基于虚拟仪器的新型实验教学模式,本文是关于教学模式方面在职开题报告范文与虚拟仪器和教学模式和探索方面参考文献格式范文.
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摘 要：作为工科类专业实践活动和实验教学的主要场所,专业实验室的建设模式和工作方式在学生培养过程中的作用显得更尤为重要.本文在提出当前中国高校实验教学存在的问题的基础上,从基础理论层、综合设计层、创新实践层、课外科技竞赛及远程开放虚拟实验室五个方面探讨了基于虚拟仪器的新型实验教学模式,从而达到提高学生动手实践及创新能力的目的.
关键词：虚拟仪器；仿真；实验教学；教学模式
中图分类号：G642.423 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）27-0276-03
一、前言
加快经济发展方式转变,促进经济结构调整和产业优化升级,已成为实现我国经济社会可持续发展的内在要求[1].为了全面提升产业技术水平、国际竞争力,完善现代产业体系,国家大力倡导“中国智造”.天津商业大学瞄准社会发展的重大需求,优化专业设置,推动向应用型大学转变,加快推进人才培养模式与经济社会转型升级、创新发展深度对接,进一步完善知识教育、能力培养、素质拓展为一体的应用型人才培养体系.同时着重强调增强学生的创新能力,以适应社会发展对工程应用型人才的需求,为社会发展提供高质量的智力成果和人才支撑.
加强教学过程的实践环节,是当代高校教育发展面临的新任务.自动化专业作为面向工程技术、综合应用性较强的专业之一,不仅强调理论与实践相结合,培养学生的动手实践能力、独立思考能力,还要求能够造就创新能力强、勇于探索、适应经济社会发展需要的高质量、创新型工程技术人才[2].
二、当前中国高校实验教学存在的问题
作为工科类专业实践活动和实验教学的主要场所,专业实验室的建设模式和工作方式在学生培养过程中的作用显得更尤为重要.实践教学克服了传统课堂教学中教学任务同一性的弊端,立足于挖掘学生个性潜力和比较优势.一方面可以提高理论教学的深度和广度,另一方面能够培养学生的实际操作能力,培养合格技术和研发人才[3].但是目前中国高等学校在实验、实践教学方面存在如下问题.
1.由于资金投入和设备更新周期等因素,高校实验室的设备采购与更新往往具有技术滞后性,无法体现世界上最流行、最前卫的发展趋势,学生自然也就无法接触或获知这种趋势,一定程度上影响了工科专业实践教学的实施与推进.
2.很多专业基础课枯燥、乏味、抽象、晦涩,而且理论教学与实践教学是分开进行的.受到实验环境的制约,学生无法随时随地验证理论知识,在这种情况下造成了学生学习主动性不高、实践动手能力较弱的情况[4].
3.很多实验设备采购高、使用成本高、台套数比较少,并且只能完成原理演示性、验证性、操作使用训练的实验项目,设备使用效率[5].学生无法做到独立操作,实验过程中只能被动参与,实验效果不理想.
4.依然存在重视理论知识传授而忽略实践能力培养的现象.师生互动和实践环节流于形式,理论与实践脱节,一定程度上制约了学生实践能力的提升[6].
5. 实践教学基本是将两至三名学生分成一组,按照实验指导书上的实验步骤、要求和注意事项进行操作.造成大部分实验教学时间都是用于电路搭建等操作,学生也仅仅是为了得到数据而进行操作,忽略了实验的目的和对问题的分析,不适用于目前追求的探究式的教学方式[7].
6.实验报告的书写和实验数据的处理,学生只是机械的照搬照抄,不会进行后期的消化与思考.对于一些自觉性较差的学生,极容易造成达不到实践教学的效果.
7.实验内容多为验证性实验,学生自由设计的灵活性小,很难调动学生的积极性,不能满足应用型人才培养的需要,一定程度上影响了学生创新意识的培养和综合实践能力的提高.
三、虚拟仪器介绍及其优点
虚拟仪器的概念由美国国家仪器公司在上世纪80年代提出,其核心思想是将计算机作为硬件支持,把传统仪器的部分功能以计算机软件技术进行表达,通过计算机的机能实现数据接收、运算、处理、存储、显示等功能[8].在近些年,由于计算机硬件性能的飞速发展,以及网络技术的广泛应用,使得虚拟仪器的适用范围越来越广,所能模拟的仪器越来越多,数据指标越来越高,对于高校实验室主要具有以下优点：①拓展性强、应用性强、开发时间短.②为实验者提供更为准确的实验依据,便于实验者进行数据处理和统计.③在一定程度上可以弥补仪器设备短缺、教学资源不足的问题.④具有多感知性、交互性和可重复性,利用虚拟平台教师可以将一些难于表述的问题更直观的展现出来,为学生提供生动逼真的实验学习环境.⑤虚拟仪器平台的开放性使得实验内容、实验方式灵活多变,扩大了学生的创造空间[9].⑥虚拟实验室不受时间和空间限制,在培养科研型学生的实际操作技能方面起到积极的作用.⑦解决精密仪器已坏、实验耗材昂贵的问题.
