第一篇：嵌入式系統(tǒng)課程群虛擬仿真實踐教學平臺建設研究

嵌入式系統(tǒng)課程群虛擬仿真實踐教學平臺建設研究

摘 要： 嵌入式系統(tǒng)課程群在實踐教學中存在設備種類繁雜、設備更新不及時等問題，這些問題對人才培養(yǎng)十分不利。為此提出以共享優(yōu)質(zhì)實驗教學資源為核心，以建設嵌入式系統(tǒng)課程群的信息化實驗教學資源為重點，以建設開放型、先進型、創(chuàng)新型以及易管理、維護型實驗項目為目標，進行虛擬仿真類實驗教學信息化建設。虛擬仿真實踐教學克服了諸多條件的限制，豐富了實踐性教學手段，提高了實踐教學效率，降低了實驗室建設與維護成本，有利于現(xiàn)代實驗教學觀念的更新。

關鍵詞： 嵌入式系統(tǒng)； 實踐教學； 虛擬仿真； 教學資源

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）06-95-03

Abstract： There are many problems in the practical teaching of embedded system course group，such as the complexity of equipment types，the equipments not updated and so on，these problems are very unfavorable to the cultivation of talents.Aiming at these problems，the construction of virtual simulation practical teaching platform is put forward，to share high quality resources of experiment teaching as the core，to construct of informationization resources of experiment teaching for embedded system course group as the focus，to construct experiment projects of open，advanced，innovative and easy to manage and maintenance as the goal.Virtual simulation practical teaching overcomes many limitations，enriches the means of practical teaching，improves the efficiency of practical teaching，reduces the cost of laboratory construction and maintenance，and is beneficial to the idea renewal of modern experiment teaching.Key words： embedded system； experiment teaching； virtualization and simulation； teaching resources

0 引言

當今社會，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)滲透到人們工作、生活中的各個領域，幾乎所有的電子設備都有嵌入式系統(tǒng)的影子[1]。嵌入式系統(tǒng)涵蓋了微機原理及接口技術、單片機原理及應用、計算機組成原理、匯編語言程序設計、操作系統(tǒng)、嵌入式體系結(jié)構(gòu)、嵌入式應用開發(fā)技術、C語言程序設計、匯編程序設計、網(wǎng)絡通信技術、人機接口、軟件技術等多門課內(nèi)容，因此，嵌入式系統(tǒng)的實踐教學顯得尤為重要。各高校逐步建立起嵌入式系統(tǒng)實驗室，但嵌入式系統(tǒng)涉及的硬件種類繁多，由于資金的限制，不可能在一個實驗室囊括所有種類的嵌入式設備。因此，很多實驗項目都需要相應的虛擬仿真設備作為支撐，以虛擬仿真實驗作為傳統(tǒng)實驗的重要補充，克服了諸多條件限制，豐富了實踐性教學的手段，提高了實踐教學效率，降低了實驗室建設與維護成本，有利于現(xiàn)代實驗教學觀念的更新[2]。嵌入式系統(tǒng)課程群在實踐教學中存在的問題

我們分析了嵌入式系統(tǒng)專業(yè)課程群實踐教學的現(xiàn)狀，歸納其存在的主要問題有以下幾個方面。

⑴ 實驗項目類型單一，不利于培養(yǎng)學生的實驗興趣及創(chuàng)新思維能力。

學生對某一課程的興趣往往需要豐富的實驗項目才能帶動，但現(xiàn)有的課程實驗受限于硬件設備，驗證性實驗項目偏多，而設計性及綜合性實驗項目缺乏，故難以激發(fā)學生的實驗興趣，其創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)也同樣受到限制。

⑵ 實驗內(nèi)容彼此孤立，不利于培養(yǎng)學生“從概念到產(chǎn)品”認識的形成。

現(xiàn)有的各種教學實驗，基本是固定程式的驗證式實驗，實驗所用元器件、線路板已選好，學生所做的工作僅是對實驗箱連連線，使用一下測試儀器、儀表，建立相應知識點的概念而已。這樣的實驗很難滿足現(xiàn)代實驗教學改革提出的三個實驗層次即“基礎性實驗、綜合性實驗、創(chuàng)新性實驗”的目標。目前的實驗平臺不能滿足這樣的訓練，即：學生從有一個概念（或想法）開始，然后著手電路原理圖的設計、編寫程序代碼、調(diào)試，最后形成產(chǎn)品的整個開發(fā)過程的訓練。學生通過傳統(tǒng)實驗手段所得到的訓練是片面的、局部的，其對產(chǎn)品開發(fā)過程的認識并不深刻，這也是導致學生所學不能所用的根本原因所在[3]。

⑶ 硬件設備種類繁雜，致使難以開展綜合性的軟件開發(fā)實驗項目。

高層次軟件設計和開發(fā)一般不用太多考慮底層硬件的實現(xiàn)細節(jié)，如果處于一個具體的硬件環(huán)境下，在開發(fā)和研究中可能會陷入硬件的具體細節(jié)中，而不能把精力放到高層次的軟件設計和開發(fā)上。如果硬件開發(fā)環(huán)境不太穩(wěn)定（這種情況經(jīng)常見到），且對具體的硬件又不是很了解，則可能在排除問題上花費大量的時間。

⑷ 新式設備層出不窮，難以保持實驗室設備的先進性，設備需持續(xù)投資。

⑸ 封閉式的實驗教學模式不利于提高實驗效果。

現(xiàn)有實驗室大多采取封閉式的實驗教學模式，即在規(guī)定的課時內(nèi)，在規(guī)定的場地內(nèi)，進行規(guī)定的實驗內(nèi)容（由于實驗設備能力的限制造成），這種封閉式的實驗教學模式，往往造成學生不能有足夠的時間深入了解及研究實驗內(nèi)容，進而對實驗產(chǎn)生興趣，而且固定式的驗證實驗內(nèi)容限制了學生的思維空間，扼殺了學生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。因此，其實驗效果很難提高，這種做法實際上背離了現(xiàn)代實驗教學改革中提出的“優(yōu)化課內(nèi)，強化課外”的實驗教學意識[3]。

⑹ 不利于開展創(chuàng)新性研究。

開展創(chuàng)新性研究的前提是實驗環(huán)境的豐富資源及其靈活可變性。目前基于硬件的實驗平臺往往采取一種定式的實驗或研究環(huán)境，即師生只能在有限的幾種器件或線路實驗板之上進行實驗內(nèi)容的設定或研究，這對于開展創(chuàng)新性研究極為不利[3]。嵌入式系統(tǒng)課程群虛擬仿真類實驗平臺建設

嵌入式系統(tǒng)課程群的實驗教學改革勢在必行，而開展虛擬仿真類實驗教學研究是解決上述問題的有力手段。利用計算機虛擬仿真技術，建立電路分析、匯編程序設計、計算機組成、微機原理與接口技術、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡通信技術、人機接口、軟件技術等課程的虛擬仿真實驗教學資源。綜合一個計算機網(wǎng)絡硬件平臺（或一臺計算機）、一套虛擬仿真軟件，再加上一本虛擬實驗教程，以虛代實、以軟代硬，就可相當于一個設備先進的嵌入式系統(tǒng)實驗室。

我校嵌入式系統(tǒng)課程群虛擬仿真類實驗平臺建設堅持“科學規(guī)劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續(xù)發(fā)展”的指導思想[4]，以全面提高學生創(chuàng)新精神和實踐能力為宗旨，以共享優(yōu)質(zhì)實驗教學資源為核心，進行虛擬仿真類實驗教學信息化建設，推動高等學校實驗教學改革與創(chuàng)新[5]。

