测控专业系列核心课程虚拟仿真教学平台研究*

梅秀庄 甘世明 宋鹏飞 牛方浩

（内蒙古工业大学机械工程学院）

为满足社会对创新型跨学科人才需求，更好的服务新工科建设，探索新型教育培养方式已成为学校教育改革的主题。原始课堂教学方式侧重于理论的讲解，课堂相对枯燥乏味，使得学生学习的积极性低，课程教学效果不尽人意。秉持新工科、学生为中心的教学理念，以培养学生创新实践意识、创新思维能力为教学改革的目标，积极探索新型教学模式、方法，是每位高等教育工作者须承担的重要职责和使命。

利用先进的计算机虚拟仿真技术，将专业课程基础与专业知识、工程实例进行形象的图文展示，实现传统教学与虚拟仿真教学的紧密融合，搭建课堂学习到实践学习的桥梁，使学生较短时间内掌握一些复杂的专业知识，充分调动学生积极性，增强学生的认知能力和工程实践能力，有利于充分发挥虚拟仿真教学在高校教学实践中作用[1]、推动高等教育教学质量的提升[2]。

本文通过设计测控专业系列核心课程的虚拟仿真教学平台，依据本校测控技术与仪器专业的培养目标和课程教学标准，将测控专业系列课程的重要、抽象的知识点实例化、可视化，使学生更容易理解；将测控专业系统课程知识系统化，促进测控专业整体理论知识的整合，使专业性知识更加系统化；辅助学生解决日常生活中与本专业相关的实际问题，锻炼其编程能力和逻辑思维能力。

将研发出的虚拟教学平台应用于测控专业的本科教学，使一些晦涩难讲、难以理解的原理、抽象的概念、以及性能分析等进行准确、形象、直观地图形化展示，加深学生对所学知识点的理解，起到事半功倍的教学效果。另外可将日常生活、实际工程中典型的实例，加入到虚拟仿真教学平台，有利于开阔学生的视野，激发其学习的兴趣和积极性。可辅助老师教学，改善教学效果，提高学生学习效率，开阔学生视野。

通过建立虚拟教学平台，将整个测控专业的大部分课程理论知识进行系统的整合，使专业知识系统结构得到系统化展现，有利于促进专业教学的长期发展。将测控专业的一些抽象化知识点，通过友好的界面进行图形化展示，有利于学生的理解和短时间内消化所学专业知识。引入与专业相关的日常生活、实际工程应用实例，使学生开阔眼界，有助于激发其学习积极性、主动性。

本文以提高课程教学效果、提升学生工程实践和创新能力为目标[3]，利用MATLAB编程软件系统搭建测控技术与仪器专业系列核心课程虚拟仿真教学平台，为学生提供方便、便携的虚拟仿真操作，有助于培养测控仪器专业学生在信号检测与分析、模式识别、智能控制等方面的知识技能、实践动手能力。

一、虚拟仿真实验教学平台建设的必要性与优势

（一）平台建设的必要性

随着新工科理念在高校的不断深入，社会对跨学科人才的要求也在逐渐提高，传统的教学模式难以适应新工科概念下的人才培养，发展教学新方式势在必行。测控专业中《信号与系统》《数字信号处理》《误差理论与数据处理》《数字图像处理》《测控电路》《自动控制原理》等课程属于专业的核心课程。由于测控专业学科跨度较大，理论性强、概念抽象、分析逻辑繁琐，学生在课堂专业知识的学习中经常会遇到很多复杂、难以理解问题，短时间难以消化和吸收继而影响后续的学习。与此同时，现如今由于新冠疫情原因等多种不确定因素影响，学生不能正常返校，不能在教室内进行授课、学习，需要采用网络的线上教学模式进行专业课程、实验课程的远程学习，对老师授课、学生学习都提出了新的挑战，教师授课过程中不能通过察言观色来了解学生对知识的理解程度，很难动态调节讲课节奏、灵活调整授课内容，学生也通常出于礼貌不忍心打断老师的正常授课而提出自己不懂的问题，这些都大大增加了学生对专业知识的理解和掌握难度，

为了更好地迎合新工科需求和适应现有的教学模式、克服疫情防疫等因素影响，构建能将抽象知识进行形象展示，并提供方便快捷实践操作手段的虚拟仿真教学平台，以虚补实，整合测控专业整体理论知识，加强理论与实践的结合，优化教学方法，提升教学效果，为实现测控专业人才培养目标提供有力支撑[4]。

本文通过研发一套测控专业系列核心课程的虚拟仿真教学平台，解决课堂教学中一些抽象概念、原理等难以形象、直观展现的问题。将测控专业系列核心课程中抽象、难以理解的重要知识点，以图形图像、动画的方式进行展现。使测控专业知识更加系统化，通过平台对系列课程的整合，能使专业知识更加系统化。有利于学生总体上系统掌握知识。增加重要知识点在日常生活、实际工程中的应用实例，辅助教学，扩展学生视野，加深了理论与实践的结合、理论向实践的转化。

