虚拟仿真与实践递进教学在创新人才培养中的应用研究

万 文

（南昌航空大学航空制造工程学院，江西 南昌 330063）

0 引言

虚拟仿真教学是在新时代高等教育发展背景下，主动适应新技术变化，提升学生应用实践能力，培养创新人才的重要举措[1]。传统教学模式已经不能满足信息化时代教育的发展需求，并且缺乏对学生理论与实践的综合训练，导致学生自主学习和动手能力差，抑制了学生的创造能力[2]。利用虚拟仿真技术，让学生更好地理解掌握课堂知识，可以有效地改善实验条件，在一定程度上节省教育投资，可重复操作，直至得出满意结果，同时可根据发展需要跟上教学内容的不断更新，虚拟仿真教学提供了一个自主、交互和直观的学习环境，打破了空间和时间的限制，学生可以充分利用课余时间，快速通过仿真学习到相关知识点，同时可以高效的进行反复论证，方便学生在任何场合进行协作学习，对提高学生学习积极性和学习效果具有不可忽视的作用。

本文通过采用虚拟仿真优化、丰富教学内容，结合实际应用设计教学案例，在实验、创新训练和毕业设计等实践环节，培养学生综合创新设计和实践探究能力，让学生在教学的各个方面得到全方位的训练。

1 教学存在的问题及解决问题的方法

1.1 教学存在的问题

目前，教学存在教学方法与手段单一、教学资源有限和教学时间不足问题。课堂上由于缺乏虚拟仿真演示的感性认识，学生不能很好地理解掌握课堂知识，由于学习时间和空间有限、实验室仪器设备短缺，实验内容固定且学生只能被动验证的局面，很难激发积极性和创造性，课后学生存在自主学习及自学能力较差的情况，由于没有合适的具有开放性和真实感的教学软件，缺乏一个自主、交互和直观的学习环境，导致学生学习效果欠佳，同时人才培养中又存在重理论轻实践、学生综合能力培养和训练不足[3]，缺乏教学实践，学生动手能力和科研能力有待加强等问题。

1.2 解决问题的方法

解决问题的方法通过“教师课堂引入指导学生理论学习虚拟仿真技术”“学生自学虚拟仿真技术”和“学生实践操作”三个环节，实现教、学、做一体化。将教学理论同专业教师的科研、实践经验相结合，采用理论教学与实践相结合，课堂教学与自学相结合并利用网络教学平台，“理论、虚拟仿真、实践”三层次递进教学模式中，学生首先通过老师课堂教学引入虚拟仿真演示进行理论学习，增强学生感性认识，丰富教学内容，提高课堂教学效果，让学生更好地理解课堂知识，接着进行虚拟仿真教学项目的练习，让学生通过老师发布的学习资料及网上教学平台自主学习，进行虚拟仿真练习，对理论知识进行重构，自行解决理论学习中的关键、重难点知识，最后通过课程设计、创新训练和毕业设计进行更系统的设计实践，加强对学生动手实践能力的培养，虚拟仿真训练贯穿教学的各个环节，通过课堂教学、实验、大作业、课程设计、三小课题、毕业设计、竞赛一系列循序渐进的训练，从中寻找教学规律，提高学生的创新能力。解决问题的研究方案如图1 所示。

图1 解决问题的研究方案

2 教学改革内容

2.1 虚拟仿真技术引入课堂环节

在课堂教学中引入虚拟仿真技术，精心组织教学内容，改善教学手段。结合实际应用设计教学案例，对课堂教学内容进行教学设计，适当调整，优化、更新教学内容，在微机原理及应用课程中引入proteus 仿真软件，针对每章典型例题进行仿真演示，以仿真技术来替代图片，互换性与技术测量课程中引入虚拟仪器技术LabVIEW，借助虚拟仿真平台，通过案例化虚拟仿真演示，演示内容有加工精度评定、形状误差评定和表面粗糙度评定等，使学生在学习过程中有更感性的认识，将课本知识及时运用于实际仿真，并利用网上教学平台上传学习资料，在布置作业时适当安排设计类大作业，锻炼学生查找资料、独立完成任务的能力。让学生更好地理解掌握课堂知识，通过抽象内容的形象化展现，引导学生主动思考，得到可视化的教学效果。课堂教学案例的虚拟仿真，见图2 和图3。