⑴ 建設嵌入式系統(tǒng)課程群的虛擬仿真類實驗教學資源

依托中北大學國家級計算機及應用虛擬仿真實驗教學中心，充分發(fā)揮計算機科學與技術學科的專業(yè)優(yōu)勢，高效整合現(xiàn)有的信息化實驗教學資源，以培養(yǎng)學生綜合設計和創(chuàng)新能力為出發(fā)點，創(chuàng)造性地建設與應用高水平軟件共享虛擬實驗、儀器共享虛擬實驗和遠程控制虛擬實驗等教學資源，提高教學能力，拓展實踐領域，豐富教學內(nèi)容，降低實驗成本，開展綠色實驗教學。具體建設內(nèi)容為：①拓展嵌入式系統(tǒng)課程群虛擬仿真類實驗教學內(nèi)容，更新傳統(tǒng)的基礎型實驗，開設綜合型創(chuàng)新型實驗；②結(jié)合嵌入式系統(tǒng)課程體系，制定新的實驗教學大綱，編寫新的實驗教材和實驗指導書；③將虛擬仿真類實踐教學與理論教學相結(jié)合，培養(yǎng)學生的學習興趣、創(chuàng)新能力和動手能力。

⑵ 建設嵌入式系統(tǒng)課程群的虛擬仿真實驗教學管理與共享平臺

建設具有擴展性、兼容性、前瞻性的管理和共享平臺，高效管理實驗教學資源，實現(xiàn)校內(nèi)外、本地區(qū)及更廣范圍內(nèi)的實驗教學資源共享，滿足多地區(qū)、多學校和多課程的虛擬仿真實驗教學的需求，建立可持續(xù)發(fā)展的虛擬仿真實驗教學服務支撐體系。虛擬仿真實驗教學資源管理與共享平臺的所有實驗數(shù)據(jù)都存儲在系統(tǒng)服務器上，管理人員和教師可在辦公室或宿舍通過網(wǎng)絡對虛擬儀器設備、實驗項目、實驗過程等進行管理監(jiān)控；教師還可以預約安排課內(nèi)實驗、設計并發(fā)布新的實驗項目、收集學生實驗過程的相關信息、評定學生實驗成績等；學生則可以預約課外實驗，既可以到實驗室進行現(xiàn)場實驗，又可以在其他機房或宿舍登錄系統(tǒng)進行實驗[6]。

⑶ 以科研項目為紐帶，建設創(chuàng)新型虛擬仿真實驗教學資源

利用科研項目及成果轉(zhuǎn)化的系統(tǒng)軟件和教學儀器設備開設了有特色的自主實驗和創(chuàng)新實驗，讓學生在課余時間利用虛擬仿真平臺和教學儀器設備進行實驗，同時也滿足課程設計和畢業(yè)設計中對設計對象的仿真實驗要求。

工程創(chuàng)新實驗室面向全校優(yōu)秀學生，提供創(chuàng)新和開放實驗。成立創(chuàng)新小組，每年吐故納新，大四學生畢業(yè)、大二學生選拔加入，管理模式為學生自治，采用內(nèi)部優(yōu)勝劣汰。學生以2～5人為一組進行創(chuàng)新性實驗，以團隊自主學習為主，教師指導為輔，結(jié)合科研課題和相關競賽，形成了良性的競爭和團隊協(xié)作的運作機制。學生的工程實踐和科研創(chuàng)新能力得到了提升，教師的科研課題也得到了有力支持。科研成果開拓了學生視野、提升了知識結(jié)構(gòu)、培養(yǎng)了綜合設計和創(chuàng)新能力，顯著提升了學生的學習興趣與工程設計能力。建設效果

中北大學計算機及應用虛擬仿真實驗教學中心于2015年1月獲批國家級虛擬仿真實驗教學中心，中心深入研究虛擬仿真實驗教學技術，并通過校企合作等方式探索虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)的自主研發(fā)，研發(fā)了多套虛擬仿真實驗系統(tǒng)，并初步建立起了嵌入式系統(tǒng)課程群的虛擬仿真實踐教學平臺，取得了良好的效果。

⑴ 集開放性、先進性與創(chuàng)新性于一體

首先，虛擬仿真實驗項目不受空間與場地的限制，具有開放性；其次，虛擬設備可以定時更新升級，確保了虛擬設備始終與市場上的更換速度保持一致，確保了實驗設備的先進性；最后，大量綜合型及創(chuàng)新型實驗項目得以在虛擬環(huán)境中開展。

⑵ 拓展了實踐領域，豐富教學內(nèi)容，實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學功能

某些實驗項目由于設備昂貴、經(jīng)費不足或?qū)嶒烅椖勘旧韮?nèi)容繁雜而無法正常開展，采用虛擬仿真實踐教學后，可以對真實設備進行虛擬仿真，同時也可簡化過于繁雜的實驗步驟，使實驗得以正常進行。

⑶ 虛實結(jié)合的實驗教學方式減輕了實驗教學壓力，提高了實驗效果，并為學生的創(chuàng)新實驗提供了支持

我校是一所以工科為主的高校，盡管增加了實驗設備的臺套數(shù)，但由于招生規(guī)模擴大，仍不能滿足上機需求。學生在實驗室的時間有限，難以充分觀察、思考，沒有機會完成自主設計的實驗項目等問題，實驗效果不佳。利用虛擬仿真實驗系統(tǒng)，學生可“先虛擬、后實驗”，即在進實驗室前，利用虛擬仿真平臺和軟件，熟識儀器使用，理解實驗原理，預測實驗結(jié)果，做好真實實驗的準備工作；實驗后又可利用虛擬仿真平臺分析實驗數(shù)據(jù)與各種現(xiàn)象，效果很好；學生還可以在仿真平臺上，自主設計實驗項目，以提高自身的創(chuàng)新能力。

⑷ 降低了實驗室建設成本

與傳統(tǒng)實驗項目建設相比，虛擬仿真實驗不用購買昂貴的設備，只需一套虛擬仿真軟件，外加少量的實驗驗證板即可，大大降低了實驗室的維護費用。結(jié)束語

將虛擬仿真技術引入嵌入式系統(tǒng)課程群的實踐教學環(huán)節(jié)，使得許多原來由硬件才能完成的功能，都能依靠軟件來實現(xiàn)，即“以虛代實”、“以軟代硬”、“虛實結(jié)合”，構(gòu)建了與真實環(huán)境一致的虛擬仿真實踐教學平臺，完成了原有實驗難以實現(xiàn)或無法完成的功能，進一步培養(yǎng)了學生的設計能力、動手能力和工程應用能力，教學效果顯著。虛擬仿真實驗項目的開發(fā)是一個龐大的工程仍需進行深入探討。

參考文獻（References）：

[1] 羅志偉，李蓓莉.開放型嵌入式系統(tǒng)虛擬實驗室的構(gòu)建[J].惠

州學院學報，2009.29（3）：122-125

[2] 周世杰，吉家成，王華.虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐[J].計算機教育，2015.9：5-11

[3] 李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設

提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013.32（11）：5-8

[4] 匡載華，鄧小鵬.電子類學科專業(yè)Proteus實驗室的建設[J].實

驗技術與管理，2009.26（1）：155-158

[5] 劉曉東.計算機虛擬實驗系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].天津大學碩

士學位論文，2010.[6] 胡今鴻，李鴻飛，黃濤.高校虛擬仿真實驗教學資源 開放共享

機制探究[J].實驗室研究與探索，2015.34（2）：140-144

第二篇：虛擬汽修仿真教學系統(tǒng)

虛擬汽修仿真教學系統(tǒng)

中國已成為全球汽車的第一大市場，快速發(fā)展的汽車工具為我國經(jīng)濟注入了一支強心劑，拉動了各個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，隨著我國汽車保有量的不斷攀升，另一個問題已經(jīng)浮出水面——汽車維修維護。

不僅是現(xiàn)有的4S店，社會上的各類大大小小的汽車維修店如雨后春筍般涌現(xiàn)，而汽車維修維護人才卻極為缺乏，近年來汽車工業(yè)和汽車技術不斷發(fā)展，新能源汽車也不斷普及，對汽車的維修維護提出了更高的要求。作為汽修人才培養(yǎng)的主力：職業(yè)院校，如何解決社會汽修人才的問題，成為了最大的教學要求。