四、基于虚拟仪器新型实验教学模式的探讨
根据社会需求,结合自动化专业的特点,自动化实验室明确了以学生为中心,兼顾理论教学、重视能力培养、强调创新精神的实验教学方向.根据专业课程的设置以及学生的能力、兴趣,实验教学采用分层培养模式,分为基础理论层、综合设计层、创新实践层,同时辅以各类大学生科技竞赛,逐层提高水平、递进式地实现学生掌握基础操作能力、设计实践能力、创新创业能力的目标[10].借助虚拟仪器技术,将传统教学手段与虚拟仿真系统平台相结合,创建模拟的、开放的学习环境,保证理论教学、仿真教学、实践教学环节三部分的有效融合.
1.基础理论层实验教学.基础理论层主要以演示性和验证性实验为主,注重培养学生对基础理论知识的理解,目的是为了使学生通过分析实验数据总结规律,巩固所学的专业基础知识,了解仪器的性能和使用方法,掌握基本的实验技能,养成良好的实验习惯,为设计性、综合性实验的开展奠定基础.
考虑到实验设备的耐用性、使用者的安全性、设备维护的便利性等因素,现在的实验设备往往采用模块化设计,将元器件封装在实验设备内部,操作者只能通过数据接口或者观察窗、仪表来获取器件工作状态和实验过程数据,无法看到实际器件,不利于学生在实验过程中对基础知识的理解.但是,虚拟实验室可以作为传统实验室的补充,不仅可以方便、直观地进行虚拟实验与演示各种元器件的工作原理,同时可以调动学生学习兴趣,并且能够更深入的去研究结构和工作原理.考虑到自动化专业基础课理论性较强,仿真平台能够将实验内容与理论紧密联系,并对实验过程进行动态模拟分析,将理论知识视觉化、直观化,进而提高实践教学效率和质量.
2.综合设计层实验教学.综合设计层主要以综合性、设计性实验为主,采取实物平台和虚拟仿真平台相结合的方式,培养学生综合操作技能和设计能力.在进行实验、实践活动时,首先要求学生通过虚拟平台完成仿真,以验证实验步骤、设计方案的正确性、合理性,当仿真实验的反馈结果正确时,则可以转入实物平台的操作.当仿真结果不理想,则说明设计方案或操作过程存在瑕疵,虚拟平台特有的直观性和开放性能够帮助实验者迅速定位错误,并进行相应的修正.通过虚拟仿真教学平台的综合性、创新性培养学生的设计能力,既保证了整个实验过程的开放性,同时确保实验者以及实验设备的安全性.
3.创新实践层实验教学.创新实践层主要以探索性、创新性实验为主,注重培养学生运用各种已掌握的知识和技能,进行创造性思维、探索未知领域.由学生自行提出实践课题、寻找与课题背景相关的指导老师,通过独立思考,设计拟定实验方案和步骤,进行必要的设备和器件选型,自己动手实验探索、分析研究得出结论.学生在实验室开放时间段完成实验,让学生学会探索并运用新技术解决实验当中存在的问题.
在这个阶段,学生在实验过程中会需要比较高端的实验设备,同时实验耗材的数量与质量均高于前两个层次,使得实验成本大大的提高.受到各方面条件的限制,仪器设备的配置可能不能满足要求.虚拟仿真平台的引入能够有效弥补硬件条件的不足的问题,降低实验成本,保证实验的成功率.通过实验使学生能够了解新技术的应用成果及发展方向,引导学生自行解决复杂的工程问题,提高科研能力和创新能力.
4.课外科技竞赛.自动化实验室为学生参加相关科技竞赛提供必要的场地、器材、指导.在竞赛过程中,学生根据自身的特点进行分工,尽量发挥自己的优势,保持和他人的沟通与合作,全方位、多角度地思考问题,充分发挥创新能力,综合分析、科学规划并最终提出解决方案.在压力环境中,能够极大的强化培养效果,全面检验学生专业知识、团队协作意识、人际沟通能力[11].
同时,由于竞赛具有规则约束性和时间紧迫性的特点,参加者只有有限的试错机会,一旦方案选择出现方向性错误,几乎没有改正的机会.而仿真平台能够最大限度的帮助参赛者避免陷入困境.各种EDA设计工具、虚拟仪器能够辅助参赛者提高设计效率,提供必要的备选方案,以及不同方案之间的优缺点,直观的反馈各方面数据,以供参赛者对方案进行选择和优化.
5.建立远程开放性虚拟实验室.开放的交互性虚拟环境,可以加深学生对理论知识的理解,学生可以在任意时间、地点,在授权的条件下进行操作,这是传统实验过程所无法比拟的,也是虚拟实验的优势所在.学生能够自由选择实验内容,反复操作演练,进行个性化的学习.
五、结论
专业理论知识传授是为了促进学生实践创新能力的提升,理论与实践密切结合才能产生良好的效果.自动化实验室以学生为中心,采取多层次的教学模式,并推行特色鲜明的教学实践.借助虚拟仿真实验平台,有效地丰富教学方法与手段.同时突出学生学习过程中的独立性和主动性,最终培养出适应社会需求的创新型人才.实践证明基于虚拟仪器的实验教学平台对提高总体教学质量具有重要的意义.
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