虛擬仿真與實(shí)踐遞進(jìn)教學(xué)在創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的應(yīng)用研究

萬 文

（南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院，江西 南昌 330063）

0 引言

虛擬仿真教學(xué)是在新時(shí)代高等教育發(fā)展背景下，主動適應(yīng)新技術(shù)變化，提升學(xué)生應(yīng)用實(shí)踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要舉措[1]。傳統(tǒng)教學(xué)模式已經(jīng)不能滿足信息化時(shí)代教育的發(fā)展需求，并且缺乏對學(xué)生理論與實(shí)踐的綜合訓(xùn)練，導(dǎo)致學(xué)生自主學(xué)習(xí)和動手能力差，抑制了學(xué)生的創(chuàng)造能力[2]。利用虛擬仿真技術(shù)，讓學(xué)生更好地理解掌握課堂知識，可以有效地改善實(shí)驗(yàn)條件，在一定程度上節(jié)省教育投資，可重復(fù)操作，直至得出滿意結(jié)果，同時(shí)可根據(jù)發(fā)展需要跟上教學(xué)內(nèi)容的不斷更新，虛擬仿真教學(xué)提供了一個自主、交互和直觀的學(xué)習(xí)環(huán)境，打破了空間和時(shí)間的限制，學(xué)生可以充分利用課余時(shí)間，快速通過仿真學(xué)習(xí)到相關(guān)知識點(diǎn)，同時(shí)可以高效的進(jìn)行反復(fù)論證，方便學(xué)生在任何場合進(jìn)行協(xié)作學(xué)習(xí)，對提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效果具有不可忽視的作用。

本文通過采用虛擬仿真優(yōu)化、豐富教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)教學(xué)案例，在實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新訓(xùn)練和畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生綜合創(chuàng)新設(shè)計(jì)和實(shí)踐探究能力，讓學(xué)生在教學(xué)的各個方面得到全方位的訓(xùn)練。

1 教學(xué)存在的問題及解決問題的方法

1.1 教學(xué)存在的問題

目前，教學(xué)存在教學(xué)方法與手段單一、教學(xué)資源有限和教學(xué)時(shí)間不足問題。課堂上由于缺乏虛擬仿真演示的感性認(rèn)識，學(xué)生不能很好地理解掌握課堂知識，由于學(xué)習(xí)時(shí)間和空間有限、實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備短缺，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固定且學(xué)生只能被動驗(yàn)證的局面，很難激發(fā)積極性和創(chuàng)造性，課后學(xué)生存在自主學(xué)習(xí)及自學(xué)能力較差的情況，由于沒有合適的具有開放性和真實(shí)感的教學(xué)軟件，缺乏一個自主、交互和直觀的學(xué)習(xí)環(huán)境，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效果欠佳，同時(shí)人才培養(yǎng)中又存在重理論輕實(shí)踐、學(xué)生綜合能力培養(yǎng)和訓(xùn)練不足[3]，缺乏教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生動手能力和科研能力有待加強(qiáng)等問題。

1.2 解決問題的方法

解決問題的方法通過“教師課堂引入指導(dǎo)學(xué)生理論學(xué)習(xí)虛擬仿真技術(shù)”“學(xué)生自學(xué)虛擬仿真技術(shù)”和“學(xué)生實(shí)踐操作”三個環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)教、學(xué)、做一體化。將教學(xué)理論同專業(yè)教師的科研、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，采用理論教學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合，課堂教學(xué)與自學(xué)相結(jié)合并利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，“理論、虛擬仿真、實(shí)踐”三層次遞進(jìn)教學(xué)模式中，學(xué)生首先通過老師課堂教學(xué)引入虛擬仿真演示進(jìn)行理論學(xué)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生感性認(rèn)識，豐富教學(xué)內(nèi)容，提高課堂教學(xué)效果，讓學(xué)生更好地理解課堂知識，接著進(jìn)行虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目的練習(xí)，讓學(xué)生通過老師發(fā)布的學(xué)習(xí)資料及網(wǎng)上教學(xué)平臺自主學(xué)習(xí)，進(jìn)行虛擬仿真練習(xí)，對理論知識進(jìn)行重構(gòu)，自行解決理論學(xué)習(xí)中的關(guān)鍵、重難點(diǎn)知識，最后通過課程設(shè)計(jì)、創(chuàng)新訓(xùn)練和畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行更系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)踐，加強(qiáng)對學(xué)生動手實(shí)踐能力的培養(yǎng)，虛擬仿真訓(xùn)練貫穿教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，通過課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、大作業(yè)、課程設(shè)計(jì)、三小課題、畢業(yè)設(shè)計(jì)、競賽一系列循序漸進(jìn)的訓(xùn)練，從中尋找教學(xué)規(guī)律，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。解決問題的研究方案如圖1 所示。

