018年模擬電子系統設計邀請賽（TI杯）中，經電工電子夢工場培訓的學生獲榮2項全國一等獎，名列全國第一，為2018年我校各類競賽總分排名全國第一做出了應有貢獻。

（2）2020年，電工電子夢工場培訓的學生獲第十三屆全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽、全國大學生電子設計競賽—2020年TI杯模擬電子系統設計邀請賽兩項賽事全國一等獎。其中，在2020年全國大學生電子設計競賽專題邀請賽中，全國48所高校91支隊伍參賽，僅有5所高校獲得全國一等獎，我校排名并列全國第二。同時，我校被組委會指定現場展示競賽作品，并作為湖北省唯一獲得全國一等獎高校，代表武漢地區高校發言，接受媒體指定采訪，匯報如何克服新冠肺炎疫情不利影響，取得如此優異成績。在頒獎典禮上，全國競賽組委會領導、專家對我校及參賽學生給予了高度評價。

（3）近5年，電工電子夢工場培訓學生1 000余人，在全國各類學科創新創業競賽中，獲獎學生400余人，獲國家級獎30余項，省部級獎100余項。其中，在近4屆的全國大學生電子設計競賽—TI杯模擬電子系統設計邀請賽中，成績突出，（2014年，2018年）獲全國一等獎排名全國第一，2020年排名并列全國第二。

（4）經電工電子實驗教學平臺培訓的學生，不僅專業基礎扎實，學習成績優異，而且創新能力強，綜合素質高，品學兼優。幾年來，大批學生在全國各類創新創業競賽中獲獎，在核心期刊發表研究論文或獲批國家發明專利。由于科技創新成績突出，電子信息類專業每年都有大量學生獲免試攻讀碩士學位研究生資格，在全校各類專業中名列前茅。其中，一些學生申請到中科院電子所、清華大學、上海交通大學等科研院所和高校免試攻讀碩士學位或碩博連讀；另有一些學生選擇到華為、中興、烽火等知名IT企業就業；還有一些學生自主創業，注冊公司，銷售自主開發的電子產品，產生經濟和社會效益。

3 結 語

實驗教學平臺虛實結合的成效經過實踐檢驗，在統籌協調虛擬仿真實驗教學中心建設與實驗教學示范中心發展兩者關系基礎上，通過加強實驗教學資源信息化建設，完善虛擬仿真實驗教學環境，優化虛擬仿真實驗教學項目，從時間、空間、網絡等多個維度，在人員、場地、儀器設備、軟件與數據、課程與項目、技術與資金等多個方面，推動實驗教學與現代信息技術深度融合，拓展實驗教學示范中心資源，提升資源開放共享水平，促進實驗教學示范中心內涵發展，提高學生綜合設計和創新能力，助力拔尖創新人才脫穎而出。