汽車作為一個高度機電一體化的產(chǎn)品，內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復雜，需要全面了解汽車的結(jié)構(gòu)和運行原理，才可能對維修維護有深刻的認識和技能，利用先進的IT技術，使用虛擬汽車教學培訓系統(tǒng)，對培養(yǎng)汽修人才有著巨大的促進作用。

鳳凰創(chuàng)壹虛擬汽車教學培訓系統(tǒng)以3D互動方式直觀展現(xiàn)汽車的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，以及虛擬拆卸與安裝（每一步互動操作都有相應的語音解說或提示）。并提供3D互動 故障診斷及考核功能。本系統(tǒng)包含汽車機械常識、汽車文化、汽車的美容與裝飾、汽車電子電工技術應用、汽車結(jié)構(gòu)與拆裝、汽車使用日常維護、汽車的修理、汽車 性能檢測、汽車故障診斷九大模塊：（1）汽車機械常識包含量缸表的使用、曲軸的測量、汽缸的測量；（2）汽車文化包含汽車駕駛的演示和汽車駕駛的實訓；（3）汽車的美容與裝飾章節(jié)包含的主要課程（汽車清洗、汽車護理、汽車漆膜修補、汽車車身裝飾、汽車室內(nèi)裝飾、車身電器的裝飾等）；（4）汽車電子電工技 術應用主要包含電源系統(tǒng)繪制與連接、啟動系統(tǒng)繪制與連接、點火系統(tǒng)繪制與連接、照明系統(tǒng)繪制與連接；（5）汽車結(jié)構(gòu)與拆裝包含整車拆裝，發(fā)動機拆裝，發(fā)電 機拆裝，發(fā)電機拆裝（含工具），自動變速器原理，變速器內(nèi)部展示與拆裝，汽車整車展示與拆裝，汽車底盤展示與拆裝等（所有拆裝均包括：自動拆卸，自動安 裝，手動拆卸，手動安裝。其中自動拆卸，自動安裝是為了讓學員學習整個拆裝過程，手動拆卸，手動安裝是為了學員練習對所學拆裝步驟的熟悉度）；（6）汽車使用日常維護包含調(diào)整點火正時、交流發(fā)電機各部件的檢修、啟動機故障診斷與排除、前照明燈的檢查與排除、電動門窗故障診斷與調(diào)整等。（7）汽車的修理包 含汽油泵拆裝、分電器拆裝、曲柄連桿機構(gòu)拆裝、活塞環(huán)更換、噴油器拆裝、汽油機竣工驗收、柴油機竣工驗收、氣缸壓力的測量、變速器的拆裝、前橋拆裝、轉(zhuǎn)向 器拆裝桑塔納主減速器拆裝、東風制動閥拆裝、交流發(fā)電機拆裝、分電器拆裝、四缸發(fā)動機拆裝、以及制冷劑進行瀉放、添加及抽真空等常見汽車修理內(nèi)容；（8）汽車性能檢測功能模塊可讓學員在三維互動的場景中學習動手進行制動性能檢測、燈光性能檢測、汽車尾氣性能檢測、側(cè)滑性能檢測、蓄電池性能檢測、交流發(fā)電機 性能檢測、啟動機性能檢測、點火性能檢測、點火能量檢測等性能檢測；（9）汽車故障診斷包含機械故障，電控故障，電器故障。機械故障主要檢查器件磨損間 隙，裂紋，變形，老化等故障（包括冷卻系統(tǒng)，潤滑系統(tǒng)，啟動系統(tǒng)，點火系統(tǒng)等故障）；電控故障檢查發(fā)動機控制和各個系統(tǒng)控制反饋信號的檢測，查看各個功能 傳感器的故障（防盜系統(tǒng)，燃油系統(tǒng)，排氣系統(tǒng)，點火系統(tǒng)，空氣供給系統(tǒng)等故障）；電器故障檢查各個系統(tǒng)的電器原件故障(如雨刮噴水系統(tǒng)，燈光照明系統(tǒng)，儀 表系統(tǒng)，啟動系統(tǒng)，充電系統(tǒng)，玻璃升降系統(tǒng)，電動后視鏡系統(tǒng)等故障)。本系統(tǒng)還提供排除故障過程中需要用到相關儀器儀表，例如：汽車故障檢測儀，示波表，千分尺，內(nèi)徑千分尺等三維互動模型。

在職業(yè)院校汽修專業(yè)中推廣和普及虛擬汽車維修維護培訓系統(tǒng)，是汽修教學改革的一大進步，不僅在教學方法是進行了改革，在教學內(nèi)容和教學模式上都是巨大的進步和變革，對我國大力發(fā)展汽修人才有巨大的推動作用。

第三篇：嵌入式系統(tǒng)課程建設

嵌入式系統(tǒng)課程建設

近年來，我國嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品發(fā)展十分迅猛，中國嵌入式系統(tǒng)市場估計每年將直接創(chuàng)造千億元的效益，所帶動的相關工業(yè)產(chǎn)值超過萬億元，成為中國信息產(chǎn)業(yè)新的市場增長點。與巨大的市場潛力和產(chǎn)業(yè)需求相比，我國嵌入式系統(tǒng)工程人才培養(yǎng)相對落后，并進而影響到了該產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。在這種背景下，許多高校的計算機、電子、軟件等專業(yè)針對市場需求，開設了嵌入式系統(tǒng)相關課程。在IEEE計算機協(xié)會和ACM共同制定的2004版計算機類課程體系中，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)被列為核心課程之一。北京航空航天大學計算機學院于2002學年開始開設了“嵌入式系統(tǒng)設計”課程，下面對該課程的建設情況作簡單介紹。課程基本情況

該課程是面向計算機學院高年級本科生（或研究生）開設的專業(yè)課，是一門以計算機各種專業(yè)知識綜合應用為主要特色的課程，其指導思想是培養(yǎng)學生從“整體”的角度認識、研究和解決嵌入式計算工程問題的方法和能力，為學生在嵌入式計算工程領域研究和開發(fā)奠定相關基礎。課程采用理論知識傳輸與工程能力培養(yǎng)并重的教學方法，教學內(nèi)容盡量反映該領域內(nèi)最新的理論和技術成果，使學生了解該學科最新的前沿發(fā)展動態(tài)和方向，培養(yǎng)出適應社會需求的專業(yè)化技術人才。

該課程的教學目標是使學生能夠掌握嵌入式系統(tǒng)設計過程中的基本概念和原理，使學生能夠掌握和使用最新的嵌入式系統(tǒng)設計方法和典型開發(fā)工具。課程在教學內(nèi)容安排上遵循“面向市場需求、定位人才培養(yǎng)”的原則，強調(diào)將計算機系統(tǒng)不同層次專業(yè)知識的基礎性與實際工程設計思想和架構(gòu)的前沿性相結(jié)合，重視將計算機系統(tǒng)自底向上的各種專業(yè)課程內(nèi)容的有機整合，使得諸如操作系統(tǒng)、體系結(jié)構(gòu)、接口與通信和計算機網(wǎng)絡等孤立的課程呈現(xiàn)相互配合的應用場景，讓學生進一步認識和掌握上述課程的基本概念和基本規(guī)律在實際的綜合系統(tǒng)應用中的作用和影響。在課件設計上，采取統(tǒng)一的知識體系結(jié)構(gòu)，涵蓋“基礎知識+ 基本技能+ 技術講座+ 項目實踐”四大模塊，突出注重工程能力培養(yǎng)的特色。通過課程學習和實驗，學生應能夠熟悉一種典型的微處理器體系結(jié)構(gòu)，掌握一套主流的開發(fā)工具和一種嵌入式操作系統(tǒng)，熟練使用一門開發(fā)語言，使學生具備嵌入式系統(tǒng)軟、硬件開發(fā)設計的基本能力。

目前該課程為48學時，其中理論授課24學時，實驗24學時。該課程的理論教學內(nèi)容包括：

（1）嵌入式系統(tǒng)概述；（2）嵌入式硬件基礎；（3）嵌入式操作系統(tǒng)；（4）嵌入式系統(tǒng)的設計與建模；（5）嵌入式系統(tǒng)設計實例分析；（6）專用接口和硬件加速器；（7）分布嵌入式系統(tǒng)；