圖1 解決問題的研究方案

2 教學(xué)改革內(nèi)容

2.1 虛擬仿真技術(shù)引入課堂環(huán)節(jié)

在課堂教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)，精心組織教學(xué)內(nèi)容，改善教學(xué)手段。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)教學(xué)案例，對課堂教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，適當(dāng)調(diào)整，優(yōu)化、更新教學(xué)內(nèi)容，在微機(jī)原理及應(yīng)用課程中引入proteus 仿真軟件，針對每章典型例題進(jìn)行仿真演示，以仿真技術(shù)來替代圖片，互換性與技術(shù)測量課程中引入虛擬儀器技術(shù)LabVIEW，借助虛擬仿真平臺，通過案例化虛擬仿真演示，演示內(nèi)容有加工精度評定、形狀誤差評定和表面粗糙度評定等，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中有更感性的認(rèn)識，將課本知識及時(shí)運(yùn)用于實(shí)際仿真，并利用網(wǎng)上教學(xué)平臺上傳學(xué)習(xí)資料，在布置作業(yè)時(shí)適當(dāng)安排設(shè)計(jì)類大作業(yè)，鍛煉學(xué)生查找資料、獨(dú)立完成任務(wù)的能力。讓學(xué)生更好地理解掌握課堂知識，通過抽象內(nèi)容的形象化展現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生主動思考，得到可視化的教學(xué)效果。課堂教學(xué)案例的虛擬仿真，見圖2 和圖3。

圖2 課堂教學(xué)案例的虛擬仿真

圖3 課堂教學(xué)案例的虛擬仿真

2.2 實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì)中引入仿真技術(shù)

確立實(shí)際操作與計(jì)算機(jī)模擬仿真結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，利用虛擬仿真技術(shù)有效地改善實(shí)驗(yàn)條件，達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)效果。在微機(jī)原理及應(yīng)用課程實(shí)驗(yàn)中引入仿真，更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，減少了驗(yàn)證性、演示性實(shí)驗(yàn)，由于仿真不受時(shí)間地點(diǎn)的限制，學(xué)生實(shí)驗(yàn)前可以在自己的電腦上初步設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)，建立虛擬實(shí)驗(yàn)室，課后繼續(xù)完善實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以提供開放式實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室向?qū)W生開放，學(xué)生能更好地個性化地完成實(shí)驗(yàn)，通過學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，在實(shí)施過程中使學(xué)生從“要我做”變?yōu)椤拔乙觥保龠M(jìn)了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極性和主動性。在微機(jī)原理及應(yīng)用課程大作業(yè)及課程設(shè)計(jì)中引入仿真，布置項(xiàng)目要求，1 人1 題，畫電路圖，用C 語言或匯編語言軟件編程，要求學(xué)生仿真并運(yùn)行成功后，打印紙質(zhì)稿，最后制作PPT 進(jìn)行答辯，學(xué)生通過在網(wǎng)上、圖書館查找課外資料，綜合能力得到較大提高。

2.3 實(shí)踐教學(xué)與工程應(yīng)用緊密結(jié)合

在課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、三小項(xiàng)目等創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)中引入了虛擬仿真技術(shù)，由于有實(shí)驗(yàn)和大作業(yè)的訓(xùn)練，學(xué)生在三小課題的申報(bào)時(shí)考慮單片機(jī)控制的課題較多，而課程設(shè)計(jì)又為畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行鋪墊，環(huán)環(huán)相扣，選題結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，將教師的科學(xué)研究內(nèi)容融入實(shí)踐教學(xué)之中，激發(fā)學(xué)生參與的熱情，增加機(jī)電一體化方面的創(chuàng)新設(shè)計(jì)內(nèi)容。學(xué)生先查找資料進(jìn)行設(shè)計(jì)，proteus 仿真成功后再制作實(shí)物，鍛煉學(xué)生從設(shè)計(jì)到制作成品的工作能力，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)了學(xué)生的機(jī)電一體化綜合設(shè)計(jì)能力，解決了人才培養(yǎng)中重理論輕實(shí)踐、學(xué)生綜合能力培養(yǎng)和訓(xùn)練上不足的問題，加強(qiáng)對學(xué)生動手實(shí)踐能力的培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、做”一體化。通過實(shí)施，三小課題立項(xiàng)結(jié)題52 項(xiàng)，獲校優(yōu)秀畢業(yè)論文11 項(xiàng)，實(shí)物制作42 件。

