工程教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源平臺(tái)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(guó)家和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)[1-2]。隨著國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略、“一帶一路”倡議和“中國(guó)制造2025”的進(jìn)程，如何培養(yǎng)具有工程創(chuàng)新意識(shí)、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的復(fù)合型人才，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)高等教育領(lǐng)域最重要的任務(wù)[3]。為推動(dòng)工程教育不斷改革創(chuàng)新，以適應(yīng)國(guó)家戰(zhàn)略的發(fā)展需要和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的新形勢(shì)，我國(guó)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(qiáng)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(jìn)人才培養(yǎng)質(zhì)量，實(shí)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(shí)踐活動(dòng)中綜合素質(zhì)的體現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)是在一定的實(shí)驗(yàn)資源支撐下，以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為載體，通過(guò)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(shí)驗(yàn)技能的過(guò)程。實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要內(nèi)容優(yōu)化、資源平臺(tái)支撐和過(guò)程管理三位一體的協(xié)調(diào)運(yùn)作[13]。教育部《關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》要求“深入推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，不斷加強(qiáng)高等教育實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和實(shí)踐育人水平”。各高校已經(jīng)和正在進(jìn)行著諸多有益的探索[14-15]。為了適應(yīng)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)以及高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的新要求，依托我校省級(jí)和部級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心并聯(lián)合我校國(guó)家級(jí)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，在原有工作基礎(chǔ)之上[16-18]，以“計(jì)算機(jī)邏輯設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)”課程急需的信息化實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目以及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，拓展了教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，延伸了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間，積極探索線上線下教學(xué)相結(jié)合的個(gè)性化實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，逐步形成教學(xué)效果優(yōu)良、開放共享、運(yùn)行有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目新體系，為培養(yǎng)具有扎實(shí)信息基礎(chǔ)知識(shí)、強(qiáng)烈工程創(chuàng)新意識(shí)、較強(qiáng)實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心堅(jiān)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(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合、虛擬仿真與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的原則，構(gòu)建了“123456”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，如圖1所示?！?23456”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系包括：1個(gè)目標(biāo)——以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)為目標(biāo)；2個(gè)融合——通過(guò)第一課堂和第二課堂之間知識(shí)互補(bǔ)、機(jī)制互動(dòng)的融合，優(yōu)化整合優(yōu)質(zhì)教育資源；3個(gè)集成——著力打造數(shù)字邏輯理論課程、實(shí)驗(yàn)課程和特色拓展實(shí)踐課程之間系統(tǒng)集成，從單元學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)、再到系統(tǒng)學(xué)習(xí)和綜合設(shè)計(jì)的全過(guò)程教學(xué)；4個(gè)導(dǎo)向——引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)研發(fā)或設(shè)計(jì)成果展現(xiàn)其成功自信、專業(yè)能力、為學(xué)情操和績(jī)效責(zé)任等能力和素質(zhì)；5個(gè)模式——通過(guò)探究式演示、觀察和驗(yàn)證、反設(shè)計(jì)推論、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目訓(xùn)練5種自主學(xué)習(xí)模式，完成知識(shí)學(xué)習(xí)、運(yùn)用和能力訓(xùn)練；6個(gè)能力——培養(yǎng)學(xué)生的工程知識(shí)運(yùn)用、方案設(shè)計(jì)開發(fā)、現(xiàn)代工具使用、工程社會(huì)分析（工程中的社會(huì)因素及工程對(duì)社會(huì)的影響分析）、團(tuán)隊(duì)溝通表達(dá)、項(xiàng)目工程管理6個(gè)方面工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力。