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面向农业院校电子通信类专业的虚拟仿真平台建设

2018.11.09      点击: 46

                           
  一、前言
  近年以來,随着信息技术的不断发展,信息在社会生活中的作用日益明显,信息产业逐渐成为支撑经济社会发展的重要基础产业之一。2016年底由国务院印发的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》中明确指出,“信息革命进程持续快速演进,物联网、云计算、大数据、人工智能等技术广泛渗透于经济社会各个领域,信息经济繁荣程度成为国家实力的重要标志”。信息产业的飞速发展,急需大量相关人才,电子通信类专业的重要性已成为社会各界的共识。许多农业院校也相继设立了电子通信类专业,培养了大量的相关专业人才。
  电子通信类专业是理论与实践紧密结合的专业。学生除了应掌握扎实的专业理论基础知识外,还应该具备良好的专业实践能力[1]。针对专业课程理论覆盖面广和和实践要求性强的特点,利用课程实验来加深学生对知识理论的学习和理解很有帮助。而传统实验教学方式则易受场地、设备及时间等多种因素限制,难以完全达到理想的实验效果[2]。借助于虚拟仿真实验教学资源平台建设,可有效弥补现有实验教学方式的不足,充分发挥虚拟仿真实验的优势,实现电子通信类专业实验教学的虚实结合的实验教学方式,促进实现学生的理论学习与动手实践的有机结合,提高学生在实践实验中发现、分析、解决问题的能力和实践创新能力,从而达到提升人才培养质量的目的[3][4]。
  二、现有实验教学方式的不足
  电子通信类专业作为兼顾理论与实践性的学科[5],要求学生具有良好的工程实践背景,学生因此具有较强的动手实践意愿,这就决定了实验教学在人才培养中起着不可或缺的重要作用[6]。实验教学课程大多附属于理论课程,可有效加深对理论知识的学习和理解。然而,现有的实验教学方式却不能完全适应新形势下人才培养的需要,存在的问题主要有以下几点。
  1.经费及场地等因素制约着设备选购、设备数量及设备的更新换代,导致实验内容更新不及时。在实验内容较为单一的情况下,限制了学生按照理论学习内容自主进行实验内容设计,无法使学生有效参与设计型及创新型实验,从而难以完全达到预期的教学目标。
  2.学生普遍重视对理论知识的学习,而忽视动手实践能力的培养,动手能力普遍较为薄弱[7]。同时由于实验设备有限,导致许多实验往往需要两个或多个学生共用一台实验设备,减少了每名学生实际参与操作的时间,不能达到学生广泛参与的目的,从而进一步限制了动手实践能力的培养。
  3.考核方式较为单一,评价指标不够明确。成绩评定过程中主要包括平时成绩和实验报告两部分。平时成绩考察出勤率、课前预习及课上表现情况。由于实验时间的限制,教师难以在短时间内准确掌握每个学生的情况,给出的成绩也难以完全准确的反映出学生的真实水平。
  三、虚拟仿真平台建设
  1.建设意义。利用虚拟仿真平台进行实验教学,可在一定程度上摆脱时间和地点的限制,学生通过平台所提供的虚拟元器件设计和调试不同的电路模型,并可结合自己的理论知识进行完善改进[8]。因此,虚拟仿真平台建设,为学生提供了更加丰富的实验教学内容,使学生更加有效的参与设计型及创新型实验,增强了学生动手实践能力,使学生理论学习与动手实践更加有效地结合,提高了学生的学习兴趣和积极性[9]。
  2.建设要求。农业高校电子通信类专业的虚拟仿真平台建设,是对现有实验教学方式的一种有效补充,可为学生提供更加丰富和方便的学习资源。其总体要求为:(1)实验内容虚拟化:对实验所需元器件、实验电路设计、测试等不同环节进行虚拟化,给学生足够的自由度,满足不同水平学生的设计型及创新型实验的要求。(2)支持并发访问:允许多名学生同时在线对虚拟平台并发访问,以此减少实验设备投入及需求,保证每名学生充分的实验操作时间[10]。
  (3)支持多种用户权限:管理员、教师和学生作为平台的使用者,应具备不同的使用权限。例如,教师使用者应具备的权限主要包括:平台访问、实验资源审核、实验资源发布、实验教学管理、实验过程指导、实验结果批改、实验报告管理、教学效果评估、互动交流等,如图1所示。学生使用者应具备的权限包括:平台访问、实验资源查阅、实验设计、实验调试、实验结果提交、实验报告提交及互动交流等,如图2所示。
  3.建设思路。依托于计算机仿真技术与计算机网络技术[11],开发具有实物虚拟、智能仿真、创新设计、指导灵活等一体化功能的虚拟实验仿真平台,可面向电子通信类专业学生开展虚拟仿真实验教学,因而具有良好的灵活性、经济型、自主性和交互性[12]。
  虚拟实验仿真平台建设思路如图3所示。该平台共分为数据层、服务支撑层、仿真层和服务层四个层次,每层都会为其上层提供相应服务。每层的主要功能如下:(1)数据层:主要负责实验所需元器件、实验课程、基础实验、实验相关数据及不同权限的用户信息等数据的存储和管理。(2)服务支撑层:主要负责实验平台的运行、维护和管理,包括安全管理、数据管理、服务管理和域管理等。(3)仿真层:主要负责实验仪器及结果的可视化呈现、实验场景构建及元器件的装配,以及实验仿真调试等功能,为上层提供实验数据的标准化输出。(4)服务层:主要负责为虚拟仿真实验提供服务支持,包括教学管理、实验资源管理、实验结果批注、实验报告管理及互动交流等功能。

  四、结语
  虚拟仿真实验是可为学生提供更加灵活自主的实验方式,对提高学生学习兴趣,改善实验教学质量,具有积极的推动作用,是现有实验教学方式的一种有效补充。因此,虚拟仿真实验平台建设,可有效避免现有方式的不足,摆脱场所及时间等限制,给予学生更大的自由度,提升了学生的动手实践能力和创新能力。

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