成人教育電子信息類專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)
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摘要：結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用情況，從有效緩解實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源不足、培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新意識3個(gè)維度，探討了基于虛擬實(shí)驗(yàn)的電子信息類專業(yè)成人教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革的必要性；初步提出了一種基于MatlabWebServer的成人教育電子信息類課程遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)現(xiàn)方案，并探討了基于問題導(dǎo)向的教學(xué)方式與基于虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式相結(jié)合的成人教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)新方式。
關(guān)鍵詞：民族地區(qū)地方高校；成人高等教育；電子信息類專業(yè)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革；遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)
1問題提出
實(shí)踐教學(xué)作為人才培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對于學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)起到了至關(guān)重要的作用。特別是在以通信工程、電子信息工程專業(yè)為代表的電子信息類專業(yè)中，相當(dāng)多的專業(yè)基礎(chǔ)課及核心課程實(shí)踐性都非常強(qiáng)。顯然，加強(qiáng)電子信息類專業(yè)成人教育學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)對保障人才培養(yǎng)的質(zhì)量有著重要作用。由于高等教育擴(kuò)招，高校實(shí)驗(yàn)室資源普遍緊張。在這種背景下，原本已經(jīng)偏少的成人教育實(shí)踐環(huán)節(jié)很容易受到擠占。以吉首大學(xué)信號與系統(tǒng)、數(shù)字電路、模擬電路實(shí)驗(yàn)室為例，每年要承擔(dān)全日制電子信息工程、通信工程、電氣工程及自動化、電子科學(xué)與技術(shù)、機(jī)械電子工程等專業(yè)大量實(shí)驗(yàn)任務(wù)，很難再安排成人教育學(xué)生的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。有些成人教育專業(yè)為此減少甚至取消相應(yīng)課程實(shí)驗(yàn)，而沒有取消實(shí)驗(yàn)的課程實(shí)驗(yàn)時(shí)間也難以保證。如何加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)條件建設(shè)以保證電子信息類專業(yè)成人教育學(xué)生的實(shí)踐動手能力培養(yǎng)，成為擺在高等教育者面前一項(xiàng)亟需解決的重要課題。遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建，近幾年以其低成本、部署方便靈活的優(yōu)點(diǎn)引起了廣大教學(xué)與科研工作者的興趣。這種新實(shí)驗(yàn)手段主要借助網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及仿真軟件，使用戶可以在智能手機(jī)、iPad、移動電腦等終端隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程模擬完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，加深對所學(xué)課程理論知識的理解。如果將遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)引入到成人教育電子信息類專業(yè)學(xué)生課程教學(xué)過程，將能在一定程度上緩解由于實(shí)驗(yàn)資源缺乏造成的課程實(shí)踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)缺失的問題。因而，探索在“互聯(lián)網(wǎng)＋”環(huán)境下，基于虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，綜合利用現(xiàn)有通信技術(shù)、移動互聯(lián)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)電子信息類專業(yè)成人教育改革具有特別重要的實(shí)際價(jià)值。
2虛擬實(shí)驗(yàn)室發(fā)展概況
1989年，美國WilliamWolf教授提出了虛擬實(shí)驗(yàn)室概念。遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬儀器等技術(shù)創(chuàng)建出一個(gè)可視化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊以及拖曳等交互性操作，位于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器任何一個(gè)終端的學(xué)生都可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。利用虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可通過網(wǎng)絡(luò)親自動手操作實(shí)驗(yàn)儀器，觀察實(shí)驗(yàn)過程并在此基礎(chǔ)上分析相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果［1－2］。美國、英國等國家一直十分重視虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究與開發(fā)，并設(shè)有專門基金［3］。虛擬實(shí)驗(yàn)室在國外高校主要應(yīng)用于工程技術(shù)、控制工程、物理學(xué)以及一些其它通用性課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)［4－6］。學(xué)習(xí)者可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程登陸進(jìn)行在線實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能強(qiáng)大，教學(xué)效果反饋很好［7］。我國教育部于2013年啟動國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作。目前，全國已建設(shè)有300個(gè)國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，涵蓋工學(xué)、理學(xué)、農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)、管理學(xué)等11個(gè)主要學(xué)科領(lǐng)域，涌現(xiàn)出一批理念先進(jìn)、特點(diǎn)突出的建設(shè)成果［7－13］。從實(shí)施效果看，虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)模式具有節(jié)省實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源、降低實(shí)驗(yàn)成本、提高實(shí)驗(yàn)效率、方便互動學(xué)習(xí)、提高實(shí)驗(yàn)自主性與靈活性等顯著優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)踐創(chuàng)新性人才培養(yǎng)方面發(fā)揮了重要作用［2］。