工程教育實驗教學(xué)資源平臺研究
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高等工程教育作為培養(yǎng)工程科技人才的重要環(huán)節(jié)，與國家和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)[1-2]。隨著國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略、“一帶一路”倡議和“中國制造2025”的進程，如何培養(yǎng)具有工程創(chuàng)新意識、工程實踐能力和創(chuàng)新能力的復(fù)合型人才，已經(jīng)成為國內(nèi)高等教育領(lǐng)域最重要的任務(wù)[3]。為推動工程教育不斷改革創(chuàng)新，以適應(yīng)國家戰(zhàn)略的發(fā)展需要和國際競爭的新形勢，我國2016年加入了《華盛頓協(xié)議》[4-5]，2017年提出了“新工科”建設(shè)的思路[6-11]，強調(diào)培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，注重教育成果產(chǎn)出及持續(xù)改進人才培養(yǎng)質(zhì)量，實施以學(xué)生為中心的教學(xué)理念[12]。工程創(chuàng)新能力是學(xué)生在工程實踐活動中綜合素質(zhì)的體現(xiàn)。實驗教學(xué)是工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)的啟蒙環(huán)節(jié)，是工程教育中不可或缺的組成部分。實驗教學(xué)是在一定的實驗資源支撐下，以實驗項目為載體，通過讓學(xué)生循環(huán)往復(fù)地學(xué)習(xí)、模仿和積累，訓(xùn)練學(xué)生掌握實驗技能的過程。實驗教學(xué)需要內(nèi)容優(yōu)化、資源平臺支撐和過程管理三位一體的協(xié)調(diào)運作[13]。教育部《關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》要求“深入推進信息技術(shù)與高等教育實驗教學(xué)的深度融合，不斷加強高等教育實驗教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)與應(yīng)用，著力提高高等教育實驗教學(xué)質(zhì)量和實踐育人水平”。各高校已經(jīng)和正在進行著諸多有益的探索[14-15]。為了適應(yīng)當(dāng)前經(jīng)濟社會發(fā)展對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)以及高等教育實驗教學(xué)改革的新要求，依托我校省級和部級計算機實驗教學(xué)示范中心并聯(lián)合我校國家級電工電子實驗教學(xué)中心，在原有工作基礎(chǔ)之上[16-18]，以“計算機邏輯設(shè)計綜合實驗”課程急需的信息化實驗教學(xué)內(nèi)容為指向，依托現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，研發(fā)了模塊化、層次化、多元化、系列化虛擬仿真實驗教學(xué)項目以及虛擬仿真實驗教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺，拓展了教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，延伸了實驗教學(xué)的時間和空間，積極探索線上線下教學(xué)相結(jié)合的個性化實驗教學(xué)新模式，逐步形成教學(xué)效果優(yōu)良、開放共享、運行有效的實驗教學(xué)項目新體系，為培養(yǎng)具有扎實信息基礎(chǔ)知識、強烈工程創(chuàng)新意識、較強實踐動手能力和創(chuàng)新能力的計算機類專業(yè)創(chuàng)新型人才提供有力保障。
1教學(xué)體系構(gòu)建
