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        -傳感器虛擬仿真遠程實驗解決方案-

        一 項目背景

        為貫徹落實教育部關于強化實踐育人工作的重要指示精神和全國高校思想政治工作會議精神,根據《教育信息化十年發展規劃(2011-2020年)》和《2018年教育信息化工作要點》等相關要求,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,經研究,決定在高校實驗教學改革和實驗教學項目信息化建設的基礎上,于2017-2020年在普通本科高等學校開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設工作。

        1.1、建設目標

          緊緊圍繞立德樹人根本任務,適應經濟社會快速發展對人才培養的新要求、現代大學生成長的新特點、信息化時代教育教學的新規律,以提高學生實踐能力和創新精神為核心,以現代信息技術為依托,以相關專業類急需的實驗教學信息化內容為指向,以完整的實驗教學項目為基礎,建設示范性虛擬仿真實驗教學項目,推動高校積極探索線上線下教學相結合的個性化、智能化、泛在化實驗教學新模式,形成專業布局合理、教學效果優良、開放共享有效的高等教育信息化實驗教學項目示范新體系,支撐高等教育教學質量全面提高。

        1.2、建設內容

          實驗教學項目作為高校開展實驗教學的基本單元,其建設水平直接決定實驗教學的整體質量。開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設,是推進現代信息技術與實驗教學項目深度融合、拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平的重要舉措。示范性虛擬仿真實驗教學項目應具有:

         ?。ㄒ唬┮詫W生為中心的實驗教學理念

          堅持一切從學生的需求出發,注重對學生社會責任感、創新精神、實踐能力的綜合培養,注重知識傳授、能力培養、素質提高的協同實施,調動學生參與實驗教學的積極性和主動性,激發學生的學習興趣和潛能,增強學生創新創造能力。

         ?。ǘ蚀_適宜的實驗教學內容

          堅持問題導向,重點解決真實實驗項目條件不具備或實際運行困難,涉及高?;驑O端環境,高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓練等問題,能實不需,堅持需求導向,緊密結合經濟社會發展對高校人才培養的需求,緊密結合專業特色和行業產業發展最新成果,緊密結合學校定位和人才培養特點,采用現代信息技術,研發原理準確、內容緊湊、時長合理、難度適宜的虛擬仿真實驗教學項目。

         ?。ㄈ﹦撔露鄻拥慕虒W方式方法

          始終關注信息化時代背景下學生需求,重點實行基于問題、案例的互動式、研討式教學,倡導自主式、合作式、探究式學習。創新實驗教學項目資源呈現方式,注重通過文字、圖片、視頻等各種媒介促進教學準備、線上討論、線下交流。加強網絡化條件下實驗教學規律研究,探索提升實驗教學效果的方式方法。

         ?。ㄋ模┫冗M可靠的實驗研發技術

          虛擬仿真實驗教學項目的研發要以完成教學要求和內容為目標,綜合應用多媒體、虛實結合、大數據、三維建模、人工智能、人機交互、傳感器、超級計算、虛擬現實、增強現實、云計算等網絡化、數字化、智能化技術手段,提高實驗教學項目的吸引力和教學有效度。加強相關技術可靠性研究,注重對學生使用虛擬仿真實驗教學項目的全方位、多層次防護,切實保障學生健康。

         ?。ㄎ澹┓€定安全的開放運行模式

          充分考慮不同區域、不同層次、不同類型學生接入實驗教學項目的運行需求,搭建具有開放性、擴展性、兼容性和前瞻性的虛擬仿真實驗教學項目運行平臺。注重對相關實驗教學項目自有或共有知識產權的保護,注重對學生個人信息等的保護,嚴格遵守我國教育、知識產權、互聯網等相關法律法規,按照“誰開發、誰負責,誰使用、誰負責”的原則確定基本安全責任。積極探索在線虛擬仿真實驗教學項目可持續運行的有效模式。

         ?。┚礃I專業的實驗教學隊伍

          重視實驗教學隊伍建設,圍繞虛擬仿真實驗教學項目建設運行,建設師德高尚、熱愛教學、知識豐富、能力過硬、結構合理的虛擬仿真實驗教學團隊。健全完善實驗教學隊伍考核、獎勵、監督機制,鼓勵和支持教師參與虛擬仿真實驗教學項目研發和教學實踐。

         ?。ㄆ撸┏掷m改進的實驗評價體系

          將虛擬仿真實驗教學項目納入相關專業培養方案和教學課程,制訂相關教學效果評價辦法。根據學生和教師反饋,持續改進相關教學評價機制。鼓勵高校探索有利于虛擬仿真實驗教學項目開放共享的教學績效激勵機制,建立高校間相關實驗教學項目成績互認、學分轉換機制。

         ?。ò耍╋@著示范的實驗教學效果

          虛擬仿真實驗教學效果顯著,受益面大,學生實驗興趣濃厚,自主學習能力明顯增強,實踐創新能力明顯提高。通過開展在線教學服務或技術支持等,積極發揮對專業類內實驗教學信息化建設的示范引領作用。

