虛擬仿真實驗平臺在測控專業實驗教學中的應用

劉旭玲 杜文遼 高燕飛 王良文 金少搏

摘要：開展虛擬仿真實驗教學是國家教育體系信息化和新工科體系改革的直接體現，也是未來高校實驗教學發展的基本方向。文章總結測控專業實驗教學的特點，提出建立虛擬仿真實驗平臺的必要性，分析虛擬仿真實驗平臺在測控專業課程實驗教學中的應用優勢和作用，并提出虛擬仿真實驗平臺在測控專業實驗教學中的應用方法。

關鍵詞：虛擬仿真實驗平臺；測控專業；實驗教學

深化高校人才培養過程中的教學模式改革，加強實踐教學，是深化新工科教育體系改革和培養社會所需人才的必然要求，也是國家全面提高教育質量和加快推進教育現代化的重要內容。測控專業是電子電路、精密機械、光學檢測、自動控制、信息技術、智能傳感與網絡傳輸等多學科滲透交叉的綜合學科。學生所學的過程檢測控制、檢測技術及應用、儀器總線技術等專業課，均需要用到與課程內容配套的相關教學實驗平臺。

在測控專業人才培養中，實驗教學對培養學生實踐技能、工程素養與創新能力具有重要作用。實驗教學中涵蓋實訓、實踐、實驗與實習等環節，但這些環節需要高校投入合適的實驗室場地、大量的課程時間和高昂的建設經費，而且傳統實體實驗設備簡單、實驗內容單一、涵蓋知識散亂，而開發新的實驗手段又問題頗多。因此，高校急需開發虛擬仿真實驗平臺，彌補傳統實體實驗教學的不足。為加強對實驗教學信息化工作的宏觀指導與管理，教育部先后出臺《關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》和《教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》等文件，文件明確指出高等教育實驗教學應與信息技術深度結合，從廣度和深度上拓展實驗教學內容，打破傳統實驗教學的地域限制，全面提高實驗教學質量。

一、測控專業實驗的特點

測控技術是以科研和工業生產領域為應用背景，基于現代感知技術、機械工程技術、數據處理技術、計算機技術、先進制造技術、精密控制技術、網絡傳輸技術等多學科滲透交叉的寬口徑復合型專業人才培養模式，是基于工程實踐經驗發展而來的學科。在教育信息化和新工科體系改革背景下，測控專業未來將朝著信息化、網絡化、智能化的方向發展，其核心課程涉及的實驗教學均具備如下特點：第一，測控專業是多學科融合交叉形成，因此專業課實驗內容涵蓋知識點多且綜合性較強；第二，實驗從整體設計、傳感器選型、整體制備、檢測和數據處理、撰寫實驗報告等需要時間較長。第三，由于實驗設備和學時限制，每個學生在分組中只負責部分實驗內容，不熟悉整個實驗工序，制約了學生全程、直接參與，導致學生對整體課程實驗缺乏認知。

學生實踐知識體系較為片面，缺乏對課程實驗的整體認知，工程實戰經驗更是甚少體驗，這與新工科改革背景下工程教育認證以“學生為中心，產出為導向”的核心理念相違背，更無法培養學生解決復雜工程問題能力。

二、測控專業實驗教學機制存在的問題

（一）沒有重視學生的個性培養

新時代教育理念要求求同存異、以人為本和因材施教，然而目前高校的實驗教學模式是以實驗指導書的內容為主，學生按照實驗指導書的要求和步驟生硬模仿，千篇一律。這種實驗教學模式忽略了學生接受程度、認知程度、興趣愛好、職業取向等個體差異，造成學生只是被動接受所學知識，并非工程教育認證所提倡的自主學習。交叉融合的測控專業應該培養復合型人才，因此需要新穎的實驗教學平臺幫助學生提煉和構建完整的知識體系。