實驗教學(xué)示范中心堅持課程建設(shè)與人才培養(yǎng)相結(jié)合、教學(xué)與科研相結(jié)合、理論教學(xué)與實驗教學(xué)相結(jié)合、虛擬仿真與真實實驗相結(jié)合的原則，構(gòu)建了“123456”虛擬仿真實驗教學(xué)體系，如圖1所示?！?23456”虛擬仿真實驗教學(xué)體系包括：1個目標(biāo)——以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)為目標(biāo)；2個融合——通過第一課堂和第二課堂之間知識互補、機制互動的融合，優(yōu)化整合優(yōu)質(zhì)教育資源；3個集成——著力打造數(shù)字邏輯理論課程、實驗課程和特色拓展實踐課程之間系統(tǒng)集成，從單元學(xué)習(xí)和設(shè)計、再到系統(tǒng)學(xué)習(xí)和綜合設(shè)計的全過程教學(xué)；4個導(dǎo)向——引導(dǎo)學(xué)生通過研發(fā)或設(shè)計成果展現(xiàn)其成功自信、專業(yè)能力、為學(xué)情操和績效責(zé)任等能力和素質(zhì)；5個模式——通過探究式演示、觀察和驗證、反設(shè)計推論、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目訓(xùn)練5種自主學(xué)習(xí)模式，完成知識學(xué)習(xí)、運用和能力訓(xùn)練；6個能力——培養(yǎng)學(xué)生的工程知識運用、方案設(shè)計開發(fā)、現(xiàn)代工具使用、工程社會分析（工程中的社會因素及工程對社會的影響分析）、團隊溝通表達、項目工程管理6個方面工程實踐和創(chuàng)新能力。依托省部級實驗教學(xué)示范中心打造高起點教學(xué)平臺，在教材建設(shè)、設(shè)備研發(fā)、項目開發(fā)、考核評價方面，開發(fā)高水平、高質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)共享教學(xué)資源，保證虛擬仿真實驗教學(xué)體系高質(zhì)量、高效率的運行，從而在專業(yè)技能、研究潛能、合作交流、項目管理方面能夠?qū)崿F(xiàn)全方位培養(yǎng)創(chuàng)新人才。
2教學(xué)資源平臺設(shè)計
2.1設(shè)計原則。堅持以學(xué)生為中心、以實踐為中心、以能力培養(yǎng)為中心的設(shè)計原則，以解決復(fù)雜工程問題為主線，引導(dǎo)科學(xué)思維為目的，把理論知識、實驗技能以及創(chuàng)新意識融入到“計算機邏輯設(shè)計綜合實驗”課程的理論學(xué)習(xí)與工程創(chuàng)新實踐教學(xué)當(dāng)中，既要體現(xiàn)知識的綜合性與工程創(chuàng)新性，又要體現(xiàn)能力與素質(zhì)培養(yǎng)，遵循認(rèn)識→理解→消化→實踐→提升→創(chuàng)新的循序漸進認(rèn)知流程。學(xué)生可根據(jù)已有的知識、技能、愛好以及工程創(chuàng)新意識進行理論知識學(xué)習(xí)與工程創(chuàng)新實踐。通過以做帶學(xué)、以學(xué)促做，激勵自主科技創(chuàng)新學(xué)習(xí)，充分發(fā)揮自身探究能力特長，創(chuàng)造性地解決教師提出的復(fù)雜工程問題。2.2技術(shù)架構(gòu)。計算機邏輯設(shè)計虛擬仿真實驗網(wǎng)絡(luò)平臺（以下簡稱“平臺”）包括理論學(xué)習(xí)、虛擬仿真實驗、輔助功能和系統(tǒng)管理4個部分，如圖2所示。平臺基于Web技術(shù)構(gòu)建，采用B/S架構(gòu).Net框架開發(fā)，插件為Multisim，選擇SQLServer作為服務(wù)器后臺數(shù)據(jù)庫，托管校園網(wǎng)數(shù)據(jù)中心?？蛻舳思瓤梢栽谛?nèi)通過校園網(wǎng)直接訪問仿真平臺，也可以在校外通過Internet訪問，支持500個并發(fā)用戶。平臺基于全局的實踐教學(xué)觀設(shè)計。