虚拟仿真实验教学体系中的几点问题思考

强 彦，赵涓涓，吴俊霞，董云云，武仪佳

（太原理工大学 信息与计算机学院，山西 太原 030600）

0 引言

虚拟仿真实验教学中心是教育信息化和教学实验改革共同作用、相互影响下的产物。2019年教育部工作要点指出“推进教育信息技术与教育教学深度融合”。《加快推进教育现代化实施方案（2018—2022 年）》提出的十项推进教育现代化重点任务中，提出了“开展国家虚拟仿真实验教学项目等建设”的重大举措[1]。2017—2018 年间，省级申报项目数量达766 项，共认定260 项，分为23 个类别。相较于2017 年，无论是项目总数还是项目类别数量上都呈现大幅上升趋势，表明近年来在国家政策方针的支持下，虚拟仿真实验教学建设进入了快速发展的新时期。

1 基于虚拟仿真的实验教学环节中的“四重四轻”

近些年，作为教育信息化时代下的产物，虚拟仿真实验教学在教育界羸得了很大的关注度。虚拟仿真技术改变了传统的实验模式，使实践教学环节发生了根本性的变化。

1.1 重虚仿轻实践，虚实把握不准确

教育部高教司在文件中明确提出了“虚实结合、相互补充、能实不虚”的虚拟仿真实验教学十二字原则[2]。

在高校虚拟仿真实验教学平台的建设过程中，学生在仿真平台上完成的实验较易成功，而真实场景下的实验往往会遇到各种各样的问题，如控制开关电路的ALU-G（运算器接口的一种）和C-G（控制开关电路的一种）意外被同时置零，造成总线冲突、损坏芯片；实验排线连接时管脚连接出错；部分绝缘导线内部电路断路导致实验结果未知等。仿真实验较真实实验来讲更容易成功，避免了实际操作中遇到的许多问题，导致高校教师偏向于引导学生使用虚拟仿真平台来进行相关实验的验证，出现了“重虚仿轻实践”的实验教学现象，未能深入贯彻落实教育部“能实不虚”的仿真教学原则。高校在实验教学环节中对虚拟仿真实验和真实实验的把握程度还不够，造成了重虚轻实的实验教学环节侧重点失衡的现象。

1.2 重验证轻创新，教学方法少灵活

一直以来，实践环节作为高校教学必不可少的组成部分，重点考查学生对所学理论知识的熟悉理解、仪器设备的操作使用及创新意识的培养提升。传统的实验教学仅局限于对已知实验结果的验证，而非具备创新意识的设计探索实践。在高校实验教学部分，教师多是将要完成的实验内容按照实验目的、实验原理、实验器材、实验步骤等环节给学生进行“填鸭式”的灌输[3]。随后，学生根据教师所讲解的流程，毫无挑战性地按照已有模板完成理论知识的验证性实验。学生进行着没有任何自主创造性的模仿操作，长此以往导致想象力和创造力的湮没。

相对于高速信息时代所紧需的创新性人才，高校实验教学环节中更多偏重于验证性实验环节，缺乏对学生创新性实验环节的重点培养，造成了“重验证轻创新”的实验教学偏差。鉴于此，太原理工大学信息与计算机学院（以下简称我院）开展了综合实践环节和课程设计环节来提升学生的实验创新能力。但从验证性到创新性实践环节的跨度很大，出现了部分学生在进行综合设计环节时无从下手的情况，教师只能再次干预甚至主导学生的创新实践环节。创新性实验环节继而演变成验证性实验，出现这个现象的原因就在于实验教学方法缺少一个循序渐进的过程，只是僵硬的验证和任务性的创新，并没有为学生提供一个逐层递进的实验教学体系。

1.3 重购置轻研发，资源共享不充分

高校作为社会高水平人才的培养地，汇聚了众多优质资源，是创新意识的爆发地。然而，对于高校引进虚拟仿真平台的现状来讲，大都是通过购买校外公司成熟的系统软件来满足基本的教学任务需求，而非靠校内研究团队的自主研发。当前，很多高校大都不同程度的购进了虚拟仿真平台，平台的开发维护成本较高且系统安全稳定性较差，不同院校不同虚拟仿真平台之间并不具备连通性，通用性较弱。各大高校重复开发基本功能相近的仿真平台，一方面浪费了大量的人力财力和硬件资源，另一方面阻碍了仿真平台的功能完善与创新。