（二）限制學生的想象力與創造力

傳統實體實驗教學模式主要是采用“實驗指導書+講解+模仿+合作完成”的教學模式進行人才培養，限制了學生想象力的發展，學生難以發揮自主性和創造性，這違背了工程教育認證“產出導向”的核心理念，難以為社會培養高素質人才。同時，高校傳統實驗室存在設備老化、側重點不同、設備規范繁多、管理制度陳舊、地域限制、網絡空間限制等方面的不足，無法為交叉學科測控專業學生提供理想、復合、多功能的環境，學生在實驗過程中只能淺嘗輒止，不能獲得自主、沉浸式學習體驗，不利于建立完整的學習體系。

（三）缺乏智能測控新工科理念

如今，測控行業向著智能化、網絡化、數據化方向發展。在新工科導向下，測控專業應以智能感知和數字化發展為專業導向，為社會各行業提供智能化檢測技術。然而，在傳統實驗項目中，學生時常有抄襲實驗報告、“等靠拖”、機械式完成實驗的現象，教師很難僅通過調整傳統實驗方案實現因材施教，導致無法培養出高素養的復合型人才。建立體驗式實踐教學環境是實現新工科教育體制改革的必需條件，但是目前高校測控專業普遍缺乏面向新工科的創新支撐實驗教學平臺和靈活多樣的實踐學習模式，如何在新工科背景下建設測控專業智能實踐教學環境，是體現教學改革的重要因素。

三、虛擬仿真實驗平臺在測控專業教學中的優勢和作用

（一）虛擬仿真實驗平臺在測控專業教學中的優勢

首先，虛擬仿真教學實驗平臺具有教學地域靈活，時間可選、可重復，節能等優點，建立網絡化的虛擬仿真實驗平臺是對實體實驗設備與內容的拓展。其次，虛擬仿真實驗平臺具有的可視化動態仿真流程與結果的功能，對學生直觀感受實驗現象、體驗實驗流程、分析實驗結果、加深綜合理論知識有良好的輔助效果。最后，虛擬仿真實驗緊密結合教學、科研與工程實踐，將最新技術理念、成果與方法融入實驗教學，能提高學生的實踐創新能力和科研能力，真正發揮資源開放和體驗式實驗的功能，為測控專業建立信息化智能實踐教學環境指明方向。

以檢測技術及應用課程為例。該課程包含溫度和壓力檢測、變送控制實驗、液位、流量、含量變送、控制實驗等實驗內容，且實驗內容需要組態軟件編程，且該實驗數據采集周期較長，實驗準備工作煩瑣。傳統實驗是采用三容水箱儀器總線實驗臺，每組實驗從實驗設計、傳感器選型、組態程序編制、面板連線、物理信號采集和實驗數據采集至少需要3天至5天時間。

例如，三容水箱溫度采集周期較長，室溫從20℃到60℃需要12小時左右，且實驗準備工作煩瑣，學生一般很少有耐心觀察傳感器測量數值的變化曲線過程。另外，實驗學時有限，一般為2學時，所以學生能觀察的溫度變化范圍只有約0.5℃，這個變化范圍無法反映傳感器的測量動態特性、水溫變化控制過程、水溫穩態波動范圍和精度等內容。而且，學生需要屏幕操作顯示軟件組態王進行編程，但只靠2學時的實驗課堂，學生可能連組態王基本功能都不理解，更談不上隨需編程。

針對上述問題，教師可以借助虛擬仿真實驗平臺，讓學生通過網絡平臺進行操作，應用課外時間就能完成整個實驗過程。這樣一來，學生能直觀地了解工業生產過程，體會沉浸式學習的快樂，同時滿足新工科時代學生時間碎片化、空間網絡化的學習特點，提高學生的學習效率。