在設(shè)計中，注重學(xué)生設(shè)計的規(guī)范性，如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與模塊構(gòu)成，模塊間的接口方式與參數(shù)要求；在調(diào)試中，注重電路工作的穩(wěn)定性與可靠性；在測試分析中，注重分析系統(tǒng)的誤差來源并加以驗證；在學(xué)習(xí)中，注重對學(xué)生引導(dǎo)，加強學(xué)生對知識的理解、吸收、拓展和提升。2.3虛擬仿真實驗項目。以急需的實驗教學(xué)信息化教學(xué)內(nèi)容為指向，將復(fù)雜工程問題和教研成果轉(zhuǎn)化成示范性虛擬仿真實驗項目。深入融合教研成果，依托信息技術(shù)，研發(fā)數(shù)量眾多、內(nèi)容豐富、類型齊全的虛擬仿真實驗項目，與企業(yè)的真實案例和實用技術(shù)相當(dāng)，提供工程氛圍的實驗教學(xué)條件，具有模塊化、層次化、多元化、系列化特色，引導(dǎo)學(xué)生探索工程創(chuàng)新項目研發(fā)過程，掌握科學(xué)研究基本方法，強調(diào)人人都能成功，激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動力，使學(xué)生由被動式學(xué)習(xí)變成主動式學(xué)習(xí)，以便加快工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)。（1）邏輯測試實驗。讓學(xué)生熟練掌握邏輯門、編碼器、加法器、寄存器、計數(shù)器等常用數(shù)字集成電路使用和測試，相比實物操作，可達到事半功倍的效果。（2）數(shù)字單元實驗。讓學(xué)生熟練使用邏輯門、編碼器、譯碼器、觸發(fā)器、寄存器、計數(shù)器、RAM、ROM、DAC、ADC等，進行簡單應(yīng)用電路的設(shè)計、理論計算、電路圖繪制、仿真分析以及調(diào)試等全過程，具備分析和解決一般性工程問題的能力，養(yǎng)成實事求是的科學(xué)作風(fēng)和認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。（3）數(shù)字系統(tǒng)實驗。讓學(xué)生熟練掌握常用數(shù)字系統(tǒng)、數(shù)字式控制器、數(shù)字式電子儀器、接口與數(shù)據(jù)通信等系列工程項目所涉及的學(xué)習(xí)研究、方案論證、系統(tǒng)設(shè)計、仿真分析、設(shè)計修改、實驗樣機制作、設(shè)計總結(jié)等全過程，具備利用數(shù)字邏輯技術(shù)知識構(gòu)成數(shù)字邏輯系統(tǒng)的意識，能夠應(yīng)用數(shù)字邏輯技術(shù)的基本原理對工程復(fù)雜問題進行分析和設(shè)計，熟悉和掌握科學(xué)研究的基本過程及方法。2.4教材編寫。為了拓展教學(xué)內(nèi)容的廣度與深度，編寫與課程相關(guān)的工程教育系列教材，如《數(shù)字邏輯與仿真設(shè)計》《數(shù)字系統(tǒng)實驗設(shè)計與指導(dǎo)》《數(shù)字電路實驗與實踐教程》等。新教材具有可讀性、實用性和技術(shù)性，讓學(xué)生感到學(xué)有所值、學(xué)有所用，無論是在課堂上學(xué)習(xí)，還是在課外自學(xué)，都能在一定程度上幫助學(xué)生學(xué)習(xí)掌握工程基本要素、工程技術(shù)設(shè)計方法和分析方法。2.5服務(wù)方式。（1）在實驗的時間、空間、內(nèi)容和儀器設(shè)備方面為學(xué)生全面開放。互動可視化操作貫穿于全過程中，實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)、自主實踐、自主創(chuàng)新。（2）為課堂教學(xué)、遠程教學(xué)、學(xué)術(shù)交流提供有力支持。（3）讓其他高校學(xué)生和社會上的學(xué)習(xí)者分享學(xué)習(xí)機會。（4）為各種競賽培訓(xùn)、個性化培養(yǎng)提供便利，打下堅實基礎(chǔ)。
3運行機制