        1.3具體申報注意事項

          1.申報的虛擬仿真實驗教學項目應為高校開展實驗教學的基本單元,符合國家虛擬仿真實驗教學項目的要求。

          2.申報的虛擬仿真實驗教學項目應堅持“能實不虛”,支撐學生綜合能力培養,至少滿足2個課時的實驗教學需求,學生實際參與的交互性實際實驗操作步驟須不少于10步。

          3.申報的虛擬仿真實驗教學項目應確保符合相關知識產權法律法規,可以完全對外公開服務。

          4.申報的虛擬仿真實驗教學項目有效鏈接網址應直接指向實驗項目,且保持鏈接暢通;應確保所承諾的并發數以內網絡實驗請求及時響應和對超過并發數的實驗請求提供排隊提示服務。

        “虛擬仿真”也被稱為“虛擬現實技術”或者“模擬技術”,即憑借某虛擬的系統來模仿另外一個真實系統的技術。換句話說,就是通過教學儀器設備及其相關技術,對實訓場地和教學環境進行設計處理,模擬企業真實的工作環境,再通過具體的操作,達成預期的教學目標的一種現代化科技手段。大學實驗的測控技術專業在虛擬仿真的技術方面主要是應用于實訓課程。利用虛擬電腦軟件可以營造出一種高度仿真的真實感,學生可在微機上進行測控技術線路的維修、保養,電子產品的拆裝等?!疤摂M仿真”技術可以有效地營造環境,還原現場場景,為學生的專業技能訓練提供真實的工作場所和工具等等,對于提高測控技術實訓的教學質量具有極大的幫助。

          一、測控技術實訓教學存在的問題

                (一)專業課程教法老套

                當前,學生對操作性、實踐性較強的學習活動較感興趣。對他們適合運用一些參與體驗式的教學方法,而不宜使用那些抽象的概念與邏輯推理居多的教學形式。然而,現行的大學教育課程體系的結構尚不完善,專業課師資優秀率不足,專業課程教法顯得老套,教學方式還是以教師講,全班學生聽為主,與此相應的教學內容還是以抽象的理論為主,對學生缺乏足夠的吸引力,不利于技能的培養。

                (二)專業教學手段單一

                現在大多數學校采用單一PowerPoint制作電子專業的多媒體課件,這種教學方法實質上是將紙質教材數字化,由于在實際教學中極少使用“剪輯管理器中的影片”功能,其技能傳授方式還是相對抽象、空洞。表面上看,似乎是采用了電化教學,擺脫了傳統教學,但教師的講授還是局限于“抽象的概念、邏輯加推理”,全然沒有顧及學生的實際接受能力,教學手段顯得較為單一,仿真操作性差,難以培養學生的興趣,課堂教學互動環節不足。

                (三)專業實訓工位不足

                長期以來,專業實訓的工位不足一直困擾許多大學實驗教育。雖說這些年來國家對實訓的投入增長很快,但僧多粥少,還是無法達到人手一位配備的要求。實訓課時,學生只能分組輪流上位,一人做,多人看。這樣,一方面,寶貴的實訓時間被白白地浪費掉;另一方面,有限的指導教師也疲于應付,許多同樣的問題需要重復講解,這大大影響了學生參與實訓活動的積極性。

                二、“虛擬仿真”技術破解測控技術教學難題

                大學實驗教育扎實的專業技能是畢業生進入社會的立足之本,求職生存的可靠基礎。為了有效地促進技能教學的互動性,總結如下:

        (一)“虛擬仿真”能夠有效提高學生的學習興趣

                運用虛擬儀器技術軟件將一些深奧難懂的電路制成動畫的圖像,充分利用生活中常見的電子產品,引導學生在虛擬仿真的環境中體驗、感知測控技術控制電路,讓學生的視覺、聽覺在實訓過程中接受多重刺激。虛擬儀器LabVIEW軟件的仿真度極高,既可以分別仿真模擬電路或數字電路,也可以混合仿真這兩種電路。虛擬儀器LabVIEW有機融合了互動直觀和高效的仿真優勢,可以簡便、快捷、高效地設計與驗證各種類型電路。自動調節相關參數,糾正仿真過程中出現的錯誤。許多教學實踐都證明,它對于提高學生興趣,開闊學生視野,提高實訓教學效率具有積極的意義。

                (二)“虛擬仿真”能夠有效促進教學相長

                仿真軟件在教學實踐中的運用,對實訓指導教師的素質要求更高,實訓指導教師不僅自身要有扎實的專業基礎、嫻熟的操作技能、豐富的實踐經驗,還需要及時更新教學理念,更新知識結構,創新教學方法,掌握最新的教育技術,全面提高教育綜合素質和能力。一方面,仿真軟件的運用使復雜的教學內容直觀展現于學生眼前,使指導教師工作量大為減輕,縮短甚至減免了教師的指導時間。教師可以把更多的時間與精力放在教學的其他方面,多考慮如何改進實訓內容與方法,進一步提高測控技術實訓教學活動的質量;另一方面,當學生在學習過程中遇到問題或者困難的時候,可以通過虛擬儀器LabVIEW“虛擬仿真”軟件自己去分析問題、解決難題。實訓指導教師在學生實訓教學活動中是管理者與指導者,而學生才是實訓活動的主體。教師的作用在于及時發現與指明學生操作過程中出現的問題,確保操作的規范及其要領的落實,培養學生良好的操作習慣,促進學生動手操作能力和獨立思考能力的提高。這樣,師生互動,教學相長,不但提高了學生群體的整體素質,同時也大大提高了專業教師隊伍的綜合素質。