图2 课堂教学案例的虚拟仿真

图3 课堂教学案例的虚拟仿真

2.2 实验及课程设计中引入仿真技术

确立实际操作与计算机模拟仿真结合的实验教学方式，利用虚拟仿真技术有效地改善实验条件，达到理想的实验效果。在微机原理及应用课程实验中引入仿真，更新实验教学内容，减少了验证性、演示性实验，由于仿真不受时间地点的限制，学生实验前可以在自己的电脑上初步设计好实验，建立虚拟实验室，课后继续完善实验结果，可以提供开放式实验环境，实现实验室向学生开放，学生能更好地个性化地完成实验，通过学生自主实验教学方式，在实施过程中使学生从“要我做”变为“我要做”，促进了学生做实验的积极性和主动性。在微机原理及应用课程大作业及课程设计中引入仿真，布置项目要求，1 人1 题，画电路图，用C 语言或汇编语言软件编程，要求学生仿真并运行成功后，打印纸质稿，最后制作PPT 进行答辩，学生通过在网上、图书馆查找课外资料，综合能力得到较大提高。

2.3 实践教学与工程应用紧密结合

在课程设计、毕业设计、三小项目等创新实践环节中引入了虚拟仿真技术，由于有实验和大作业的训练，学生在三小课题的申报时考虑单片机控制的课题较多，而课程设计又为毕业设计进行铺垫，环环相扣，选题结合专业特点，将教师的科学研究内容融入实践教学之中，激发学生参与的热情，增加机电一体化方面的创新设计内容。学生先查找资料进行设计，proteus 仿真成功后再制作实物，锻炼学生从设计到制作成品的工作能力，实现理论与实践的有机结合，培养了学生的机电一体化综合设计能力，解决了人才培养中重理论轻实践、学生综合能力培养和训练上不足的问题，加强对学生动手实践能力的培养，实现“教、学、做”一体化。通过实施，三小课题立项结题52 项，获校优秀毕业论文11 项，实物制作42 件。

2.4 教学与科研、竞赛相融合

针对实践环节完成较好的项目，指导学生申报专利、撰写论文和参加各类竞赛，在学生进行申报专利、撰写论文和参赛过程中，学生自己查找资料、申报撰写，提高学生的科研兴趣，拓宽学生的知识面，指导学生比赛获国家级、省级、校级奖，授权专利7 项，通过比赛，充分发掘了自身的潜能以及团队协作能力，给学生提供了更高的平台，在学业上得到更长远的发展，对今后学生的就业及工程设计能力产生积极的影响。

3 实施效果

通过在课堂教学、实验教学、课程设计、毕业设计和创新训练等教学环节进行虚拟仿真与实践递进教学模式的推广应用，有效地提高了教学质量，将虚拟仿真技术和动手实践应用于教学中，不仅可以把许多抽象和难以理解的内容变得生动有趣，还节约了教学成本，提高了课堂教学效率，加强对学生实践能力的培养，虚实结合，实现了理论教学与实践环节的高效结合，注重实践训练，学生学习由接受式学习变为探究式学习，能为学生的多样化学习创造环境，锻炼学生从设计到制作成品的工作能力，提高学生的文献查阅，培养了学生的科研兴趣，学生不仅能巩固课程的理论知识而且能培养学生独立思考和处理问题的能力，学生经过机电一体化的实物制作，解决了生产、生活中的实际问题，提高了动手制作能力，学生得到多方面应用性强的综合训练，学生在创新意识、工程设计能力和应用能力等方面多元化发展。图4 所示为上下位机联调虚拟仿真及实物，图5 所示为校优秀毕业设计的部分实物。

图4 薄片零件分类上下位机联调虚拟仿真及实物

图5 校优秀毕业设计的部分实物

4 结语

通过虚拟仿真和实践递进教学模式的实施，将理论教学与实践项目相结合，探索教学活动与工程应用紧密结合的原则，培养学生的设计能力和实践创新能力，加强对学生动手实践能力的培养，将应用能力贯穿人才培养全过程，对于培养学生的自主能力、创新能力、分析和解决问题的能力将起到潜移默化的作用，对今后学生的就业及工程设计能力产生积极的影响，虚拟仿真和实践递进教学不仅是一种新的教学方法和教学手段，也将成为教学改革的一个重要方向。