依托省部級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心打造高起點(diǎn)教學(xué)平臺(tái)，在教材建設(shè)、設(shè)備研發(fā)、項(xiàng)目開發(fā)、考核評(píng)價(jià)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(shí)驗(yàn)教學(xué)體系高質(zhì)量、高效率的運(yùn)行，從而在專業(yè)技能、研究潛能、合作交流、項(xiàng)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(tái)設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)原則。堅(jiān)持以學(xué)生為中心、以實(shí)踐為中心、以能力培養(yǎng)為中心的設(shè)計(jì)原則，以解決復(fù)雜工程問(wèn)題為主線，引導(dǎo)科學(xué)思維為目的，把理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)技能以及創(chuàng)新意識(shí)融入到“計(jì)算機(jī)邏輯設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)”課程的理論學(xué)習(xí)與工程創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)當(dāng)中，既要體現(xiàn)知識(shí)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(shí)→理解→消化→實(shí)踐→提升→創(chuàng)新的循序漸進(jìn)認(rèn)知流程。學(xué)生可根據(jù)已有的知識(shí)、技能、愛(ài)好以及工程創(chuàng)新意識(shí)進(jìn)行理論知識(shí)學(xué)習(xí)與工程創(chuàng)新實(shí)踐。通過(guò)以做帶學(xué)、以學(xué)促做，激勵(lì)自主科技創(chuàng)新學(xué)習(xí)，充分發(fā)揮自身探究能力特長(zhǎng)，創(chuàng)造性地解決教師提出的復(fù)雜工程問(wèn)題。2.2技術(shù)架構(gòu)。計(jì)算機(jī)邏輯設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱“平臺(tái)”）包括理論學(xué)習(xí)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、輔助功能和系統(tǒng)管理4個(gè)部分，如圖2所示。平臺(tái)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(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，托管校園網(wǎng)數(shù)據(jù)中心?？蛻舳思瓤梢栽谛?nèi)通過(guò)校園網(wǎng)直接訪問(wèn)仿真平臺(tái)，也可以在校外通過(guò)Internet訪問(wèn)，支持500個(gè)并發(fā)用戶。平臺(tái)基于全局的實(shí)踐教學(xué)觀設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中，注重學(xué)生設(shè)計(jì)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(cè)試分析中，注重分析系統(tǒng)的誤差來(lái)源并加以驗(yàn)證；在學(xué)習(xí)中，注重對(duì)學(xué)生引導(dǎo)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解、吸收、拓展和提升。2.3虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。以急需的實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化教學(xué)內(nèi)容為指向，將復(fù)雜工程問(wèn)題和教研成果轉(zhuǎn)化成示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，與企業(yè)的真實(shí)案例和實(shí)用技術(shù)相當(dāng)，提供工程氛圍的實(shí)驗(yàn)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(xiàng)目研發(fā)過(guò)程，掌握科學(xué)研究基本方法，強(qiáng)調(diào)人人都能成功，激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動(dòng)力，使學(xué)生由被動(dòng)式學(xué)習(xí)變成主動(dòng)式學(xué)習(xí)，以便加快工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)。（1）邏輯測(cè)試實(shí)驗(yàn)。讓學(xué)生熟練掌握邏輯門、編碼器、加法器、寄存器、計(jì)數(shù)器等常用數(shù)字集成電路使用和測(cè)試，相比實(shí)物操作，可達(dá)到事半功倍的效果。（2）數(shù)字單元實(shí)驗(yàn)。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(jì)數(shù)器、RAM、ROM、DAC、ADC等，進(jìn)行簡(jiǎn)單應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)、理論計(jì)算、電路圖繪制、仿真分析以及調(diào)試等全過(guò)程，具備分析和解決一般性工程問(wèn)題的能力，養(yǎng)成實(shí)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(shí)驗(yàn)。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(xiàng)目所涉及的學(xué)習(xí)研究、方案論證、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真分析、設(shè)計(jì)修改、實(shí)驗(yàn)樣機(jī)制作、設(shè)計(jì)總結(jié)等全過(guò)程，具備利用數(shù)字邏輯技術(shù)知識(shí)構(gòu)成數(shù)字邏輯系統(tǒng)的意識(shí)，能夠應(yīng)用數(shù)字邏輯技術(shù)的基本原理對(duì)工程復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，熟悉和掌握科學(xué)研究的基本過(guò)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(jì)》《數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與指導(dǎo)》《數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教程》等。新教材具有可讀性、實(shí)用性和技術(shù)性，讓學(xué)生感到學(xué)有所值、學(xué)有所用，無(wú)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(jì)方法和分析方法。2.5服務(wù)方式。（1）在實(shí)驗(yàn)的時(shí)間、空間、內(nèi)容和儀器設(shè)備方面為學(xué)生全面開放。互動(dòng)可視化操作貫穿于全過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)、自主實(shí)踐、自主創(chuàng)新。（2）為課堂教學(xué)、遠(yuǎn)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(huì)上的學(xué)習(xí)者分享學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。（4）為各種競(jìng)賽培訓(xùn)、個(gè)性化培養(yǎng)提供便利，打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3運(yùn)行機(jī)制