（8）高可靠性嵌入式系統(tǒng)等擴展內(nèi)容。課程的實驗包括了基礎性實驗和綜合設計實驗兩部分，基礎性實驗主要是一些預先設計好的實驗，通過讓學生的實際操作，能夠加深對課程所講授的基本原理、技術和方法等知識點的理解，同時，能夠讓學生掌握一些具體的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工具及環(huán)境，主要包括嵌入式操作系統(tǒng)的移植和裁減、驅(qū)動程序的開發(fā)及對開發(fā)工具鏈的使用。綜合設計實驗則要求學生面向某綜合應用（指定或者自主提出）而進行設計、編碼和調(diào)試并給出完整的解決方案。

課程的考核由三部分組成：理論課作業(yè)和小測驗20%，基礎性實驗40%,綜合設計實驗40%。

經(jīng)過四年的建設，該課程的已整理編寫完成配套的教案、講義和實驗指導書，形成了一整套課程指導和考核體系，建立了以相關學科學術帶頭人為課程負責人，以博士中青年教師為教學骨干，以博士青年教師和博士生為教輔人員的教學團隊。幾年來的教學實踐表明，該課程的教學實現(xiàn)了教與學的有機結(jié)合，理論教學和實踐環(huán)節(jié)高度統(tǒng)一，有力地促進了學生的工程能力提高。在學生的作品中創(chuàng)新成為主題，學生在國內(nèi)外各種嵌入式方面的競賽中屢創(chuàng)佳績，也從另外一個側(cè)面印證了良好的教學效果。精品課程創(chuàng)新點

（1）本碩一體化設置。

課程強調(diào)研究生與本科生學習內(nèi)容的連貫性、層次性，從理論課到實驗課都設置了基本、中級和高級三個層次的內(nèi)容，學生可根據(jù)自己的基礎選聽（或選做）具有不同加權(quán)值的內(nèi)容（或?qū)嶒灒Ｍ怀鲶w現(xiàn)了學院本、碩一體化的課程建設思路。

（2）兼顧理論，重在實踐。

作為一門實踐性很強的課程，本課程在不斷更新最新的國內(nèi)外理論知識的同時，非常重視加強實踐環(huán)節(jié)，主要體現(xiàn)在兩個方面：

一、課程理論授課部分，每一章都有設計實例，這些設計實例大部分來自教師實際的科研或工程項目，并且隨著科研工作的變化而動態(tài)更新，具有很強的實踐性。

二、課程設計了大量的實驗，實驗課時也占到了整個課程的一半時間，實驗課本身加強了指導力度，由骨干教師加多名具有較強實踐能力的助教組成的指導隊伍，負責整個實驗期間從理論到具體操作的各個環(huán)節(jié)的指導工作。

（3）緊密結(jié)合企業(yè)核心技術，具有較強的實用性和前沿性。

課程內(nèi)容的設置與動態(tài)調(diào)整，都是在充分分析當前國際上有影響的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件平臺最新的核心技術、充分考慮嵌入式應用系統(tǒng)開發(fā)企業(yè)技術需求的基礎上進行的，課程內(nèi)容較大程度地體現(xiàn)了嵌入式領域的熱點，是企業(yè)界普遍關心的核心技術，具有較強的實用性，有利于培養(yǎng)出業(yè)界需要的人才。課程前沿性則表現(xiàn)在：

一、課程的主講教師是從事嵌入式系統(tǒng)研究與開發(fā)一線的科研人員，能夠及時地根據(jù)技術發(fā)展動向調(diào)整教學大綱和教學計劃，及時地將最新的技術和設計理念引入到課程中。

二、及時地對國際上一些著名大學（目前我們主要選擇的是卡耐基·梅隆和普林斯頓大學）的相關課程的開設情況進行跟蹤分析，對我們的課程安排適時調(diào)整。

（4）注重創(chuàng)新素質(zhì)的培養(yǎng)。

嵌入式系統(tǒng)是面向應用的專用計算機系統(tǒng)，與產(chǎn)品和市場有著緊密的聯(lián)系，設計的創(chuàng)新性直接決定了產(chǎn)品的創(chuàng)新性，加強未來的嵌入式系統(tǒng)設計師的創(chuàng)新素質(zhì)的培養(yǎng)，是本課程重點之一。具體體現(xiàn)在：

一、課程只對基本原理和方法介紹，對一些具體技術和環(huán)境則通過課外參考資料和網(wǎng)上第二課堂提供給學生，學生根據(jù)個人興趣有選擇地對某些問題進行深入學習和研究；

二、注意培養(yǎng)學生批判性思維方式，在實例分析中，鼓勵學生對實例所采用的技術和方案進行不同角度的評價，變被動灌輸為主動思考；

三、加強綜合設計性及開放性實驗環(huán)節(jié)，鼓勵和引導學生積極提出原創(chuàng)性的設計內(nèi)容，創(chuàng)新性是綜合性實驗的考核標準之一。

（5）形式多樣的教學模式

我們采用“責任教授＋主講教師+ 實驗輔導教師”的教師團隊，采用“講授+分析+案例+演示+大型作業(yè)+實驗+查閱資料及撰寫綜述報告+小課題”的教學模式，改善了這類綜合性課程“難教”、“難學”的狀況。

講授：對于基本概念和基本原理方面的內(nèi)容，采用以傳統(tǒng)的講授法為主，力求講清概念內(nèi)含和外延、基本原理的思路，實質(zhì)意義以及適用范圍等內(nèi)容；

分析：嵌入式系統(tǒng)設計的內(nèi)容較多，對于某些書本上只提其然而不提其所以然而又比較重要會影響系統(tǒng)級設計理解的問題，找準切入點，逐步分析，使學生深入理解相關概念；

案例：對于應用性較強的內(nèi)容，精心設計典型案例，通過對案例的分析和逐步實現(xiàn)，使學生理解并能夠正確應用相關的技術和原理解決問題。

（6）完整的實驗體系

全面的實驗內(nèi)容、實驗過程全程指導、嚴格的考核體系是本課程實踐環(huán)節(jié)的亮點。

課程的實驗由精心設計的基礎性實驗和鼓勵學生創(chuàng)新的綜合設計實驗兩部分組成。基礎性實驗主要是一些預先設計好的實驗，通過讓學生的實際操作，能夠加深對課程所講授的基本原理、技術和方法等知識點的理解，同時，能夠讓學生掌握一些具體的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工具及環(huán)境。基礎性實驗是一組實驗集，包括了必做的和根據(jù)個人的興趣選做的。目前針對Xscale硬件平臺基于WINCE操作系統(tǒng)和LINUX操作系統(tǒng)分別設計了四大類共24個實驗，針對EIA平臺設計了4個基本實驗，學生可以任選平臺，除了3個必做的實驗外，每個人按要求選做1～2個實驗。綜合實驗是啟發(fā)式的引導性實驗，主要目的在于培養(yǎng)學生對課程所學知識的綜合運用能力和創(chuàng)新能力。由學生結(jié)合本課程內(nèi)容以及前導實驗，充分發(fā)揮主觀能動性，獨立設計并實現(xiàn)具有一定演示度的嵌入式系統(tǒng)，原則上不限制硬件和軟件平臺。考慮到學生水平差異，給出了一些備選方向，鼓勵和引導學生積極提出原創(chuàng)性的設計內(nèi)容。

對于基礎性實驗，要求每個學生獨立完成，實驗前要求提交實驗預習報告，實驗過程中給出實現(xiàn)結(jié)果，實驗后要求提交實驗報告。對于綜合設計實驗，以興趣小組方式組織，每個小組3～4人，要求每個小組都要提交項目申請書，經(jīng)過答辯、確認技術路線可行后，進入實現(xiàn)階段，實驗完成后，提供關于實驗的課程設計和實驗報告。在整個實驗過程中由課程教師和助教一起完成實驗指導。建設的具體實施辦法