2.4 教學(xué)與科研、競賽相融合

針對實(shí)踐環(huán)節(jié)完成較好的項(xiàng)目，指導(dǎo)學(xué)生申報(bào)專利、撰寫論文和參加各類競賽，在學(xué)生進(jìn)行申報(bào)專利、撰寫論文和參賽過程中，學(xué)生自己查找資料、申報(bào)撰寫，提高學(xué)生的科研興趣，拓寬學(xué)生的知識面，指導(dǎo)學(xué)生比賽獲國家級、省級、校級獎，授權(quán)專利7 項(xiàng)，通過比賽，充分發(fā)掘了自身的潛能以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，給學(xué)生提供了更高的平臺，在學(xué)業(yè)上得到更長遠(yuǎn)的發(fā)展，對今后學(xué)生的就業(yè)及工程設(shè)計(jì)能力產(chǎn)生積極的影響。

3 實(shí)施效果

通過在課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新訓(xùn)練等教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行虛擬仿真與實(shí)踐遞進(jìn)教學(xué)模式的推廣應(yīng)用，有效地提高了教學(xué)質(zhì)量，將虛擬仿真技術(shù)和動手實(shí)踐應(yīng)用于教學(xué)中，不僅可以把許多抽象和難以理解的內(nèi)容變得生動有趣，還節(jié)約了教學(xué)成本，提高了課堂教學(xué)效率，加強(qiáng)對學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，虛實(shí)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)的高效結(jié)合，注重實(shí)踐訓(xùn)練，學(xué)生學(xué)習(xí)由接受式學(xué)習(xí)變?yōu)樘骄渴綄W(xué)習(xí)，能為學(xué)生的多樣化學(xué)習(xí)創(chuàng)造環(huán)境，鍛煉學(xué)生從設(shè)計(jì)到制作成品的工作能力，提高學(xué)生的文獻(xiàn)查閱，培養(yǎng)了學(xué)生的科研興趣，學(xué)生不僅能鞏固課程的理論知識而且能培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和處理問題的能力，學(xué)生經(jīng)過機(jī)電一體化的實(shí)物制作，解決了生產(chǎn)、生活中的實(shí)際問題，提高了動手制作能力，學(xué)生得到多方面應(yīng)用性強(qiáng)的綜合訓(xùn)練，學(xué)生在創(chuàng)新意識、工程設(shè)計(jì)能力和應(yīng)用能力等方面多元化發(fā)展。圖4 所示為上下位機(jī)聯(lián)調(diào)虛擬仿真及實(shí)物，圖5 所示為校優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)的部分實(shí)物。

圖4 薄片零件分類上下位機(jī)聯(lián)調(diào)虛擬仿真及實(shí)物

圖5 校優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)的部分實(shí)物

4 結(jié)語

通過虛擬仿真和實(shí)踐遞進(jìn)教學(xué)模式的實(shí)施，將理論教學(xué)與實(shí)踐項(xiàng)目相結(jié)合，探索教學(xué)活動與工程應(yīng)用緊密結(jié)合的原則，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力，加強(qiáng)對學(xué)生動手實(shí)踐能力的培養(yǎng)，將應(yīng)用能力貫穿人才培養(yǎng)全過程，對于培養(yǎng)學(xué)生的自主能力、創(chuàng)新能力、分析和解決問題的能力將起到潛移默化的作用，對今后學(xué)生的就業(yè)及工程設(shè)計(jì)能力產(chǎn)生積極的影響，虛擬仿真和實(shí)踐遞進(jìn)教學(xué)不僅是一種新的教學(xué)方法和教學(xué)手段，也將成為教學(xué)改革的一個重要方向。