仿真系统在高职教育中的应用研究

孙志伦 王惠

摘  要 目前我国大部分高等职业院校引入仿真系统以改进传统教学模式、降低教学成本、提高教学效率、增强教学趣味性。与传统教学中学生只作为课堂环节中的被动接受者相比，使用仿真系统后，学生由接受者变成参与者，提高了学习积极性。以自动控制理论课程辅助仿真系统为例，论述仿真系统在高职院校课程中的合理应用。

关键词 仿真系统;自动控制理论;职业院校;高职教育;实验

中图分类号：TP391.9    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2019）06-0034-03

Applied Research of Virtual Simulation System in Higher Voca-tional School： Take Automatic Control Theory for Instance//SUN

Zhilun， WANG Hui

Abstract At present， most of higher vocational colleges in China have introduced simulation system to improve the traditional tea-ching mode， reduce teaching cost， improve teaching efficiency and increase teaching interest. It is not only that students who are using the simulation system as the passive recipients in the classroom， but

also the students become the participants through the simulation sys-

tem. Taking an example of the subsidiary automatic simulation sys-

tem in automatic control theory course， the paper presents the ratio-

nal application of the simulation system in vocational college courses.

Key words simulation system; automatic control theory; higher vo-cational colleges; higher vocational education; experiment

1 引言

在職业院校教育中，很多科目由于自身难度较大，加之学生基础知识比较薄弱，导致教学目标难以达成，而这些专业基础知识理论又是学生所必须掌握的。以自动控制理论为例，该门课程是高等院校自动化、机电一体化及相关专业的一门重要的主干课与专业基础课，课程的理论性和系统性极强，数学公式推导和计算较多，如拉普拉斯变换、拉普拉斯反变换、劳斯判据、动态性能指标等，都需要进行大量的推导和计算，其推导过程繁杂难懂。本科学生大都感到该课程内容抽象，难以理解，而高职院校学生由于其基础理论知识较为薄弱，面对这门课更是无从下手，最后敷衍了事。

针对这种现状，将虚拟仿真技术应用于自动控制理论课程教学中，用于对自动控制系统的动态过程仿真，通过把课程中的理论性概念及其公式转换为操作流程界面，并对其内容逐一展开和推导，以此来降低自动控制理论的课程难度，使学生摆脱烦琐的数学推导，直观地了解自动控制的原理及特性。

2 虚拟仿真系统的意义

虚拟仿真系统是利用计算机中的仿真软件编写程序系统，以达到对真实实验和理论的模拟与仿真的目的，供学生观察、了解、操纵、建构其中的对象，使他们获得类似真实的体验或者掌握知识理论体系的规律。

人本主义教育学家认为，教育的目标、学习的结果应该是使学生成为具有高度适应性和内在自由性的人。建构主义教育学家认为，教育是以学生为中心，强调学生对知识的主动探索、主动发现和对所学知识意义的主动建构[1]。这两种学派都强调以学生作为教育的主体，通过激发学生本身的学习积极性和学习兴趣为手段，来达到提高学习能力以及完成课堂任务的目的。其区别是建构主义教育学家将学习定义为在一定的情境即社会文化背景下，借助其他人的帮助即通过人际协作活动而实现的意义建构过程;而人本主义教育学家则更重视学习涉及整个人，而不仅仅是为学习者提供事实，也就是说在学习的同时不仅是要达到知识上的提升，同时要完成个人能力上的升华。

虚拟仿真系统可以激发学生的学习热情，提高学习效率，降低课程难度，让学生直观体验理论知识。这是因为虚拟技术具有沉浸性、交互性、构想性三大特征：沉浸性指人能够沉浸到计算机系统所创建的环境中，由观察者变为参与者，成为虚拟现实系统的一部分;交互性指人如同在真实的环境中一样，能用多种传感器与多维化信息环境中的虚拟对象发生交互关系;构想性指人能从虚拟环境中得到感性和理性的认识，进而深化概念、产生新意和构想[2]。学生在通过仿真教学系统学习知识内容之后，可以提高个人的自主学习能力，而这种以仿真系统辅助教学的教育方式符合人本主义学习理论。当学生从被动学习转化为主动学习时，当以学生为中心来构建学习情境时，当学生了解到学习内容与自身需要相关时，他们的学习的积极性最容易激发。在一种具有心理安全感的环境下可以更好地学习，这符合建构主义的教育理念。故使用虚拟仿真系统来促进学生的知识积累和个人学习能力的完善是具有理论依据的。

与普通高校相比，职业院校对学生的理论和公式的理解要求较低，在一些难度较大的知识点上不做过高要求，学生对具体实物和公式会应用即可，即“不求高深，但求实用”。在这种观念的影响下，虚拟仿真系统成为一种工具，学生只需要按照系统要求的流程逐步操作，即可得到需求的结果。