（1）完善課程網(wǎng)站

實現(xiàn)所有教案和課件全部電子化，具有較好的多媒體效果，并放在網(wǎng)站上。實現(xiàn)教學手段的電子化與網(wǎng)絡化，包括網(wǎng)上作業(yè)的發(fā)布與提交，網(wǎng)上小測驗，網(wǎng)上輔導與答疑。

（2）建設開放實驗室

從這幾年的教學實踐看，學生對嵌入式系統(tǒng)這種教學與實踐相結(jié)合的課程非常感興趣，尤其在綜合實驗中表現(xiàn)出很高的熱情和積極性，所投入的精力和時間已遠遠超出課程的要求，教學效果非常明顯。這促成我們建設開放實驗室的想法，即使該課程的實驗教學做到實驗時間、實驗內(nèi)容和實驗器材對學生的真正開放。使學生能夠理論與實踐相結(jié)合、驗證型實驗與設計型實驗相結(jié)合、課內(nèi)與課外相結(jié)合。當然在開放實驗室下的課程輔導、監(jiān)管、考核方式都需要新的探索。開放實驗室將通過學校的教改項目支持來完成。

（3）逐步構(gòu)建第二課堂—電子教室

軟硬件平臺的多樣性是嵌入式系統(tǒng)的主要特點之一。由于課時等條件限制，課堂上不可能有覆蓋很多內(nèi)容，為了保證課程的廣度和深度，往往需要學生課外學習和掌握一定的知識。因此，我們計劃逐步建立第二課堂—電子教室。該教室包括多個專題（如ARM教室、X86教室、Linux教室、WinCE教室、低功耗設計教室等），學生根據(jù)自己的時間和興趣選擇，并在網(wǎng)上交互學習。電子教室的建設將依托學院教改項目。相關教材介紹

經(jīng)過近四年的建設，本課程形成了自己的教案、講義和實驗指導書。《嵌入式系統(tǒng)設計》教材也即將編寫成稿。課程的實驗內(nèi)容和指導書已被“國家發(fā)改委-微軟嵌入式系統(tǒng)教學包”收錄。

主講教師個人簡歷

尚利宏博士，北京航空航天大學計算機學院講師。主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)、嵌入式軟件測試、容錯計算，主講《計算機容錯技術》、《嵌入式系統(tǒng)設計》等課程。作為技術負責人完成國家自然基金項目一項，國防預研基金項目二項，以及國防重點型號任務多項。獲陜西省國防科技進步三等獎一項。2005和2006年連續(xù)兩年指導的本科生隊伍獲得微軟公司組織的全球大學生嵌入式系統(tǒng)設計大賽優(yōu)勝獎。北航大學生課外活動優(yōu)秀指導教師。

第四篇：基于虛擬仿真實驗系統(tǒng)的自主學習研究

基于虛擬仿真實驗系統(tǒng)的自主學習研究

摘 要：虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內(nèi)容，是學科專業(yè)與信息技術深度融合的產(chǎn)物[1]。為了研究基于虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)進行自主學習的過程和效果，文章基于北京郵電大學電子信息虛擬仿真實驗教學中心的虛擬仿真實驗教學平臺，以《集成運算放大器的基本應用―低通濾波器》實驗為例，歸納沒有模擬電路基礎的學習者通過自主學習完成虛擬仿真電路實驗的過程，并采用調(diào)查問卷的方式收集學習者的學習效果。實驗結(jié)果表明，虛擬實驗可以讓學習者獲得相關的電路知識，虛擬仿真實驗平臺可以作為學習者自主學習的工具，并且在自主學習的過程中提高了學習者的學習興趣和發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力，培養(yǎng)了學習者的探索精神。

關鍵詞：自主學習；虛擬仿真實驗系統(tǒng)；模擬電路；學習效果

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2018）06-0093-04

在現(xiàn)代教育中，實驗教學占有越來越重要的地位，為了培養(yǎng)學生的實際動手能力和觀察能力，很多課程往往需要學生進行大量的實驗，而且許多實驗需要多協(xié)同操作才能完成。但現(xiàn)實中許多問題在真實環(huán)境下實驗具有不可見性、危險性或需要昂貴的實驗設備，成為制約教學質(zhì)量提高的重要因素。虛擬仿真實驗是解決此問題的有效方案[2]。

虛擬實驗教學平臺不僅可以解決上述問題，而且對于提高學習者的學習興趣，激發(fā)學習者的學習動機有很大的幫助。在利用虛擬仿真實驗平臺進行自主學習的過程中，完全是以學習者為中心，學生可以自主調(diào)節(jié)學習的時間、地點、順序以及學習的進度，鼓勵學生的自主學習、協(xié)作學習，有利于學習者的主動建構(gòu)，符合建構(gòu)主義的教育觀和?W習觀，具有較高的理論意義和實踐價值[3]。自主學習虛擬實驗還有利于培養(yǎng)學習者的探索精神和實踐能力。學習者在自主學習虛擬仿真實驗的過程中，也提高了遇到問題解決問題的能力，并且確實獲得了實驗的相關知識。將虛擬仿真實驗引入教學有利于推進高等學校實驗教學信息化建設和實驗教學的改革與發(fā)展。

一、研究現(xiàn)狀及不足

1.虛擬實驗室建設現(xiàn)狀

虛擬仿真實驗室受到了各國高校的普遍關注，我國教育部從2013年起開展了國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作，截止2015年共評審出300個國家級虛擬仿真實驗教學中心。科技部2010年將《虛擬實驗教學環(huán)境關鍵技術研究與應用示范》作為“十一五”國家支撐計劃重點項目開展研究，清華大學、北京大學、上海交通大學、北京郵電大學、華南理工大學等高校已陸續(xù)在網(wǎng)上提供了虛擬實驗服務。在國際上有芝加哥伊利諾伊大學的數(shù)字化有機化學實驗室，卡羅萊納州立大學利用Java技術建設基于Web的探索式虛擬物理實驗室，密歇根大學為操作系統(tǒng)和高級語言課程建設了虛擬網(wǎng)上系統(tǒng)實驗室等。

2.國內(nèi)研究現(xiàn)狀及啟示

虛擬仿真實驗與實驗教學的結(jié)合方式主要有兩種，一種是先實驗教學后虛擬實驗，這里虛擬實驗主要是用于鞏固知識，完善知識結(jié)構(gòu)，提高學生的動手實踐能力。這也屬于先理論后實驗的教學方式，李旭鋒在《“先實驗后理論”化學教學方法探析》[4]中提出“先理論后實驗”的教學方法會抑制學生在實驗中發(fā)現(xiàn)問題的積極性和探索創(chuàng)新的主動性。另一種是先虛擬實驗后實驗教學，這里虛擬實驗主要是來達到預習實驗的目的，有利于教學更加順利地進行，如藺智挺在《基于虛擬仿真實驗的模擬集成電路實驗教學》[5]一文中，以模擬集成電路實驗教學為例，介紹了安徽大學基于虛擬仿真實驗進行實驗教學改革的做法和效果，利用虛擬仿真實驗中心，緩解了課時的矛盾，較好地達到了預習實驗的目的，拓展了實驗的內(nèi)容，對實驗教學改革的深化產(chǎn)生了積極而深遠的影響。

虛擬仿真實驗可以作為學生自主學習的資源，培養(yǎng)學生的自主性、探究性學習能力。如潘雪濤、鄔華芝等在《創(chuàng)新虛擬實驗教學模式 培養(yǎng)自主學習能力》[6]一文中提出“三三三”教學理論新模式，其中虛擬實驗室在課前應用，激發(fā)學習者興趣，進行自主預習；在課中應用，主要用于教學互動，提高效率；在課后應用，用于自主復習，自主訓練。多年的實踐證明，教學改革成果顯著，教學效果明顯，學生的自主學習能力和實踐創(chuàng)新能力不斷提高。趙琪、孫紅等在《基礎醫(yī)學虛擬仿真實驗教學平臺構(gòu)建研究》[7]中，提出開放式網(wǎng)絡化基礎醫(yī)學虛擬仿真實驗平臺豐富了實驗教學內(nèi)容和手段，逐漸成為學生自主學習、自助學習的重要場所和學習方式，能夠突出探究、實踐和創(chuàng)新，提高學生自主學習和探究性學習能力。