目前針對成人教育遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的研究相當(dāng)缺乏。覃煥昌等［14］探討了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)及其趨勢，指出利用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)尤其是開展成人教育已成為一種趨勢，將成為未來實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要途徑與方式；單鳴秋等［15］探討了遠(yuǎn)程信息化教學(xué)在《中藥分析學(xué)》成人教育中的應(yīng)用，指出該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革與創(chuàng)新，突破了教學(xué)時(shí)間與空間限制，解決了成人教育中多種矛盾，提高了學(xué)習(xí)效率與教學(xué)效果。
3實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革必要性
3．1緩解實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源不足，培養(yǎng)應(yīng)用型人才
吉首大學(xué)地處經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，學(xué)校經(jīng)費(fèi)有限，不可能如企業(yè)一樣隨時(shí)緊跟時(shí)展建設(shè)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)室。正如上文所言，成人電子信息類專業(yè)學(xué)生實(shí)踐環(huán)境面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。如何讓學(xué)生加深理論知識的理解、掌握必需的實(shí)踐技能、及時(shí)了解與掌握最新技術(shù)，是成人電子信息類專業(yè)教育需要解決的重要課題。相比于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的引入不僅可以滿足上述需求，在靈活擴(kuò)充實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、開闊學(xué)生視野、節(jié)約實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)等方面更是具有顯著優(yōu)勢。
3．2改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力
基于實(shí)驗(yàn)箱的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的主要弊端，很容易造成“說明書＋操作”的教學(xué)形式。在這種情況下，學(xué)生只要參考實(shí)驗(yàn)操作流程，按部就班就能完成實(shí)驗(yàn)。但這種過程是封閉的，不能很好培養(yǎng)與鍛煉學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力。如果引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，不僅可以靈活加入多種設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，還可以開放實(shí)驗(yàn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，讓學(xué)生清楚了解整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，加深對理論知識的理解；同時(shí)學(xué)生通過自主設(shè)計(jì)可以獲得不同形式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，引發(fā)對實(shí)驗(yàn)的深層次思考，激發(fā)強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)興趣。因此，學(xué)生通過完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)自己的獨(dú)立思考能力，激發(fā)自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力，而這正是成人教育學(xué)生學(xué)習(xí)的主要目的。
3．3設(shè)計(jì)虛擬仿真項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新意識
實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教學(xué)活動重要環(huán)節(jié)之一，與之相對應(yīng)的是課堂理論教學(xué)。理論教學(xué)的內(nèi)容可以通過實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行科學(xué)驗(yàn)證或展開演繹，這樣不僅能加深學(xué)生對理論知識的理解與掌握，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)過程還可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識與科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)。但電子信息技術(shù)的發(fā)展日新月異，設(shè)備更新?lián)Q代頻繁。囿于硬件環(huán)境，很多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不具備在真實(shí)環(huán)境中完成的條件。虛擬仿真技術(shù)則完全突破了上述限制，只要通過軟件編程實(shí)現(xiàn)相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目即可，以軟件方式代替硬件設(shè)備，經(jīng)濟(jì)有效。
4遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺與實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革
4．1虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)架構(gòu)
遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺采用瀏覽器／服務(wù)器模式，客戶端用戶借助電腦或者手持式設(shè)備就可以在任何地方進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)操作，無需額外安裝其它專用軟件。Matlab憑借強(qiáng)大的處理功能與數(shù)據(jù)可視化能力，已成為電子信息類專業(yè)教學(xué)與科研領(lǐng)域最常用的應(yīng)用仿真軟件。該軟件提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組件MatlabWebServer（MWS）為建立數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程分析與處理提供了現(xiàn)實(shí)解決方案［16］。因此，成人教育電子信息類課程遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室在設(shè)計(jì)過程中可以采用Matlab作為開發(fā)與實(shí)現(xiàn)的平臺。該平臺在瀏覽器／服務(wù)器模式技術(shù)構(gòu)架下，依托Matlab服務(wù)組件與IISWeb服務(wù)器的協(xié)作，完成隨機(jī)信號分析與處理的遠(yuǎn)程仿真實(shí)驗(yàn)。