1.4 重导学轻自学，课前学习失主动

传统的实践课程学生大都会像理论课程一样地对待，学生将本应主动动手完成的实验变成了课堂听课环节。通常情况下，大部分学生往往依赖于教师的实验指导，课前学习缺乏主动，对即将进行的实验缺乏深入的探索研究甚至一无所知，养成了一种没有带着问题去探索的“被动式”行为。教师为弥补学生没有课前预习的不足，需从头引导学生一步步进行实验，从而浪费了大量的时间在理论环节的教学，学生实践导学时间大幅收缩，实验教学效果降低，学生在实践环节的热情下降，越发忽视课前的自学环节。教师为完成教学任务，导学时间延长，学生动手环节时间缩短，久而久之就会形成一个恶性循环，严重影响实践教学环节效果[4]，最终导致学生求知和动手探索的欲望降低。

2 虚拟仿真实验教学的针对性改革

分析上文提出的“四重四轻”实验教学体系中的不平衡，结合我院实际情况作出以下针对性改革。

2.1 虚仿实践并立，虚仿为辅

应明确教育部在虚拟仿真实验教学中的十二字原则，把握实验教学中虚拟仿真实验与真实实验的平衡，在实践教学过程互为补充，以实为本、以虚为辅，不能避实就虚。虚拟仿真实验具备很强的仿真特性，用虚拟元器件进行操作，可以将实验效果以逼真、形象、立体的表现形式演示出来[5]，虚拟仿真实验与实际实验操作的效果几乎等同，大大提高教师实践教学效果。同时，虚拟仿真系统平台实验界面简洁，通过拖拉点击虚拟器件进行操作，简单方便，具备友好的交互性，对于学生来说很容易上手进行操作。虚拟仿真的教学丰富了课堂的教学模式，学生不再仅限于教师的口头教授讲解和实验步骤流程，如同进入真实的场景中，训练自主思考问题的能力，增强对实验内容的领悟。

但是，亦不可盲目夸大虚拟仿真技术在实验教学中的作用，完全沉浸在信息化教学带来的便利中。应大力主张学生亲自动手解决实际问题，动手是学生学习过程中极为宝贵的学习机会。仿真实验只对真实实验起辅助作用，要想真正掌握实验技能，必须通过自己实际动手亲自解决遇到的种种困难才能真正掌握。

虚拟仿真实验与真实实验在学生教学方面各有其独到之处，对实践教学都有着举足轻重的地位，考虑到虚拟仿真的局限性，采取“虚仿实践并立，虚仿为辅”的教学方式，更有利于学生创新能力的培养。

2.2 验证创新并重，验证为基

“合抱之木始于毫末，万丈高楼起于垒土。”一切成就的源泉在于不断地积累。同理，高校要想培养出高水平创造力强的人才，教学实践环节也得从验证性实验着手，随后再进行深层次的创新研究。

验证性实验是在已有的实验条件下重新证明某个已存在的原理或者假设是否成立或正确。而创新性实验则是通过实验验证自己新提出的某种假设是否成立。验证性实验更注重培养学生的动手实践能力，创新性实验是在学生已有一定的知识前提下，通过自主思考进行某种创新研发，着重培养的是学生的思维能力。为解决实验教学环节重验证轻创新、学生创新意识不足的问题，我院拟在验证实验的基础上，探索一条验证与创新并重的实验教学体系。

我院具备良好的实验教学环境，并配备了良好的实验教学基地。基于虚拟仿真软件的开放共享性，学生可以在学习理论知识的同时，利用虚拟仿真实验平台随时随地进行基础性实验验证，从而使学生对基础理论知识有更好的理解，当学生具备一定的基础知识后，教师可以引导学生进行相关的创新，培养学生的创新意识。验证实验与创新实验的相互交叉，不仅提高了学生的动手能力，也使得学生对创新性实验有了更深的理解。学生不再对创新性实验有抵触情绪，开始慢慢尝试，调动了学生创新思考的积极性，形成了良好的学习氛围。