3.當前研究的不足之處

通過以上文獻分析可以看出，廣大研究者對開發(fā)出的虛擬實驗系統(tǒng)在教學中的應用情況不太關注，對虛擬實驗系統(tǒng)應用于教學的過程設計與效果分析、虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)評價等方面的研究不多，尤其是關于學生對虛擬實驗系統(tǒng)學習體驗的調(diào)查和從學生視角對使用虛擬實驗系統(tǒng)進行學習的評價很少。實際上，這方面的研究，對于檢查所開發(fā)平臺的有效性、實用性有很重要的意義[8]。

已有研究大多關注利用虛擬實驗進行教學改革或者虛擬實驗平臺建設，目前尚未有研究者進行虛擬實驗的自主學習過程以及學習效果驗證的研究，而基于沒有模擬電路知識基礎的學習者的自主學習更能反映出虛擬實驗平臺對于知識掌握和實踐能力提高的效果。因此筆者基于北京郵電大學自主研發(fā)的電子信息虛擬仿真實驗教學中心，以未學習過《模擬電路》相關課程的學習者為研究對象，對學習者的學習過程、學習積極性、學習效果進行研究。

二、研究方法及過程

1.研究目的

本研究旨在通過對沒有模擬電路知識基礎的學生進行虛擬仿真實驗的自主學習過程和效果的調(diào)查研究，來分析通過自主學習虛擬仿真實驗，學生是否可以獲得相關的電路知識；學生在學習過程中積極性和注意力的集中程度如何，發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力是否有所提高，以及實驗平臺的易用性等問題，通過此次調(diào)查，了解虛擬仿真實驗是否可以作為學生自主學習的工具。

2.研究對象

本次調(diào)查問卷以40名研究生為例。在樣本的選取上，本次調(diào)查對象為沒有學過《模擬電路》相關課程、沒有做過任何一個模擬電路實驗的學習者，這樣更能體現(xiàn)出自主學習虛擬仿真實驗的效果；本研究所用的實驗平臺是由北京潤尼爾網(wǎng)絡科技有限公司研發(fā)、北京郵電大學電子信息虛擬仿真實驗教學中心運營的。實驗課程類屬《模擬電路》，實驗名稱：《集成運算放大器的基本應用―低通濾波器》，學習方式：自主學習。

3.研究工具

本次研究采用的工具為一份問卷調(diào)查表，在填寫完問卷之后采用訪談的方法來獲取被試者的主觀感受。

（1）問卷調(diào)查

本問卷的題目包括三個部分：第一個部分是第1題，是關于研究對象的個人信息，是否做過任何一個模擬電路的實驗。若做過，則被視為無效問卷；第二個部分是2～6題，從做實驗的積極性和注意力的集中性（問題2～3），遇到問題的解決辦法（問題4～6）三個方面來了解學生做實驗的過程。第三部分是7～9題，分別從實驗的原理（問題7）、器材的種類（問題8）、器材的作用（問題9）、學習虛擬實驗的基本步驟（問題10）、虛擬實驗對學習的幫助程度（問題11）四個方面來調(diào)查學習效果以及虛擬實驗對自主學習的有用性。

實驗在2017年6月份進行，每個學生自主學習虛擬仿真實驗的時間不限制，可以使用互聯(lián)網(wǎng)進行信息的查詢，學習過程沒有硬性要求，學習順序自主安排。調(diào)查問卷安排在做完實驗之后，其中問卷的第10題是關于學習者對學習虛擬仿真實驗的步驟排序。將學習虛擬仿真實驗的過程進行精簡和編碼：①進入虛擬實驗界面，瀏覽實驗內(nèi)容；②打開各個儀器的開關；③根據(jù)網(wǎng)絡實物圖連接完整的電路圖；④尋求場外人員幫助；⑤調(diào)節(jié)各個儀器的量程；⑥根據(jù)實驗原理圖連接實物圖的基本部分。分析學習者的排序，得出學習過程的活動圖如圖1所示。

進入虛擬實驗界面，瀏覽實驗目的、實驗器材、實驗原理、實驗報告以及實驗操作平臺。通過實驗原理可得知：濾波電路的基本功能是濾除（抑制）某一頻率段的輸入信號。低通濾波器抑制的是高頻段的信號，通過低頻段的信號，當信號和噪聲在不同的頻帶時，可以實現(xiàn)信號分離，濾除噪聲。

通過參照實驗原理圖和百度的完整實物圖在虛擬實驗臺上進行電路連接。在實驗過程中遇到不認識的器材，通過雙擊實驗器材來獲得器材的屬性以及幫助信息，遇到不太懂的地方則通過網(wǎng)絡搜索或者尋求他人的幫助，原理圖中的三角形器件為運算放大器，有八個引腳，有放大信號的功能；信號發(fā)生器發(fā)出信號，通過泰克示波器來展示波形。

當完成電路的物理連接后，打開和調(diào)節(jié)各個儀器設備。但是波形并沒有顯示出來，然后通過檢查自己的電路圖是否連接正確來進行排錯處理，查完之后還沒有出現(xiàn)波形，請其他人員幫助，通過調(diào)節(jié)泰克示波器的量程來顯示出波形，實驗成功。實驗臺如圖2所示。

在整個實驗進行的過程中發(fā)現(xiàn)，認知虛擬實驗平臺只需要三分鐘左右，實驗平臺簡單易用，查詢信息方式很多，有獲取實驗幫助、獲取智能指導、獲取器材信息等等，實驗過程中，學生一直都保持很高的積極性，注意力很集中，遇到問題時，能夠積極主動的尋找問題的來源，主動尋求幫助，提高了發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

（2）訪談

填寫完問卷，筆者對于調(diào)查對象關于做虛擬實驗的主觀感受以及填寫問卷的認真程度進行訪談。經(jīng)訪談發(fā)現(xiàn)，學習者表示不用去實驗室就能把實驗做出來，很方便快捷，學習者在學習過程中充滿了好奇心，尤其是當波形調(diào)出來之后，覺得很神奇，自主學習的結(jié)果能夠?qū)崟r的被觀察到，能夠激勵學習者進一步學習，并且所有的被試者都認真完成實驗和問卷，沒有無效問卷。

4.資料處理與分析

本研究共回收實驗問卷40份，其中第一題的選項均為B，即在本次實驗之前沒有做過虛擬實驗，因此問卷全部為有效問卷。

問卷首先調(diào)查了學習者在進行實驗時的注意力保持情況，和學習者在使用虛擬實驗平臺時的態(tài)度，筆者將注意力的五級進行編碼，在SPSS（“統(tǒng)計產(chǎn)品與服務解決方案”軟件，用于統(tǒng)計分析）中將選項依次賦值，A為4分，B為3分，C為2分，D為1分，E為0分，統(tǒng)計結(jié)果顯示，被試學習者的注意力平均水平為2.9分，說明虛擬實驗教學系統(tǒng)可以使學習者的注意力保持在中等偏上水平。

相關研究表明，根據(jù)認知負荷理論，當使用虛擬實驗室進行虛擬實驗時，學習者往往需要先掌握相關的知識與技能，比如了解虛擬實驗系統(tǒng)的操作規(guī)范和技術流程等，雖然這些知識和技能可能跟當前學習任務沒有必然聯(lián)系，但其實無形中增加了學習者的認知負荷[9]。本組下的另一個研究主題是關于學習者的學習積極性，通過圖3可以看出，被試對象的積極性保持在較高水平，所有的學習者都選擇了“積極”或“非常積極”。本主題的研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)實驗教學方式相比，學習者的認知負荷反而降低了。

虛擬實驗過程中，學生可以隨時登錄網(wǎng)站進行各種實驗，操作實驗設備，不受時間和空間的限制；學生在實驗中自主發(fā)現(xiàn)并解決問題，有利于培養(yǎng)在實際操作中分析和解決問題的能力，可以有效提高學生的動手能力[10]。本部分問卷題目設置的目的是探索學習者在自主學習、實驗過程中解決問題的途徑選擇。