3 仿真系统对职业院校教育的作用

现阶段我国职业教育还存在不少问题。2016年12月，李克强总理对关于加快职业教育发展做了重要批示，要求切实把职业教育摆在更加突出的位置，加快构建现代职业教育体系，坚持面向市场、服务发展、促进就业的办学方向，进一步深化改革创新，强化产教融合、校企合作，积极鼓励和支持社会力量参与，努力建成一批高水平的职业学校和骨干专业，加快培育大批具有专业技能与工匠精神的高素质劳动者和人才。

政府大力支持与鼓励在职业教育中引入虚拟仿真软件的做法，并在教育资源和教学实践两方面提出不同的要求。例如：在教育资源方面，高职教育“要充分利用现代信息技术，开发虚拟工厂、虚拟车间、虚拟工艺、虚拟实验”，针对各级各类教育的不同需求，遴选和开发1500套虚拟仿真实训实验系统;在教学实践方面，各级各类教育“加强实践教学，创新仿真实训资源应用模式，提高使用效益”。

根据从部分期刊和网络平台收集到的资料，现阶段我国职业教育在政府的大力支持下快速发展，高职院校数量从2014年的1327所增加到2018年的1388所，入学人数和毕业生人数也稳定提升。虽然发展迅速，但存在部分职业院校教学效果不佳，专业教学资源短缺，生师比高，生均教学资源投入不足，专业质量认证机制缺失等问题。限制职业教育发展最严重的问题是通过职业教育的毕业学生达不到学校预期要求和企业入职底线，主要有两方面的原因：一是学校，二是学生。而引进虚拟仿真教学辅助系统，恰对这两方面都有积极的影响。

在学校方面，现阶段职业院校的主要问题是学校所能给学生提供的实训条件和教授的知识内容无法满足学生的就业需求。现在的高职学校教师水平很容易受到学生质疑，一方面是因为很多职业院校难以留住优秀的教师，部分教师虽然在专业知识上达到较高的水平，但并未接触过专业的教育学培训，导致课堂上无法清晰说明，难以令学生明白，在一些考验教师教育功底和教育水平的课程中，这种现象更为严重。另一方面，高职学生普遍对学习缺乏兴趣，甚至反感学习。作为课程总目标直接面向就业的职业学院，大多数职业院校在文化课上由于课程难度较高、学生基础较差或不愿学习等原因，无法完成其课堂目标;在实训课上又因为资金匮乏，实验装备和实训条件无法做第一时间的更新，甚至很多院校的实训器材种类都无法做到齐全，导致学生无法学到面向企业的技能。这势必会阻碍职业教育的发展。

针对这种现状，由于仿真系统的特性，能够缓解和解决一部分实验、实训器材短缺的问题，同时具有辅助教学的功能，提高教师驾驭课堂的能力。通过下载补丁实时更新的仿真系统，能让学生对部分课程内容和能力进行学习和锻炼。同时，自主操作系统结合教师课堂讲解的教育方式也更能引起学生的兴趣。在各类职业院校课程中引入虚拟仿真教学系统，可以帮助职业院校培育具备最新专业技能与工匠精神的高素质劳动者。

在学生方面，高职学生在入学前大多经过了一次失败的高考，从某种角度来说，他们是应试教育的失败者，对继续学习兴趣不足;或者可能给自己打上不善于学习的标签，内心怀疑自己的学习能力。一部分学生因为学习目的不明确而导致动力不足，兴致不高;另一部分学生则是自控能力较差，沉迷于网络、小说或其他兴趣爱好，根本无心学习。仿真系统主要针对第一类学生改善学习的积极性，提高学习能力，走出心理障碍;对于第二类学生的学习态度有部分改善作用。

以自动控制理论课程为例，该课程难度较大，且需要实验仪器进行配套教学，需要对前置课程如高等数学、线性代数、电学等都有一定的基础才能顺利学习，几乎全部高职院校的学生都难以理解其全部课程内容。当学生在某一课程中完全听不懂时，会极大地打击其自尊和学习积极性。但是自动控制理论强调的是物理概念和实际应用，对学生未来从事自动化类型工作有极为重要的作用，不管是現场的实际操作还是产品开发工作，都需要对自动控制理论具备基本的了解。

