地方性本科高校虚拟仿真实验教学模式研究
[摘要]实验教学在高校人才培养过程中具有重要的作用，针对地方性本科高校现状，将虚拟仿真技术应用于实验教学，能够突破时间、空间、仪器设备的限制，建立开放、自主、高效的实验环境，全面提升实验教学质量。
[关键词]虚拟仿真；实验；地方性本科高校
[中图分类号]G642
[文献标识码]A
[文章编号]2095-3712（2015）16-0062-02[ZW（N]
[基金项目]本文系怀化学院教学改革研究项目“基于硬件与仿真协同的光电信息实践课程群建设研究”的研究成果。
[作者简介]王旭（1984—），男，辽宁铁岭人，研究生，怀化学院物理与信息工程系实验师，研究方向：光电子技术教学与研究。
实验教学是高校人才培养过程的重要环节，是地方性本科高校应用型人才培养的关键支撑。[1]伴随着实验课程比例的日益提升，实验教学面临的问题也逐渐凸显。
一、地方性本科高校实验教学面临的问题
地方性本科高校面临基础差、底子薄的共同现状，实验教学环节面临着诸多问题：实验仪器设备采用固化模式，扩展难，跟不上实验教学内容的更新，学生只能在硬件范围内完成指定内容，不利于激发学生的学习兴趣和创新思维；硬件条件虽逐年改善，但距离满足实际需求仍然具有一定差距，实验仪器设备为满足基本的实验教学，高负荷、超负荷使用；实验室难以实现真正意义的开放式管理。开放式管理模式涉及时间场地安排、仪器设备维护、工作量计算等多重问题，虽倡导多年，但根本性的推进阻力重重。上述问题在地方性本科高校中具有普遍性，且难以在短时间内完成根本性转变，若想切实保障实验教学效果，必须对教学模式进行积极的探索和改革。
二、虚拟仿真实验技术特点
虚拟仿真实验教学以现代教育技术手段为支撑，以学生为中心，以问题和项目为切入点，以协作交流为辅助，相较于传统实验教学模式具有以下特点：
自主性。利用虚拟实验平台和仿真软件强大的帮助功能，学生能够对仪器仪表、实验内容全面了解和练习，掌握仪器仪表使用方法，为独立完成实验提供基础和保障。利用虚拟仪器设备、仿真软件可以对实验项目按照不同框架调整和修改，自行设计实验方案和测试方法，学生具有自主学习的空间和条件。
开放性。虚拟仿真实验依托于网络技术，以计算机为核心硬件，教学过程不受时间、空间限制，可灵活对实验内容扩展和更新。利用仿真软件可分析硬件仪器设备无法观察的内容。不同对象通过访问虚拟实验平台或安装仿真软件，完成实验项目，实现真正意义上的“开放式”共享平台。
低成本、高效率。虚拟仿真实验建立在计算机技术基础之上，除前期开发成本外，使用过程不产生额外费用。虚拟仪器可由学生自行操作而不会造成实际损坏，避免了在实验教学过程中由于“教师怕用坏”而造成“学生不会用”的局面，大幅度增加学生亲手操作的机会。利用网络技术，可以实现跨学校、跨区域的虚拟仿真实验，大范围共享提高仪器设备利用率。
三、虚拟仿真实验在教学过程中的应用
将虚拟仿真技术引入实验教学环节是解决目前传统教学问题的有效途径，也是高等教育发展的大势所趋。[2]对此，笔者也做了一些有益的尝试和探索。
（一）通过虚拟实验强化基础
对于操作基础薄弱的大一新生，常常由于不理解、不熟悉仪器仪表操作而导致实验失败。比如，示波器是学生记录结果、校验数据的关键终端，其操作相对复杂，初次接触者很难在短时间内熟练掌握。课堂“一对多”教学模式下，学生若不能第一时间获得教师指导，难以快速发现、更正问题，进而引起误判、误调造成更复杂的问题。随着实验教学比例的逐渐提高，实验室硬件设施处于高负荷、超负荷使用，学生缺乏日常练习机会，有限的课堂教学时间，部分学生仪器仪表的基本操作尚不能熟练掌握，实验教学的效果保证更无从谈起。
虚拟仿真实验平台器材库提供常用电阻、电容、三极管等基本元件及示波器、信号源等常见仪表，虚拟仪器面板和操作方法完全按照实际仪器仪表设计。学生利用虚拟元器件搭建实验电路，利用虚拟仪器仪表测量，分析实验结果，如图1所示。
图1单管放大器测试电路
平台操作完全在虚拟的计算机软件环境中进行，打破时间、空间和设备的限制，且不会造成仪器设备的实际损坏。通过采用“先仿真，再硬件”的模式，学生进一步理解了实验原理，熟悉了测试方法，提高了实验成功率，切实保障了实验教学效果。
（二）利用仿真软件扩展内容
固化的硬件仅能够完成预设的实验内容，同时造成了实验过于简单而流于形式，学生“知其然”而“不知其所以然”。以光伏发电实验教学为例，最大功率点跟踪测试是教学的重点和难点，学生独立设计硬件电路难度大，成功率低。目前的实验设备提供有最大功率跟踪模块，功能强大，但模块化的电路只能观察结果而不能分析中间过程，学生得到的仅为简单的测量数据而非对跟踪过程的深入理解。
图2不同跟踪算法的输出功率曲线
为解决上述问题，笔者指导学生利用Simulink环境建立光伏电池模型，采用Boost电路、控制器电路和PWM电路构成最大功率跟踪模块[3]。通过搭建恒压控制法、扰动观察法和电导增量法三种常见算法的模型，可仿真得到输出功率曲线，如图2所示。
在光伏电池建模的过程中，学生能够进一步掌握光伏电池工作原理和器件参数。观察U-I曲线，有助于学生理解在特定照度下，光伏电池输出功率随负载变化，具有最大功率输出的特点，进一步认识到最大功率点跟踪的意义。通过观察输出功率曲线，进一步剖析不同跟踪算法的原理和特点，掌握其实现方法，提出改进方向和方法，对模型进行修正加以验证。通过仿真平台无成本的实验扩展，完成了硬件传统实验难以观测的内容，激发了学生学习兴趣，切实发挥实验教学对于理论教学进行认识强化的杠杆作用。
（三）构建平台提供开放式立体教学空间
切实发挥虚拟仿真技术在实验教学过程中的优势，基于网络的交互式实验平台建设具有重要意义，平台集实验管理、实验教学、在线帮助等功能于一体，如图3所示。
图3交互式虚拟仿真实验平台
通过实验教学平台，具有管理权限的教师可以对实验教学过程进行管理，完成时间、地点安排，制订具体教学内容，提供必要帮助文档；学生利用网络访问平台，可以在任何时间、任何地点自主完成规定的虚拟仿真实验内容，上传实验报告供教师在线批阅；通过查阅帮助文档或在线与教师交流，及时获得指导，答疑解惑。
参考文献：
[1]谭伟平，宋克慧，彭庆文.怀化学院“三位一体”通适性应用型人才培养模式改革的探索与实践[J].当代教育论坛，2010（10）：67-69.
[2]程思宁，耿强.虚拟仿真技术在电类实验教学中的应用与实践[J].实验技术与管理，2013（7）：94-97.
[3]刘永健，龚建军，黄宇宙，等.光伏系统最大功率跟踪技术的研究[J].电子设计工程，2014（24）：116-120.