由圖

4、圖5可以看出，當學習者在自主學習過程中遇到問題時，最常用的辦法是查看實驗平臺中的實驗幫助。此結(jié)果說明，在未來的虛擬實驗平臺或者其他在線學習的平臺建設過程中，需要提供盡可能詳細、準確的平臺幫助或說明。詢問他人，說明自主學習的過程常常與學習者的社會網(wǎng)絡相關。

本??卷的7至9題分別從實驗的原理（問題7）、器材的種類（問題8）、器材的作用（問題9）檢驗了虛擬實驗平臺的教學效果，其中問題7、8的正答率為100%，問題9正答率為97.5%，只有一位同學答錯，說明沒有模擬電路基礎的學習者經(jīng)過虛擬實驗平臺的操作和學習，可以對模擬電路的基礎知識達到很好的掌握程度，驗證了虛擬實驗教學平臺的實際教學效果。

圖6顯示了被調(diào)查者在試驗后對于虛擬實驗平臺的主觀評價，如圖6可知90%的學習者認為虛擬實驗平臺對于掌握低通濾波器的知識和技能有幫助，驗證了筆者在上文中提出的假設，實驗證明，虛擬仿真實驗確實可以作為學生自主學習的工具。

三、研究結(jié)論

虛擬仿真實驗能夠提高學習者的興趣，可以作為自主學習的工具。在完成虛擬仿真實驗的過程中，學習者被深深吸引，能夠保持極高的注意力，學習效率極高。學習者在自主學習虛擬實驗的過程中能夠主動的發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，提高了學習者的動手實踐能力。沒有模擬電路基礎的學習者通過虛擬實驗可以獲得相關的電路知識，學習效果良好。虛擬實驗室降低了實驗教學的成本，解決了傳統(tǒng)實驗室受時間、地點限制的問題，虛擬實驗簡單方便，虛擬儀器具有靈敏性與高效性。開展虛擬仿真實驗教學可以延伸實驗教學時間和空間，提升實驗教學質(zhì)量和水平。在今后的教學實踐中，我們要發(fā)揮虛擬實驗的優(yōu)勢，使之能夠與傳統(tǒng)的實驗教學密切融合。課堂教學、虛擬實驗和實驗室教學深度融合是現(xiàn)代實驗教學的發(fā)展模式，能夠培養(yǎng)學生的自主學習能力、動手實踐能力以及發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

參考文獻：

[1]教高廳函[2015]24號.教育部辦公廳關于開展2015年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知[Z].[2]周勇，徐英卓.基于 VRML-JAVA 的網(wǎng)上協(xié)同虛擬實驗系統(tǒng)研究[J].電化教育研究，2006（5）：52-55.[3]馬秀麟，趙國慶，鄔彤.翻轉(zhuǎn)課堂促進大學生自主學習能力發(fā)展的實證研究――基于大學計算?C公共課的實踐[J].中國電化教育，2016（7）：99-106.[4]李旭鋒.“先實驗后理論”化學教學方法探析[J].衛(wèi)生職業(yè)教育，2008（15）：88.[5]藺智挺.基于虛擬仿真實驗的模擬集成電路實驗教學[J].實驗技術與管理，2016（1）：122-126.[6]潘雪濤，鄔華芝，蔡建文，張美鳳，孟飛.創(chuàng)新虛擬實驗教學模式培養(yǎng)自主學習能力[J].實驗室研究與探索，2014（11）：72-76.[7]趙琪，孫紅，孫艷梅，車鵬程.基礎醫(yī)學虛擬仿真實驗教學平臺構(gòu)建研究[J].實驗技術與管理，2016（11）：135-138.[8]李凌云，王佳，王海軍.我國虛擬實驗研究現(xiàn)狀的實證分析[J].現(xiàn)代教育技術，2009（12）：111-114.[9]王濟軍，魏雪峰.虛擬實驗的“熱”現(xiàn)狀與“冷”思考[J].中國電化教育，2011（4）：126-129.[10]余雷，劉志成，王娜.基于LabVIEW的智能照明網(wǎng)絡虛擬實驗系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代建筑電氣，2012（8）：71-74.（編輯：魯利瑞）

第五篇：電工電子課程群教學平臺的建設（推薦）

電工電子課程群教學平臺的建設

摘要：電工電子課程群是工科學生的重要技術基礎。為此，我校開展了基于創(chuàng)新能力教育的大學生電工電子課程群教學平臺的建設。在教學理念、教學體系、教學模式、教學內(nèi)容、教師隊伍、教學方法與手段、教學管理和平臺建設等方面進行了全面而系統(tǒng)的改革與實踐。

關鍵詞：電工電子課程群；教學平臺；實踐和創(chuàng)新能力

一、改革教學體系，重構(gòu)實驗教學培養(yǎng)模式

根據(jù)人才培養(yǎng)目標定位和我校學生特點，研究我校電類和非電類“電工電子”基礎課程的教學目標和任務、改革教學內(nèi)容和課程體系，包培理論教學體系和實踐教學體系，兩體系互為依托，相輔相成。

1.理論教學體系

電氣與信息類專業(yè)的電工電子課程群理論教學體系以高水平、有創(chuàng)新為目標。其理論課程體系以“電路”、“電子技術基礎”、“電機學”為基礎，擴展了“特種電機”、“控制電機”、“EDA技術與實踐”、“VHDL與數(shù)字系統(tǒng)仿真”、“數(shù)字邏輯設計與應用”等相關課程。

工科非電類專業(yè)的電工電子理論課程體系整合了“電路”、“電子技術基礎”、“電機學”等課程，形成了極具特色的“電工學”。知識結(jié)構(gòu)得到了較大的改善和擴展，特別強調(diào)課程與工程實際的結(jié)合，適應國家工業(yè)與信息化的需要，為培養(yǎng)非電類專業(yè)的寬口徑、復合型人才打下了良好的基礎。

2.實踐教學體系

從高等教育實踐教學體系的內(nèi)涵出發(fā)，運用系統(tǒng)科學理論和方法，對組成“電工電子課程群”實踐教學的各要素進行整體設計，建立了結(jié)構(gòu)和功能最優(yōu)化的實踐教學體系，如圖1所示。該體系在縱向?qū)哟紊戏只局R層、基礎層、提高設計層、綜合應用開發(fā)層和科技研究創(chuàng)新層；橫向模塊由不同難度的實驗項目群組成，其中包含必修、選修、實驗公選課和科技活動等，不同層次專業(yè)根據(jù)教學大綱形成專業(yè)實驗課程體系。

在不同層次中，分課內(nèi)實驗和課外實踐模塊。課內(nèi)實驗有非電類、基礎型、基本型、加強型、擴展研究型等模塊，每個模塊由適應不同專業(yè)的實驗項目群組成。課外實踐有學生自立實驗、實驗設計競賽、電子設計競賽、科研訓練等項目模塊，每個模塊由不同難度的實踐項目群組成。不同專業(yè)年級，根據(jù)計劃，學生自主選擇實踐項目。近三年來，開出實驗項目135個，實驗開出率達到100％，其中：基礎實驗占25％：虛擬實驗占10％；綜合設計實驗占55％；創(chuàng)新開發(fā)實驗占10％。

二、更新教學模式，改革教學方式

樹立“知識+能力+素質(zhì)”三位一體的人才培養(yǎng)質(zhì)量觀，突出創(chuàng)新教育、個性化教育和通才與專才相結(jié)合的人才培養(yǎng)理念。始終堅持“夯實基礎、注重實踐、面向需求、不斷創(chuàng)新”的教學理念，“理論性教學+實踐性教學+學術報告”的教學模式，將理論、實踐和學術活動有機地結(jié)合。

1.理論教學模式

改革傳統(tǒng)的“以課程教學為中心”的理論教學方式，提出并實行了“教學與科研互動”和“教與學互動”、“學生與學生互動”的教學模式，以及注重培養(yǎng)學生個性和創(chuàng)新能力的創(chuàng)新教育教學方式。