对学生而言，如果在课程中应用自动控制理论课程辅助仿真系统，可以将课程中抽象的理论和公式通过虚拟仿真软件直观地表示出来。学生的学习过程不再是机械记忆教师讲解的知识，而是从学习的被动接受者变成主动参与者。通过对系统界面的简单操作，即可了解自动控制理论的运算过程、运算结果、应用实例等方面的问题，全面提高自动控制理论课程教学效率。同时，通过运用自动控制理论仿真系统，学生在课堂以及课下都能自主完成课程学习和实验，发挥主体性，在学习过程中能够自我决定、自我选择、自我调控、自我评价反思。当完成学习目标后，学生得到的成就感和满足感也优于传统授课方式。

通过运用仿真辅助学习系统，学生可以自己输入变量，通过系统将物理概念以及公式转换为可见的流程式操作，并以图像的形式反馈给学生。如在动态系统的微分方程章节，仿真系统可以通过对物理建模的仿真直接将其转换为微分方程形式的模型，而不需要学生详细了解物理和电学中的内容，只需要使用系统中现有的公式，即可得到微分方程以及推导过程。以此降低课程内容的难度，并且在系统中通过插入一些小提示帮助学生理解，并集中其注意力，以此调动和诱导学生的学习积极性，令学生养成自主学习的习惯，从而让职业院校中的学生被动强迫学习、学习积极性不足、注意力分散的情况有所好转。

对从教者来说，在课程中使用自动控制理论课程辅助仿真系统同样具有优势。传统理论教学往往强调教师的讲授，极为考验教育者的教育功底和水平。教师在教学中主要使用PPT和黑板，结合教材书本的内容进行解释和补充。使用该系统，可以降低教师在自动控制理论课程中的教学难度。在一些章节中使用该系统功能中的推导和绘图功能，可以直接得出如微分方程的图像等学习内容;对一些知识难点，通过编写系统可以做出注解和例题分析，方便教师对学生进行讲解。同时，教师可以将习题和作业导入仿真辅助教学系统中，让学生在课后仍通过该系统理解知识点和教学内容。

对学校而言，仿真系统可以代替一部分物理实验，通过输入预定的数值和流程，可以得到模拟出的仿真结果;若过程有误则生成错误结果，并提示错误点。

如果運用传统模式的教育方法，自动控制理论实验教学采用在实验室中模拟电路实验台，将集成电路模块进行连线，形成典型系统，通过示波器观察响应曲线。实验室占地面积大，价格较昂贵，且学校内的实验设备长期工作，可能会造成电容积分饱和，出现实验误差，需要对该科目进行较大的硬件投入。在不以自动化相关专业作为主要教学专业的学校中，布置该类型实验平台具有一定的资金困难，从而放弃实验课程。而使用自动控制理论仿真系统，则可以在不耽误教学进度和质量的前提下，减少一定程度的经费开支。

仿真系统对高职教育的促进作用不仅体现在自动控制原理一门课程中，与此相近的其他课程都可以使用仿真教学系统进行辅助教学，同样具有良好的效果。

4 结语

诚然，教学仿真系统在现阶段还有许多不足之处，其主要任务还是辅助教师进行教学，也不能完全代替传统实验和实践。教育是一个复杂过程，教学系统是一个独特的复杂系统，具有开放性、不可还原性、非线性与非均衡性等特征。教育自身的复杂性一定程度上制约了系统仿真技术的运用[3]。即便如此，使用教学仿真系统进行教学，依然可以解决现阶段高职教育中的很多难题，对促进学生、教师、职业院校乃至社会发展都有重要作用。

1）运用教学仿真系统可以辅助教学，简化教学难度，增强课堂的趣味性。教师通过运用该虚拟仿真系统，能够打破传统的教学模式，从原则到运用，从繁杂到整合，从抽象到实际，逐步实现相关知识的学习操作。

2）职业院校学生使用教学仿真系统进行学习，在理论上也符合人本主义和建构主义教育学思想;在实践中，仿真系统可以提高学生的学习积极性和自主性，降低学习难度，帮助学生建立自信。

3）高职院校可以通过各类仿真系统对教学内容进行实时更新，使教学内容跟上社会发展，教学手段与时俱进。同时可以节约教学资金，有助于院校发展。

4）职业院校使用高品质的教学仿真系统，可以为企业和社会培养具备最新专业技能与工匠精神的高素质劳动者。其为社会培养高素质高技能人才的核心理念，符合我国国情以及“中国制造2025”的战略发展目标。■

参考文献

[1]彭茜.仿真虚拟实训系统在中职教学过程作用的实证研究[D].北京：北京理工大学，2015.

[2]陶砂，张天擎.职业院校虚拟仿真实训资源开发的方法与应用[J].中国教育技术装备，2012（33）：4-7.

[3]WANG Y， CHEN L. Exploration on Application of Si-mulation in Education[M]//2011 Chinese Conference onSystem Simulation Technology & Application.2011：361-365.