2.3 研发购置并举，研发为重

高校作为高等人才培养的重要基地，担当着学生专业基础知识与创新能力培养的重大任务。我院在虚拟仿真实验平台的使用上存在着很大的局限性与依赖性，缺乏自主性，只是一味地接受，严重地依赖于外界。

针对这一问题，倡导一种以研发平台为重心，同时在购置平台的基础上进行二次创新研发的举措，试图研发出更适合所学科目和专业的个性化平台，提高课堂的教学质量与学生的学习效率，并通过网络将各个高校间的虚拟仿真平台连接起来，实现实验教育资源共享，提升资源利用率。各个高校之间可以通过这种方式实现资源共享，学习其他高校优秀的教学方式，取长补短，优化自己的教学体系与教学模式，形成改进—实践—再改进这样的一个正反馈。

2.4 自学导学并行，自学为本

为解决实践教学环节的现状，提出一种教师导学与学生自学并行，学生自主学习为根本的教学策略，将实验时间返还学生，同时减轻教师的实践教学工作量，激发学生主动动手参与的热情。要求教师提前下发实验环节的相关资料与任务，给学生提供充足的时间投入到课前自学环节，清楚了解自己实验时间需要完成与解决的任务。同时，为防止有些学生课前不主动的行为，教师可以选择部分重点讲解，一方面弥补了部分学生没有自学的缺陷，另一方面巩固了其他学生对实验理论知识的深入理解。除此以外，教师也可以选择通过抽查的环节了解学生的课前自学情况，督促学生完成导学任务[6]，提高自学主动性，形成一个教学自学的良性循环。

3 教学实际

太原理工大学计算机科学与技术专业依托于信息与计算机学院，旨在培养高素质高水平的计算机应用型专业人才。利用虚拟现实、多媒体、人机交互等信息化技术[7]，在计算机组成原理已有实验课程的基础上，构建高度仿真的实验环境，使学生可以在虚拟仿真的实验环境中学习[8]。学院设有先进的实验教学设备和稳定的实践教学基地，并配备有计算机硬件实验室和虚拟仿真实验室。在本科教学阶段，学院针对学生的不同阶段开设了如课程实验、课程设计、教学实习等在内的一系列实践教学环节。充分发挥学生的自觉能动性，促进培养学生的创新意识和工程能力[9]。

在硬件实验室中，我院配备了50 台EL-JYII 型计算机组成原理实验挂箱供学生日常实验所用，该实验挂箱上集成了运算单元、寄存器、存储器、液晶显示器等多种元器件。然而，教学配备的实验套件价格普遍较高，开展实验相配套的软硬件设施还不够完善，鉴于教学实验场地和实验设备的有限性，限制了学生亲自动手的操作体验，以及对所学理论知识的验证。其次，实验设备的组装和拼接较为复杂，学生缺乏对实验所用设备的了解，导致实验硬件器材的损耗较为严重，实验器材消耗成本较高。

基于FPGA 云提供的计算机虚拟仿真远程实验平台，打造“课内课外一体化、线上线下一体化”的虚实结合的计算机组成原理实验环境，可以为学生提供随时随地进行计算机组成原理实验的支撑，锻炼学生操作软硬件系统的能力，改善计算机专业学生“欺软怕硬”的局面，同时为新兴的人工智能硬件设计相关课程奠定实验教学基础。该虚拟仿真实验教学采用的PYNQ 平台可以将Python 语言的使用与硬件的设计融合起来，培养人工智能时代下学生的综合实践能力。

4 结语

虚拟仿真教学作为信息时代实验教学环节的新兴的重要组成部分，有效地辅助教师在真实场景下的实验教学，有力地促进实验教学体系结构的深度变革。笔者就现有虚拟仿真实验教学体系中存在的“四重四轻”问题进行了总结概括，并就这些问题给出了针对性的建议。相信，随着计算机数字信息化技术的发展，虚拟仿真技术在实验教学中的影响将会进一步扩大，随时随地进行实验对每个求知者来讲都将成为现实。