具體措施為：科研項目進課堂、電子產(chǎn)品上講臺、優(yōu)秀學生當“老師”，學生分組打擂臺。科研項目進課堂就是在教學過程中，教師根據(jù)所教課程的內(nèi)容，結(jié)合自己的科研項目，教導學生懂得該課程知識點在科研項目中的應用，使其做到學有所用。電子產(chǎn)品上講臺就是將科研中制作的電子系統(tǒng)和生活生產(chǎn)中所接觸到電子產(chǎn)品搬上講臺，結(jié)合課程知識點進行講解。優(yōu)秀學生當“老師”，鼓勵引導優(yōu)秀學生參與教學，學生自己講，自己學，提高學生學習的積極性。學生分組打擂臺，引導學生分組討論，積極發(fā)表自己的討論意見，在討論中增強對知識點的理解，培養(yǎng)學生邏輯思維和辯證思維的形成。

2.實踐教學模式

積極開展實驗教學方法改革，努力提高實驗教學效果，形成了“立體化、交互式”的實踐教學模式。采用虛擬、仿真、硬件實驗、設計、創(chuàng)新相結(jié)合，獨立設課、課程實驗、綜合實驗、設計制作、學科競賽活動相結(jié)合，內(nèi)容向工程延伸。形成了以自主式、合作式、研究式為主的實驗教學方法，實現(xiàn)了立體化、交互式的實驗教學模式。將綜合設計性實驗按課程設計的要求進行，確保學生得到系統(tǒng)的科研訓練，如“電子線路綜合實驗”課程設計了10個題目供選擇，每個學生任選一題，在規(guī)定時間完成。新的實驗模式，有利于改善學生的知識結(jié)構(gòu)，增強學生的創(chuàng)新意識和工程實踐能力。

電工電子課程設計，采用擬定若干課題內(nèi)容，讓同學自由結(jié)合，自由選題，分組討論的方法，既激發(fā)了學生們自主分析、自我學習的熱情，又極大的培養(yǎng)了他們團隊合作的精神，達到了事倍功半的效果。形成了教學――自學――反饋這種有效的循環(huán)學習鏈條，取得了很好的教學效果。

3.改革教學考核方式與手段

建立了多樣化的考核制度及試題庫，為全面、客觀考查學生對知識的掌握程度提供了全方位、多渠道的考核模式，深受學生歡迎。采用自主操作、分析、報告和小論文等考核方法。將考試與作品、總結(jié)報告、小論文相結(jié)合，平時成績、筆試和實際操作相結(jié)合。如“電路測試技術”和“電子技術實踐”等實驗課程的考試成績采取4:2:4的模式，即平時成績40％，筆試成績20％，動手操作成績(包括安裝、調(diào)試、驗收)為40％。

三、多種教學手段并重，拓寬教學溝通渠道

1.教學形式多樣化

根據(jù)教學內(nèi)容的不同采用多種教學手段，形成完美的課堂效應。既不能放棄傳統(tǒng)的教學手段，也不盲目地應用新的教學手段。針對不同的教學對象、不同的教學內(nèi)容，有分析、有比較地選擇適宜的教學手段和方法，從而達到理想的教學效果。如采用電機模型、學生制作的電路板等教具。將學生制作電路板的整個過程錄像引入課堂。

根據(jù)不同教學對象，使用恰當?shù)慕虒W手段，做到因“材”和因“才”施教。關注學生個性化特征，重視學生個性化需求，采用靈活的多元教學手段。針對電類專業(yè)學生采用課件播放與板書相結(jié)合，到難點處采用粉筆書寫推導，使學生深入理解定理的來龍去脈。而對于非電類偏重應用的專業(yè)學生重點講解物理概念和應用部分或者根本不講定理的推導過程。

2.采用多種現(xiàn)代化網(wǎng)絡教學平臺，拓展師生交流空間

積極利用網(wǎng)絡式開放教育平臺，綜合采用電工電子課程公共電子信箱、電工電子課程BBS論壇、電工電子課程教學資源ftp等教學形式。這些方式不僅為學生的相互交流提供了廣闊的空間，也大大激發(fā)了同學課下學習的積極性和創(chuàng)造性，拓展師生交流渠道，加強了師生之間的學習互動。

3.“厚基礎、個性化、全開放”的實踐教學平臺

以培養(yǎng)創(chuàng)新人才為目標，建立了“厚基礎、個性化、全開放”的實踐平臺教學。實驗儀器設備是完成實驗的基本硬件條件，沒有先進的足夠的實驗儀器，教學新體系的落實，高素質(zhì)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是不可能

的。為此，五年來學校以培養(yǎng)創(chuàng)新人才為目標，按照“品質(zhì)精良、組合優(yōu)化、數(shù)量充足，在實驗教學體系、結(jié)構(gòu)、功能、效益等方面協(xié)調(diào)發(fā)展”的原則，投入950萬元進行環(huán)境建設。購買與自主研發(fā)相結(jié)合，建成了16個開放實驗室，其中6個“個性化”實驗室，如自主設計與創(chuàng)新研究實驗室、制版貼片實驗室、智能汽車實驗室等，提供了創(chuàng)新研究條件；建成能夠完成“驗證、設計、研究、創(chuàng)新等實驗以及學生競賽、科研活動等一條龍”的硬件平臺；建立網(wǎng)絡信息平臺，實現(xiàn)網(wǎng)上互動、答疑、預約等，實現(xiàn)管理信息化，提供了豐富的網(wǎng)絡資源。

四、應用成效

自2005年開始電工電子課程群創(chuàng)新能力教育平臺的建設以來，我校28個專業(yè)學生受到了創(chuàng)新教育。所培養(yǎng)的學生在基本理論，基本知識，基本方法、設計分析、研究開發(fā)和綜合運用等方面的能力得到了明顯提高。學習自信心和創(chuàng)新意識增強。

1.科技競賽

學生參加科技活動積極性明顯提高，如2006年校級電子設計大賽就有154個隊參賽。學生在2006年河南省“挑戰(zhàn)杯”中獲一等獎1項、三等獎4項；在2007年全國大學生電子設計競賽獲全國二等獎1項，河南賽區(qū)一等獎8項，二等獎1項；在2008年第三屆“飛思卡爾”杯全國大學生智能車大賽獲國家二等獎1項，賽區(qū)一等獎1項，二等獎1項，三等獎1項；在2008年第六屆“挑戰(zhàn)杯”中國大學生創(chuàng)業(yè)計劃競賽獲全國銅獎2項，河南賽區(qū)特等獎2項，金獎2項，銀獎4項，銅獎3項。

2.實踐平臺建設和專業(yè)發(fā)展

以電工電子課程群創(chuàng)新能力教育平臺為主體的電工電子實驗中心于2006年獲國家級實驗教學示范中心；以本成果作為主要支撐條件，我校電氣工程及其自動化專業(yè)2008年獲得國家級特色專業(yè)。

3.師資隊伍和教材建設

催生和凝聚了一支以教育部高等學校教學指導委員會委員為帶頭人、以同一領域不同研究方向的教授、博士生導師為核心，以博士、碩士為主體，知識、年齡、學緣結(jié)構(gòu)合理的教學團隊。該團隊現(xiàn)有教師26名，其中教授8名，副教授6名，講師12名。近三年來，共完成國家級、省部級教學和科研項目30余項。其中10項已在高校和企業(yè)推廣應用；成員獲全國模范教師、河南省師德先進個人等榮譽20余人次；獲省級教學科研成果一、二等獎6項；發(fā)表教研論文21篇；出版《模擬電子技術基礎》、《數(shù)字電子技術基礎》、《電工學(上、下冊)》等18本“十一五”規(guī)劃教材和高質(zhì)量教材。其中《電路測試技術》、《電子技術實踐》等4部“十一五”規(guī)劃系列實驗教材，精選實驗教學內(nèi)容，為學生基礎實驗、課程設計、各種科技活動提供指導和參考。

[責任編輯：文和平]