                (三)“虛擬仿真”能夠高效利用學校教育資源

                虛擬儀器LabVIEW軟件的操作界面實際上就是個測控圖形化編程平臺,不僅可以創建可視化的圖像界面,測試的儀表、儀器也能在屏幕上顯現,通過鼠標便可連接,測量各項數據、波形曲線,測量操作方式等與實訓現場的真實儀器沒有兩樣。同時,還避免了實驗儀器的不足與實訓場地的限制。近年來,雖說各級政府都加大了對大學實驗的投入,但多數學校的實訓設備與場地不足、實驗經費欠缺等現狀短期內還是難以根本改善,嚴重制約了實訓質量。因此,在教學中引入虛擬仿真軟件,模擬仿真電路,可以有效彌補學校實訓硬件的短缺。實訓場地超越了傳統意義上的實驗室與實訓工場,微機房、多功能教室、虛擬儀器實驗室等都可用于學生實訓。一室多用,一機多用,大大提高了學校實訓資源設備的利用率。兼具直觀性、經濟性、安全性諸優點,既可高效利用學校資源,又可有效提高學生實訓教學效率。

        二 項目設計

        IOLab教學平臺是上海華用(以下簡稱IOEDU)為工科院校師生打造的用于通用虛擬儀器工程教學的實驗平臺。該教育平臺平臺基于虛擬儀器技術,配合自主開發的各種實驗模塊,可以完成傳感器、電工、模擬電路、數字電路、通信原理、基礎物理、控制原理等實驗。更能讓學生自己動手手在平臺上搭建電路自行設計實驗及模塊,在教不學之外,培養動手和創新的能力。

        IOLab教學平臺通用虛擬儀器工程教學實驗平臺支持圖形化編程語言LabVIEW進行開發。在面對多科實驗時,需要另外搭載多學科的實驗模塊。正是由于這種通用性,使得IOLab教學平臺適合多學科的教學實驗室、創新性實驗室建設。在此教程體系基礎上加入虛擬仿真管理平臺,VILab虛擬仿真實驗系統是專為理工科院校工程創新教育開發設計的虛擬仿真遠程實驗管理系統。

                    通過首創性地將互聯網技術、視頻技術、云應用技術、虛擬儀器技術與IOEDU工程教育產品有機融合,VILab讓學生可以足不出戶即可登錄實驗室、預約實驗以及遠程操作實驗,實現所見即所學的教學效果。

            VILab目前已支持傳感器原理、信號處理、電子電路、機電一體化、通信原理、生物醫電等創新與實踐課程,并在全國多家高等院校落地運行,取得較好的反饋。

             圖片關鍵詞

        2.1 系統整體框架

        遠程實驗室是計算機遠程教學的重要組成部分,也是我國發展遠程教育的一個重要內容。 目前,隨著我國遠程教育工程的啟動,開發建設遠程虛擬實驗室已在各大院校蓬勃發展起來。結合現代教學方法,采用先進的計算機網絡技術、通信技術和多媒體技術,實現遠程教學和遠程實驗, 就可以通過網絡上的任何一臺工作站不受時間、地點的限制來進行實驗的教學和模擬。這樣,不僅可以大大提高教學質量和教學水平,而且可以實現有限資源的共享,從而促進教學和科研的發展。

           我們為了進一步發揮國家虛擬仿真實驗教學項目示范帶動作用,助推信息技術與實驗教育教學深度融合,助推高等教育教學質量變軌超車,考慮未來虛擬仿真發展趨勢和著眼當前科技技術,我們建設虛擬教學中心主要由虛擬仿真平臺,遠程實驗課程以及虛擬現實多媒體實訓中心,大屏直播實時顯示組成。

        虛擬仿真遠程實驗平臺: 采用云視頻技術,云存儲技術,移動技術,虛擬應用技術,信息化技術可以提供一站式在線學習,在線選課,在線實驗,在線仿真,在線考試,和在線報告,開放課程和專業課程,實現共享和開放式教學模式。

        遠程實驗課程:按“光、機、電、算、醫”的學科基礎構建教學內容體系,結合虛擬仿真實驗中心平臺的建設, 實現虛實結合,遠程實驗,資源共享模式。將相關原來線下的實驗通過改造,定制來滿足遠程實驗的實際需求,同時通過云camera技術進行實驗直播,滿足多元化實驗操作體驗。

        虛擬仿真課程:展示課程包括 基于虛擬儀器開發的相關實驗仿真軟件,從軟件硬件到產品完整生態的虛擬實訓平臺,來滿足傳感器圖書館從原有靜態實驗,遠程實驗,擴展到虛擬現實實驗,實現不同虛擬仿真之外的輔助和補充,從而達到比較不錯的展示效果。


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