信息类专业虚拟仿真教学及管理平台的构建

汪源+周密

摘 要：文章对国内传统的实践教学的弊端进行分析，提出“开放共享、优化管理、先虚后实”的原则，构建信息类专业虚拟仿真教学及管理平台。平台包含实验仿真、教学管理、教学资源、考核资源、实验室管理和虚拟考试等六部分，给管理人员智能、全方位管理和监督实践教学、教师快捷安排教学内容和阶段性考核等开辟了全新的渠道，为相关专业实践教学模式、考核方式等内容的改革提供一种新思路。

关键词：虚拟仿真教学及管理平台；电子信息；开放共享

随着近十几年全球信息化的发展，教育信息化建设已在我国受到极大的关注。2010年中共中央、国务院发布的《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》和2012年中华人民共和国教育部发布的《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》都提出加快发展教育信息化建设。2013年中华人民共和国教育部印发的《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》明确指出发展虚拟仿真实验教学中心。

三亚学院（以下简称“本校”）在2014年通过中华人民共和国教育部本科教学工作合格评估后向应用型大学转型的进程中，积极响应国家的教育信息化建设的号召，不断加大校园信息化建设的力度。在提升本校实践教学质量和水平的同时，也非常重视实践教学管理，在借鉴其他高校工作经验的基础上，于2015年开始在本校理工学院电子信息类专业试点建设“虚拟仿真教学及管理平台”，为本校实践教学的开展提供虚拟仿真环境和教学管理系统，解决了实践教学和管理过程中存在的问题，初步提升了理工学院的实践教学质量和水平。

一、国内实践教学存在的问题

目前我国存在一大批高校从传统高校向培养应用型人才高校转型，随着应用型高校联盟的成立，应用型高校的人才培养层次和规格也逐渐明晰，人才培养的途径和配套的课程体系也在逐渐形成，但由于各高校实验室体系庞大、设备成本高昂，实验室的功能转型相对人才培养目标的转型缓慢得多。虽然学校都很关注对学生运用专业知识的技能和素养的培养，但大多数高校的实验教学都是通过演示性、验证性实验来支撑的，这种直观的形式不仅便于学生掌握，也让学生可以更好地理解知识本身。但这样的教学模式也存在以下问题：①实验室的管理难度很大，设备维护成本高，很难实现实践教学资源的灵活管理。②以人工管理为主的模式使管理工作的任务繁重，需要避免所有课程的人、时、地之间的冲突，同时还需能够对实验室的设备进行前期的准备和调试，对教师教学和学生学习进行管理和监督等，其中对于教与学各过程的管理和监督需要人为进行操作完成，因此较为容易出错。③教师的教学任务繁重，需按照教学需求和人才培养方案的目标调整教学大纲，设定教学重点、难点，准备各种教学文档对学生进行过程化考核。随着高等教育从精英化向大众化转变，专业学生人数呈现大量增长的趋势，因此，教师没有足夠的精力去管理学生，这样的现状与教学过程需要教师进行过程化考核的要求之间形成较大的矛盾。④学生学习习惯、自觉性较差，部分学生不能很好地管理自己的学习过程，且不能反复自学。⑤实验室建设费用高昂，前期投入大、后期维护费用高，实验室使用率不高，硬件实验设备损坏比例较大，维护难，寿命短，且以验证型实验器材为主。⑥学生数量众多，教师指导难以到位，不能分层分类培养学生，教学目标难以落实，实验教学容易走过场，设计性和探究性实验难以开展，体现不出因材施教。⑦现行的教学模式容易产生众多纸质化的教学过程档案，容易造成教学成本浪费，且不易保管。

二、平台建设目标

平台建设之初的定位是服务理工学院的所有班级（也可扩展为其他学院部分班级）的实践教学，因此在建设时需预留接口，以便今后能和其他专业仿真平台和软件对接，能够整合成一个校级综合大平台。

采用多媒体技术手段，充分利用Proteus、LabVIEW、Multisim、MATLAB、GMDSS及汽车仿真教学等虚拟仿真软件的设计及虚拟仿真等功能。同时平台的建设也形成学校之间、学院之间及校企之间共建、共享、共营的新型协同体，更好地为培养校内外具有实践创新能力的优质人才提供服务。具体的目标包括：

（1）实现对绝大部分实验课程的教学管理和监督。减轻人工的程序化的工作，通过平台帮助教师过程化监督学生的学习状态，让教师全身心地投入教学目标的落实、学生动手能力的训练上，进行教学内容、教学方式等方面的改革，开设设计性、探究性实验；系统记录教师的过程化教学管理内容，增加评判教学管理好坏的依据；系统定时考查可以优化学生的学习习惯，提高学生学习的自觉性；此外，可以减少实验室维护费用，将纸质化教学档案转化为电子化教学档案，减少教学成本，便于教学管理及监督。