主要環(huán)節(jié)包括：①遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的MWS核心組件matweb．exe負(fù)責(zé)從HTML頁面提取數(shù)據(jù)并將它們傳送給MWS的另一個(gè)核心組件matlabserver．exe進(jìn)行處理；②matlabserver．exe通過Matlab啟動與調(diào)用實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與處理功能的M文件以完成仿真任務(wù)；③處理完畢之后，計(jì)算結(jié)果將被存入特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，最終以HTML網(wǎng)頁方式通過IISWeb服務(wù)器傳送到客戶端瀏覽器以顯示信號分析與處理結(jié)果；④配置文件matlabserver．conf可以用來設(shè)置合法的并發(fā)進(jìn)程數(shù)目等參數(shù)，而matweb．conf則用以存放matweb連接matlabserver的配置參數(shù)信息。為完成一些信號測量與控制、信號傳輸與處理等電子信息類專業(yè)課程中比較復(fù)雜的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以采用基于Matlab與Labview、Systemview等專業(yè)軟件進(jìn)行混合編程的方式加以處理與實(shí)現(xiàn)。通過COM組件技術(shù)，這些軟件提供了專門接口與Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，使得用戶可以較為方便地進(jìn)行一些復(fù)雜的電子信息類專業(yè)課程遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與開發(fā)。
4．2虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)
下面以電子信息類專業(yè)核心課程為切入點(diǎn)，簡單說明成人教育電子信息類專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)現(xiàn)方法。虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目頂層設(shè)計(jì)應(yīng)將課堂理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“突出基礎(chǔ)、重視綜合、體現(xiàn)開放與創(chuàng)新”原則，形成一種以“基礎(chǔ)→綜合→設(shè)計(jì)與創(chuàng)新”為主線的成人教育電子信息類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。（以電子信息類專業(yè)中經(jīng)典的專業(yè)基礎(chǔ)核心課《信號與系統(tǒng)》為例）。遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)層面，主要包括Web服務(wù)器組建與配置、基于MWS的MatlabM文件建立、輸入與輸出、HTML網(wǎng)頁設(shè)計(jì)等3部分。遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程可參考文獻(xiàn)［16］。本文對基于MWS的遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與編程實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。
4．3問題為導(dǎo)向與虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式融合
電子信息類各專業(yè)具有很強(qiáng)的實(shí)踐特征，傳統(tǒng)教學(xué)授課形式枯燥、知識更新慢、師生缺少互動。以問題為驅(qū)動的PBL（ProblemBasedLearning）教學(xué)法則以學(xué)生的主動學(xué)習(xí)為中心，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，相對于傳統(tǒng)教學(xué)方式更能有效激發(fā)成人教育電子信息類專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)能動性。但PBL教學(xué)在提高學(xué)生實(shí)踐能力方面作用有限，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)則恰好可以彌補(bǔ)PBL這方面的不足。以信號的頻譜分析為例，首先通過合理設(shè)計(jì)相關(guān)問題，將傅里葉變換理論基礎(chǔ)知識、FFT變換等相關(guān)知識點(diǎn)融入到問題當(dāng)中，并針對每個(gè)問題予以適當(dāng)提示，在此基礎(chǔ)上讓學(xué)生廣泛查找文獻(xiàn)、收集材料；學(xué)生可以使用電腦或者移動終端等，非常方便地通過基于MWS的遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺自主對上述問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析。一方面，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的分析與驗(yàn)證過程中，可以進(jìn)一步加深對相關(guān)問題的理解；另一方面，教師也可以通過服務(wù)器收集學(xué)生相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄，及時(shí)了解與掌握學(xué)生學(xué)習(xí)問題，采取相應(yīng)措施改進(jìn)教學(xué)方式與方法，提高教學(xué)效果。
5結(jié)語
如何加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)條件建設(shè)以保證電子信息類專業(yè)成人教育學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量成為擺在民族地區(qū)地方高校成人教育管理者面前一項(xiàng)亟需解決的重要課題。本文結(jié)合目前虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用情況，從有效緩解實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源不足、培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新意識3個(gè)維度，探討了基于虛擬實(shí)驗(yàn)的電子信息類專業(yè)成人教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革的必要性。在此基礎(chǔ)上，初步提出了一種基于MatlabWebServer的成人教育電子信息類課程遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)現(xiàn)方案，并探討了基于問題導(dǎo)向的教學(xué)方式與基于虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式相結(jié)合的成人教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)新方式。目前在全日制電子信息類專業(yè)實(shí)踐能力的培養(yǎng)過程中，遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革已有一定的研究與探討，而在成人教育領(lǐng)域的探討則相當(dāng)缺乏。本文研究結(jié)果對于開展“互聯(lián)網(wǎng)＋”環(huán)境下成人教育電子信息類專業(yè)遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革具有一定參考價(jià)值。
作者：雷可君 田筱鴻 楊喜 單位：吉首大學(xué)
