工程教育實驗教學資源平臺研究

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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)，與國家和產業(yè)的發(fā)展密切相關[1-2]。隨著國家創(chuàng)新驅動發(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)新能力的復合型人才，已經(jīng)成為國內高等教育領域最重要的任務[3]。為推動工程教育不斷改革創(chuàng)新，以適應國家戰(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”建設的思路[6-11]，強調培養(yǎng)目標為導向，注重教育成果產出及持續(xù)改進人才培養(yǎng)質量，實施以學生為中心的教學理念[12]。工程創(chuàng)新能力是學生在工程實踐活動中綜合素質的體現(xiàn)。實驗教學是工程創(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。實驗教學是在一定的實驗資源支撐下，以實驗項目為載體，通過讓學生循環(huán)往復地學習、模仿和積累，訓練學生掌握實驗技能的過程。實驗教學需要內容優(yōu)化、資源平臺支撐和過程管理三位一體的協(xié)調運作[13]。教育部《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》要求“深入推進信息技術與高等教育實驗教學的深度融合，不斷加強高等教育實驗教學優(yōu)質資源建設與應用，著力提高高等教育實驗教學質量和實踐育人水平”。各高校已經(jīng)和正在進行著諸多有益的探索[14-15]。為了適應當前經(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改革的新要求，依托我校省級和部級計算機實驗教學示范中心并聯(lián)合我校國家級電工電子實驗教學中心，在原有工作基礎之上[16-18]，以“計算機邏輯設計綜合實驗”課程急需的信息化實驗教學內容為指向，依托現(xiàn)代信息網(wǎng)絡技術，研發(fā)了模塊化、層次化、多元化、系列化虛擬仿真實驗教學項目以及虛擬仿真實驗教學網(wǎng)絡平臺，拓展了教學內容的廣度和深度，延伸了實驗教學的時間和空間，積極探索線上線下教學相結合的個性化實驗教學新模式，逐步形成教學效果優(yōu)良、開放共享、運行有效的實驗教學項目新體系，為培養(yǎng)具有扎實信息基礎知識、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教學體系構建

實驗教學示范中心堅持課程建設與人才培養(yǎng)相結合、教學與科研相結合、理論教學與實驗教學相結合、虛擬仿真與真實實驗相結合的原則，構建了“123456”虛擬仿真實驗教學體系，如圖1所示。“123456”虛擬仿真實驗教學體系包括：1個目標——以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)為目標；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，從單元學習和設計、再到系統(tǒng)學習和綜合設計的全過程教學；4個導向——引導學生通過研發(fā)或設計成果展現(xiàn)其成功自信、專業(yè)能力、為學情操和績效責任等能力和素質；5個模式——通過探究式演示、觀察和驗證、反設計推論、網(wǎng)絡學習和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目訓練5種自主學習模式，完成知識學習、運用和能力訓練；6個能力——培養(yǎng)學生的工程知識運用、方案設計開發(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示范中心打造高起點教學平臺，在教材建設、設備研發(fā)、項目開發(fā)、考核評價方面，開發(fā)高水平、高質量的優(yōu)質共享教學資源，保證虛擬仿真實驗教學體系高質量、高效率的運行，從而在專業(yè)技能、研究潛能、合作交流、項目管理方面能夠實現(xiàn)全方位培養(yǎng)創(chuàng)新人才。