（2）理工学院的实验项目应包含演示性、验证性、综合性、设计性等多个层次，虚拟仿真实验应涵盖学生学习的全过程。从器件到电路，采用PSpice、Multisim等仿真软件，结合LabVIEW等工具软件，实现电路分析、数字电子技术、模拟电子技术等的仿真设计；从信号到处理，利用Verilog、DSP Builder、Matlab等EDA工具软件，实现信号采集分析与处理；从传输到控制，结合Matlab、Simulink等，实现通信传输和控制实验；从单元到系统，结合Proteus、Multisim等，实现功能单元和集成系统设计；此外，结合Protel、Orcad、Padscad等布线软件，实现从设计到应用级仿真。

（3）构建高等学校之间虚拟仿真实验教学示范中心共享资源的渠道。通过互联网技术和云端服务器，可以为实现与国内优秀高校的国家级虚拟仿真实验教学示范中心教学平台的互通提供软硬件平台，各个学校的教师之间可以共享优质的教学资源，学生也可以像学习MOOC一样，通过网络进行实践类课程的学习，获取名校名师的指导。

三、平台架构和功能

虚拟仿真教学及管理平台由6个模块构成，如图1所示。这6个模块相辅相成，紧密结合，共同组成平台的架构和功能。

实验仿真模块是本系统的核心模块，所有的仿真实验、考试、测评和角色体验等都可以利用Proteus、Multisim、LabVIEW等仿真环境在平台上进行。

视频教学和题库管理是平台的内容部分，提供教学、实验和测评的具体内容，也是工作量最大的部分，并且可以依据建设的需要后续添加。

系统管理和考试系统是平臺的管理部分，通过各种角色可以实现时间教学管理的各种功能。

虚拟仿真教学及管理平台功能包括：①实现对绝大部分实验课程的教学管理和监督；②教师对教学内容的设计，包括上传各种教学文档、教学资源、考核资源等；对学生进行过程化考核，包括学生是否预习、复习、完成作业等；③学生通过平台进行相应教学资源的学习、整理笔记、复习、完成并提交作业及项目考核；④学生在教师的指导下，进行实践教学环节学习，包括基础技能训练、课题仿真设计、自主开发创新和岗位角色体验等，完成学习任务。

本校虚拟仿真教学及管理平台界面如图2所示。

四、平台建设成效

（1）实现电子信息类各专业大部分课程实验项目的虚拟仿真，部分因实验设备陈旧而完成不了的项目或难度较大的项目，可以根据学生实际情况分成“虚拟仿真”和“实际操作”两个层次分类指导，实现分类分层次培养的教学理念，减轻教师的工作量，提高实验室利用效率，降低实验设备损坏率，减少教学成本。

（2）平台可以将教师过程化教学管理的内容与执行情况记录下来，对教师进行全过程化的监督和考核，增加评判教学管理的依据。

（3）为“小班上课”的改革提供平台，系统根据学生的学习状态及学习进程来划分层次，根据层次来预约小班辅导的时间，同时小班辅导的形式也可从课堂转移到虚拟的网络中。

（4）为课程论文（项目）的改革提供平台，课程论文（项目）的选题、项目系统的虚拟仿真实现、实施过程中教师对学生的管理、学生与教师的交流等都可在该平台中实现。

（5）实现无纸化教学和管理，教师的所有教学资源、学生的所有学习资源及教务管理的文档全部电子化，极大方便了各种教学资料的管理和存储的问题，真正实现无纸化教学和无纸化办公。

总之，对国内传统的实践教学的弊端进行分析，提出“开放共享、优化管理、先虚后实”的原则，本校建设了信息类虚拟仿真教学及管理平台，为管理人员智能、全方位管理和监督实践教学、教师快捷安排教学内容和阶段性考核等开辟了全新的渠道。

平台的建设，加强了对本校电子信息类专业学生的实践能力和创新精神的培养，提高了创新人才的培养质量，为电子信息类专业实践教学体系改革提供了一种新方法。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.教育信息化十年发展规划（2011—2020年）[Z].2012-03-13.

[2]胡今鸿，李鸿飞，黄 涛.高校虚拟仿真实验教学资源开放共享机制探究[J].实验室研究与探索，2015，34（2）：140-144.

[3]张士磊，孟昕元.创新实践型人才培养的实验教学改革与探索[J].实验科学与技术，2014，12（1）：149-152.

[4]李 健.实验教学效果评价体系构建与实证研究[J].实验科学与技术，2014，12（4）：79-84.

（作者单位：三亚学院理工学院）