传统的课堂教学方式侧重于理论的讲解和分析，极少考虑所学知识在日常生活及工业生产实践中的实际应用，在一定程度上降低了学生学习的积极性、弱化了课程教学效果。通过借助MATLAB软件系统搭建虚拟仿真教学平台，引入测控专业系列核心课程的共性基础知识、各门课程基础原理及过程分析，借助MATLAB强大的计算功能和图形处理功能，利用图形图像、声音、动画、特效等方式，将一些晦涩难讲、难以理解的原理、抽象的概念、以及性能分析等进行准确、形象、直观地表现，从而使学生加深对所学知识点的理解，起到事半功倍的教学效果。激发其学习的兴趣和积极性。

在课堂教学过程中一些理论性强且抽象的概念在老师的讲解过后，同学们很难理解消化，现通过虚拟仿真教学平台，通过点击不同的按钮，进行图形图像的形式展示，使抽象的知识变得更加形象具体，便于同学的理解掌握，同学们对于一些性质难以记忆，通过仿真平台改变相应的参数，图形图像就会进行相应变换，这样就使得难于记忆的知识点记忆的更加准确。

律师称杨伟东被警方带走，并不能以此就认定其有罪。但他分析，消息爆出后阿里巴巴很快确认，并且应对有序，“当事人可能都不知道，但该知道的人或许早已知道，阿里内部很可能已经做了初步调查并掌握了一定的证据。而且杨伟东刚好在轮值结束后出事，要么是阿里真的非常幸运，要么是一切都在安排之中。”

（二）虚拟仿真教学在测控专业的应用优势

专业授课教师、专业学生均可以在自己的计算机上使用本文的虚拟仿真教学平台，具有不受时间、空间限制的特点，能很好的适应疫情防控形式下的远程网络教学。该平台具有在灵活性、实践性、可操作性等方面具有显著的优势。

（1）灵活性。平台的使用者可以灵活更改各模块单元中的参数，动态了解各参数对结果数据、分析结论的影响，同时也可以通过图形或列表形式的数据分析、仿真结果，来掌握各调整参数对结果影响的差异[5]。通过灵活的参数调整、动态图形、动态列表展示，使学生更能深入掌握专业理论知识，理解抽象难懂的一些概念、定理或公式。

（2）实践性。测控专业属于多学科交叉的专业，对学生实践动手能力、工程问题分析和解决能力的培养要求高。通过平台引入专业知识实例、工程应用实例，使学生在课堂内、外均可进行自主学习、实践动手操作，将学生自己日常生活中的声音、图像等实际数据加载到该仿真平台，经平台算法的辅助、自己独立思考、老师专业辅导，学生自己可总结分析出自己的结论，可增强学生分析、解决实际工程问题的能力。

（3）扩展性。平台采用计算机编程语言来实现，具有很强的扩展性，学生或教师在教学过程中可将自己感兴趣的一些知识点、工程实例加入到该系统平台，并可将原来不足的地方进行逐渐改进，随着该平台的使用人数、使用频次的增多，该平台在专业知识扩充、工程实例储备等方面会不断得到完善、升级。

二、虚拟仿真实验教学平台建设的目标和思路

（一）平台的总体设计目标

基于现代教育的课程教育改革理念，依据测控技术与仪器专业的培养目标和课程教学标准，并通过对测控技术与仪器专业的任课教师、本科生、毕业生的深入调研，确定该虚拟仿真教学平台的总体设计目标为：对测控专业的基础知识、专业知识进行提炼、系统融合，并在教学平台中形象、友好的展示，对与测控相关的专业实例、工程实例进行甄选、融入到虚拟仿真教学平台，增强学生在测量、控制等方面的实践动手、实验数据分析、实验结果总结等能力，为测控专业建设添砖加瓦。

（二）虚拟仿真实验教学平台架构

经项目成员的反复探讨分析、与相关技术专家的交流，确定出所设计的虚拟仿真教学平台主要包括基础知识模块、专业知识模块、工程实例模块等三部分组成，其分别简称为基础模块、专业模块、实例模块。基础模块主要用于汇总、系统融合测控专业系列核心课程中重点学科基础知识，主要涉及各课程共有的、交叉的基础概念与原理、数学变换及其性质等内容，在平台中以可动态参数调整、可视化图形界面展示。专业模块进行测控专业知识凝练，突出每门课程在专业人才培养方面的优势，可通过按钮操作导入、导出数据、图文分析结果并灵活设置各实验参数。实例模块主要引入测控专业相关的、学生比较感兴趣的一些工程实例，增强学生对未知探索的渴求，为课程实践、工程实践提供一些解决问题的方法和思路。