2教學資源平臺設計

2.1設計原則。堅持以學生為中心、以實踐為中心、以能力培養(yǎng)為中心的設計原則，以解決復雜工程問題為主線，引導科學思維為目的，把理論知識、實驗技能以及創(chuàng)新意識融入到“計算機邏輯設計綜合實驗”課程的理論學習與工程創(chuàng)新實踐教學當中，既要體現(xiàn)知識的綜合性與工程創(chuàng)新性，又要體現(xiàn)能力與素質培養(yǎng)，遵循認識→理解→消化→實踐→提升→創(chuàng)新的循序漸進認知流程。學生可根據(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習與工程創(chuàng)新實踐。通過以做帶學、以學促做，激勵自主科技創(chuàng)新學習，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雜工程問題。2.2技術架構。計算機邏輯設計虛擬仿真實驗網(wǎng)絡平臺（以下簡稱“平臺”）包括理論學習、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技術構建，采用B/S架構.Net框架開發(fā)，插件為Multisim，選擇SQLServer作為服務器后臺數(shù)據(jù)庫，托管校園網(wǎng)數(shù)據(jù)中心?？蛻舳思瓤梢栽谛韧ㄟ^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觀設計。在設計中，注重學生設計的規(guī)范性，如系統(tǒng)結構與模塊構成，模塊間的接口方式與參數(shù)要求；在調試中，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；在學習中，注重對學生引導，加強學生對知識的理解、吸收、拓展和提升。2.3虛擬仿真實驗項目。以急需的實驗教學信息化教學內容為指向，將復雜工程問題和教研成果轉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，研發(fā)數(shù)量眾多、內容豐富、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相當，提供工程氛圍的實驗教學條件，具有模塊化、層次化、多元化、系列化特色，引導學生探索工程創(chuàng)新項目研發(fā)過程，掌握科學研究基本方法，強調人人都能成功，激發(fā)學生內在的學習動力，使學生由被動式學習變成主動式學習，以便加快工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)。（1）邏輯測試實驗。讓學生熟練掌握邏輯門、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，進行簡單應用電路的設計、理論計算、電路圖繪制、仿真分析以及調試等全過程，具備分析和解決一般性工程問題的能力，養(yǎng)成實事求是的科學作風和認真嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。（3）數(shù)字系統(tǒng)實驗。讓學生熟練掌握常用數(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習研究、方案論證、系統(tǒng)設計、仿真分析、設計修改、實驗樣機制作、設計總結等全過程，具備利用數(shù)字邏輯技術知識構成數(shù)字邏輯系統(tǒng)的意識，能夠應用數(shù)字邏輯技術的基本原理對工程復雜問題進行分析和設計，熟悉和掌握科學研究的基本過程及方法。2.4教材編寫。為了拓展教學內容的廣度與深度，編寫與課程相關的工程教育系列教材，如《數(shù)字邏輯與仿真設計》《數(shù)字系統(tǒng)實驗設計與指導》《數(shù)字電路實驗與實踐教程》等。新教材具有可讀性、實用性和技術性，讓學生感到學有所值、學有所用，無論是在課堂上學習，還是在課外自學，都能在一定程度上幫助學生學習掌握工程基本要素、工程技術設計方法和分析方法。2.5服務方式。（1）在實驗的時間、空間、內容和儀器設備方面為學生全面開放。互動可視化操作貫穿于全過程中，實現(xiàn)自主學習、自主實踐、自主創(chuàng)新。（2）為課堂教學、遠程教學、學術交流提供有力支持。（3）讓其他高校學生和社會上的學習者分享學習機會。（4）為各種競賽培訓、個性化培養(yǎng)提供便利，打下堅實基礎。

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)學生實驗興趣和學習動力。學生能夠親自動手接觸電路，邊學習、邊設計、邊實踐，完全沉浸在現(xiàn)實的學習、工作情境中。虛擬仿真實驗教學整體實施過程包括實驗準備、實驗仿真、實驗總結和自我評價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，查閱與實驗題目相關的背景資料，進行理論知識、實踐技能等方面準備。（2）方案設計與論證：學習教材的相關內容，還可以查閱其他設計方案資料。（3）技術性能參數(shù)設計：選用教材中給出的數(shù)據(jù)，還可以自行調整數(shù)據(jù)。（4）電路結構設計及理由：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：按照教材指定步驟，進行公式推導及理論計算。（6）實驗設計報告編寫：歸納整理步驟（1）—（5）所形成技術資料，完成實驗設計報告編寫工作。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：按照設計報告或教材，嚴格仔細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，接入相應的儀器儀表，儀器參數(shù)設置，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、曲線進行認真仔細分析、研究，判斷設計的合理性、正確性以及存在的問題等。（11）設計修改：以達到電路性能指標要求為目的，或適當提高技術性能參數(shù)。（12）電路布局調整與子模塊電路生成：規(guī)范或完善電路設計，并為進一步設計提供便利。3.3實驗總結階段。（13）實驗過程描述：主要包括設計方面、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）實驗結論：利用數(shù)據(jù)、波形、曲線，闡述設計的技術性、改進性、創(chuàng)新性等。（16）技術討論：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）所形成技術資料，完成實驗情況報告編寫工作。實驗報告=實驗設計報告+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=報告分數(shù)×40%+操作分數(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結語

依托省部級計算機實驗教學示范中心，以培養(yǎng)學生工程創(chuàng)新意識、工程實踐能力和創(chuàng)新能力為核心，引入網(wǎng)絡與虛擬仿真技術，建設了虛擬仿真實驗網(wǎng)絡平臺，將教師的教研成果源源不斷轉換成實驗教學內容，破解了學生參與工程實踐和科技創(chuàng)新活動機會少的難題，提高了實驗教學質量和實踐育人水平，形成一個真正基于互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)質的高等教育實驗教學資源共享平臺。

作者:劉海波 沈晶 王革思 劉書勇 國強 單位:哈爾濱工程大學