平臺(tái)提供的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境近乎真實(shí)情境，與實(shí)際工作相似，能夠激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣和學(xué)習(xí)動(dòng)力。學(xué)生能夠親自動(dòng)手接觸電路，邊學(xué)習(xí)、邊設(shè)計(jì)、邊實(shí)踐，完全沉浸在現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)、工作情境中。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)整體實(shí)施過(guò)程包括實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)仿真、實(shí)驗(yàn)總結(jié)和自我評(píng)價(jià)4個(gè)階段，經(jīng)過(guò)21個(gè)具體環(huán)節(jié)和步驟。3.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段。（1）實(shí)驗(yàn)需求分析：通過(guò)在線教材或者互聯(lián)網(wǎng)自學(xué)，查閱與實(shí)驗(yàn)題目相關(guān)的背景資料，進(jìn)行理論知識(shí)、實(shí)踐技能等方面準(zhǔn)備。（2）方案設(shè)計(jì)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(jì)方案資料。（3）技術(shù)性能參數(shù)設(shè)計(jì)：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(jì)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(jìn)行公式推導(dǎo)及理論計(jì)算。（6）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告編寫：歸納整理步驟（1）—（5）所形成技術(shù)資料，完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告編寫工作。3.2實(shí)驗(yàn)仿真階段。（7）電路下載：在線瀏覽、下載虛擬仿真電路，進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境。（8）電路檢查：按照設(shè)計(jì)報(bào)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(cè)量：參照教材，選擇合適的測(cè)試點(diǎn)，接入相應(yīng)的儀器儀表，儀器參數(shù)設(shè)置，運(yùn)行電路，觀察測(cè)試點(diǎn)波形和狀態(tài)變化，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。（10）實(shí)驗(yàn)分析：對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、波形、曲線進(jìn)行認(rèn)真仔細(xì)分析、研究，判斷設(shè)計(jì)的合理性、正確性以及存在的問(wèn)題等。（11）設(shè)計(jì)修改：以達(dá)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(jì)，并為進(jìn)一步設(shè)計(jì)提供便利。3.3實(shí)驗(yàn)總結(jié)階段。（13）實(shí)驗(yàn)過(guò)程描述：主要包括設(shè)計(jì)方面、操作方面、分析方面等環(huán)節(jié)。（14）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理：整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，輸出波形，繪制曲線，要求實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)論：利用數(shù)據(jù)、波形、曲線，闡述設(shè)計(jì)的技術(shù)性、改進(jìn)性、創(chuàng)新性等。（16）技術(shù)討論：圍繞實(shí)驗(yàn)過(guò)程、改進(jìn)性、建議等展開討論。（17）實(shí)驗(yàn)收獲：闡述宏觀知識(shí)、技能等方面的收獲、水平和提高。（18）實(shí)驗(yàn)情況報(bào)告編寫：歸納整理步驟（7）—（17）所形成技術(shù)資料，完成實(shí)驗(yàn)情況報(bào)告編寫工作。實(shí)驗(yàn)報(bào)告=實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告+實(shí)驗(yàn)情況報(bào)告。3.4自我評(píng)價(jià)階段。（19）實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)：參照實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分指標(biāo)體系，自行估算得分情況。（20）實(shí)驗(yàn)操作成績(jī)：參照實(shí)際操作評(píng)分指標(biāo)體系，自行估算得分情況。（21）實(shí)驗(yàn)成績(jī)：實(shí)驗(yàn)報(bào)告分值100分，實(shí)驗(yàn)操作分值100分。實(shí)驗(yàn)總分=報(bào)告分?jǐn)?shù)×40%+操作分?jǐn)?shù)×60%。成績(jī)等級(jí)：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(yǔ)

依托省部級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，以培養(yǎng)學(xué)生工程創(chuàng)新意識(shí)、工程實(shí)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(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，將教師的教研成果源源不斷轉(zhuǎn)換成實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，破解了學(xué)生參與工程實(shí)踐和科技創(chuàng)新活動(dòng)機(jī)會(huì)少的難題，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和實(shí)踐育人水平，形成一個(gè)真正基于互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)質(zhì)的高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享平臺(tái)。

作者:劉海波 沈晶 王革思 劉書勇 國(guó)強(qiáng) 單位:哈爾濱工程大學(xué)