平臺提供的虛擬實驗環(huán)境近乎真實情境，與實際工作相似，能夠激發(fā)學(xué)生實驗興趣和學(xué)習(xí)動力。學(xué)生能夠親自動手接觸電路，邊學(xué)習(xí)、邊設(shè)計、邊實踐，完全沉浸在現(xiàn)實的學(xué)習(xí)、工作情境中。虛擬仿真實驗教學(xué)整體實施過程包括實驗準(zhǔn)備、實驗仿真、實驗總結(jié)和自我評價4個階段，經(jīng)過21個具體環(huán)節(jié)和步驟。3.1實驗準(zhǔn)備階段。（1）實驗需求分析：通過在線教材或者互聯(lián)網(wǎng)自學(xué)，查閱與實驗題目相關(guān)的背景資料，進行理論知識、實踐技能等方面準(zhǔn)備。（2）方案設(shè)計與論證：學(xué)習(xí)教材的相關(guān)內(nèi)容，還可以查閱其他設(shè)計方案資料。（3）技術(shù)性能參數(shù)設(shè)計：選用教材中給出的數(shù)據(jù)，還可以自行調(diào)整數(shù)據(jù)。（4）電路結(jié)構(gòu)設(shè)計及理由：按照教材中指定的去做，還可發(fā)揮自身創(chuàng)造力。（5）理論推導(dǎo)：按照教材指定步驟，進行公式推導(dǎo)及理論計算。（6）實驗設(shè)計報告編寫：歸納整理步驟（1）—（5）所形成技術(shù)資料，完成實驗設(shè)計報告編寫工作。3.2實驗仿真階段。（7）電路下載：在線瀏覽、下載虛擬仿真電路，進入虛擬仿真實驗環(huán)境。（8）電路檢查：按照設(shè)計報告或教材，嚴(yán)格仔細(xì)檢查電路及線路連接。（9）儀器仿真數(shù)據(jù)測量：參照教材，選擇合適的測試點，接入相應(yīng)的儀器儀表，儀器參數(shù)設(shè)置，運行電路，觀察測試點波形和狀態(tài)變化，記錄測量數(shù)據(jù)。（10）實驗分析：對實驗數(shù)據(jù)、波形、曲線進行認(rèn)真仔細(xì)分析、研究，判斷設(shè)計的合理性、正確性以及存在的問題等。（11）設(shè)計修改：以達到電路性能指標(biāo)要求為目的，或適當(dāng)提高技術(shù)性能參數(shù)。（12）電路布局調(diào)整與子模塊電路生成：規(guī)范或完善電路設(shè)計，并為進一步設(shè)計提供便利。3.3實驗總結(jié)階段。（13）實驗過程描述：主要包括設(shè)計方面、操作方面、分析方面等環(huán)節(jié)。（14）實驗數(shù)據(jù)整理：整理實驗數(shù)據(jù)，輸出波形，繪制曲線，要求實驗數(shù)據(jù)表格規(guī)范，波形、曲線圖清晰、全面，且大小適中。（15）實驗結(jié)論：利用數(shù)據(jù)、波形、曲線，闡述設(shè)計的技術(shù)性、改進性、創(chuàng)新性等。（16）技術(shù)討論：圍繞實驗過程、改進性、建議等展開討論。（17）實驗收獲：闡述宏觀知識、技能等方面的收獲、水平和提高。（18）實驗情況報告編寫：歸納整理步驟（7）—（17）所形成技術(shù)資料，完成實驗情況報告編寫工作。實驗報告=實驗設(shè)計報告+實驗情況報告。3.4自我評價階段。（19）實驗報告成績：參照實驗報告評分指標(biāo)體系，自行估算得分情況。（20）實驗操作成績：參照實際操作評分指標(biāo)體系，自行估算得分情況。（21）實驗成績：實驗報告分值100分，實驗操作分值100分。實驗總分=報告分?jǐn)?shù)×40%+操作分?jǐn)?shù)×60%。成績等級：90~100分為優(yōu)秀，80~89分為良好，70~79分為中等，70~69分為及格。
4結(jié)語
依托省部級計算機實驗教學(xué)示范中心，以培養(yǎng)學(xué)生工程創(chuàng)新意識、工程實踐能力和創(chuàng)新能力為核心，引入網(wǎng)絡(luò)與虛擬仿真技術(shù)，建設(shè)了虛擬仿真實驗網(wǎng)絡(luò)平臺，將教師的教研成果源源不斷轉(zhuǎn)換成實驗教學(xué)內(nèi)容，破解了學(xué)生參與工程實踐和科技創(chuàng)新活動機會少的難題，提高了實驗教學(xué)質(zhì)量和實踐育人水平，形成一個真正基于互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)質(zhì)的高等教育實驗教學(xué)資源共享平臺。
作者:劉海波 沈晶 王革思 劉書勇 國強 單位:哈爾濱工程大學(xué)