（二）虛擬仿真實驗平臺在測控專業教學中的作用

高校可以應用虛擬仿真實驗平臺創新和整合實驗教學資源，建立創新、復合、自主學習、終身學習的人才培養實驗教學體系，構建虛實結合、開放互享、功能多樣、資源優化、運行高效、高效仿真的虛擬實驗環境，激發學生自發學習、自主實驗和創新實踐的興趣。教師應用虛擬仿真實驗平臺能推動實驗教學信息化與智能測控專業的高效融合，加強實驗教學資源智能化、網絡化、數字化的信息化建設，并在信息化技術支撐下，持續改進和創新實驗教學模式與方法。虛擬仿真實驗平臺有成本適宜、直觀生動、工程實景、客觀真實等優渥特性，能為測控專業建立信息化智能實踐教學環境指明方向。

四、虛擬仿真實驗平臺在測控專業教學中的應用

學生依托網絡環境，借助網絡終端實踐教學設備登錄虛擬仿真實驗平臺系統，點擊需要做的實驗項目，通過在線自主選擇模塊，搭建虛擬實驗平臺，設置器件性能參數，完成實驗教學內容。

以儀器總線技術課程中的實例——冶金行業火力發電廠為例，虛擬仿真平臺能實現包括溫度、壓力、液位、流量等基本物理量的信號調節和指示，汽包內水位的開環/閉環回路控制，汽包內蒸汽溫度過高報警與處理，工藝流程記錄，手動/自動操作，各基本物理量的瞬態檢測，實時處理，信息記錄，即時/歷史趨勢圖，工藝流程過程細節，報表生成，系統誤操作，數據采集與傳輸，歷史數據處理與分析等操作。學生可以根據自己的想法，任意組合虛擬設備，搭建需要的虛擬實驗項目平臺，根據項目需求選擇合適的虛擬傳感器，工藝流程中的物理量通過虛擬實驗平臺在線檢測，記錄實驗數據，查看實驗結果，總結得出實驗報告，并在虛擬仿真實驗平臺上傳。

例如，某學生想觀測汽包內水位變化過程，設定汽包內初始水位為0米，目標水位為2.5米，入口流量設定為4.0升/分鐘，出口流量設定為0.5升/分鐘，液位傳感器選擇GUY5，選擇控制方法為經典PID控制方法，控制精度設定為0.001。學生可以根據自己選定的參數觀察液位上升和穩態過程，穩態過程液位波動范圍是否在2.499～2.501米內變化，傳感器動態測量過程是直線式、分段直線式、有規律上升曲線，還是無規律上升曲線。教師根據審閱實驗報告和搭建實驗平臺的合理性、操作過程是否恰當給予打分，保證了考核方式的多樣化和學生成績的相對公平性。

在教育信息化、新工科建設、工程教育認證的大背景下，依據已有虛擬仿真實驗項目的操作經驗，教師應該優化虛擬仿真實驗結構，持續改進實驗教學，拓展虛擬仿真新資源，提高現有虛擬仿真實驗平臺的性能，使虛擬仿真實驗平臺成為一個體系完善的在線實驗教學資源，實現教學成果評價體系多樣化。

綜上所述，高校開展虛擬仿真教學是未來智能測控專業實踐教學信息化改革發展的有效途徑，能在智能測控專業理論和實踐教學的基礎上，促進現代化信息技術與實驗教學項目深度連接到新型實驗教學環境中，形成實踐教學線上與線下相結合的信息化實踐教學體系。教師整合并共享多門硬件類課程資源，加強課程間的延續性和課后的拓展性，能更好地培養學生的創新能力、綜合分析能力和工程素養。總之，該項教學實驗項目改革必將推動我國高等教育“變軌超車”，鑄造高等教育強國夢。

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基金項目：2021年度河南省高等教育教學改革研究與實踐項目，項目編號：No.2021SJGLX 192；2021年度鄭州輕工業大學校級教改項目，項目編號：No.063。

（作者單位：劉旭玲，杜文遼，王良文，金少搏 鄭州輕工業大學機電工程學院；高燕飛 鐵道警察學院公安基礎教研部）