三、平台的建设内容

使用者进入虚拟仿真教学平台后首先进行账号登录，登录成功后进入三个学习模块，具体模块建设内容如下所述。

（一）基础模块

测控专业学生必须掌握的最基础知识点是信号采样与合成，以往学生经常采用死记硬背形式来记忆该知识点，没有深入理解其定理内涵。在该平台模块中采样定理知识点，通过输入原始信号的幅值、频率、相位等信息，生成原始信号并展示信号波形，再输入采样频率，并展示采样之后的波形，通过调整采样频率大小，可以直观展示采样之后原始信号的恢复情况，若不满足采样定理，信号将发生失真并失去了获取真实、有用信号的信号采集目的。信号合成结果主要受待合成信号的样式、频率影响比较大，通过平台改变待合成信号的样式、频率等参数，点击“信号合成”按钮之后，就可以直观展现合成之后的信号，通过该实验仿真，可总结出各个待识别信号样式、幅值、频率等参数之间的关系对合成信号的影响。

（二）专业模块

专业模块是针对测控专业核心课程进行开发设计，主要由《数字图像处理》《信号与系统》《数字信号处理》《传感器原理及应用》《误差理论与数据处理》《测控电路》《控制系统与仿真》等课程单元组成，依据课程大纲、不同课程的知识内容特点，对每个课程的模块知识结构体系、知识点进行设计。这里以其中的几个课程单位为例进行阐述。

《传感器原理及应用》《误差理论与数据处理》课程中对传感器、检测装置、检测仪器等测量数据进行处理是测控专业学生的基本技能，以往学生的实验训练，主要是通过简单数据用手算、复杂数据用计算工具的形式，耗费时间长，为达到准确需反复计算、修正，通过本文的虚拟仿真实验平台，点击“导入数据”按钮可将数据进行批量导入并在数据列表中进行呈现；点击对应的参数按钮，就可快速、准备的计算出传感器的灵敏度、线性度、迟滞等静态特性参数；对测量数据的平均值、标准差、不确定度等参数进行快速计算、高效处理，并能进行回归分析、最小二乘拟合、残余误差分布等运算，以波形、参数列表等形式进行形象展现，操作简单、快捷。

《数字图像处理》课程单元包括图像灰度化、二值化、基于各种算子的边缘检测、图像增强、图像滤波、形态学计算、AI识别算法等单元组成；《数字信号处理》课程模块包括典型信号展现、典型信号分析、傅里叶变换及性质、Z变换及性质、数字滤波器设计、小波分析等内容。

通过专业模块在课程教学中的应用，可使学生掌握专业课程中一些抽象概念、原理、公式，加深专业知识的记忆，同时也会提高任课教师的讲课效率、教学质量，为后续课程设计、专业综合设计、毕业设计等实践课程打下坚实的专业基础。

（三）实例模块

实例模块有助于学生深入了解专业知识的应用，培养理论与实践相结合的能力，提高专业素养，并能扩展学生的科技视野，提升学生的科研探索精神，培养其创新、研发意识。实例模块是对案例式教学方法的一种案例展示模式，通过本专业相关的实际工程案例呈现，激发学生的学习兴趣，加深理论知识的理解，促进学生由被动接受知识向主动接受并积极去探索方向转变，启迪学生思维，使学生积极思考，努力探索工程实例的原理、实现过程，甚至提出更先进、完善的改进方案。此外该模块可减少专业任课教师的案例搜集、整理的时间，减少其备课工作量，提高教学效率。

该实例模块结合本校测控专业教师前期的公开研究成果、本科毕业设计研究成果、专业相关的典型工程应用等内容进行设计。主要包括工程信号处理、自动控制仿真、语音识别、车牌识别、车标识别、人脸识别、人体姿势识别、智能交通灯等实例。例如，工程信号处理实例中包括声发射检测断铅过程信号、电机振动信号分析实例，点击“导入数据”按钮，将信号进行导入，可进行时域波形展示、时域特征参数计算、滤波分析、小波分析、频域分析等操作。

四、结束语

通过提炼测控专业系列核心课程内容并构建虚拟仿真教学平台，将学生难以理解的原理和抽象概念、繁琐数据处理、难度较高的系统分析、工程应用实例等内容，利用平台进行准确、形象、直观地图形化展示，实现了虚拟仿真与传统教学方式相结合的混合教学模式。

利用虚拟仿真教学平台将本专业一些知识形象、生动地展示，既提高了学生的学习兴趣又节约了在黑板手绘示意图以及公式推导的时间，促使学生在较短时间内掌握一些复杂的专业知识；将课程理论知识与虚拟仿真相结合，有利于增加学生自主学习的参与度，提高学习效率，增强学生编程能力、逻辑思维能力，培养其创新意识、科研精神，同时也可辅助专业教师进行高效教学，改善教学效果；有力推进虚拟仿真实验教学改革，做好课堂学习到实践学习的衔接。

该虚拟仿真教学平台经专业教师试用、学生体验后得到了普遍认可和很好的评价，后续会继续深入、完善该平台，以便该平台为测控仪器专业人才综合素质的培养发挥更大的作用。