虚实结合的实验教学平台助力创新人才培养

夏定元， 张家亮， 王永圣， 罗 强， 石道生

（武汉理工大学a.信息工程学院；b.电工电子实验中心；c.自动化学院，武汉 430070）

0 引 言

2013年以来，教育部发布了关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的系列通知，作为指导性文件，为全国高校持续提高实验教学信息化水平，推动实验教学与现代信息技术深度融合指明了方向。同时，通过明确虚拟仿真实验教学中心建设“虚实结合，相互补充，能实不虚”的原则，促进实验教学资源开放共享，虚拟仿真实验教学中心建设与实验教学示范中心发展相得益彰［1］。国内外高校的理论研究和实践探索也表明，建设虚拟仿真实验教学中心，推动实验教学改革与创新，确有其必要性、可行性和有效性［2-3］。

特别在新冠肺炎疫情特殊时期，传统的教学秩序受到冲击，现场教学（面授）被迫取消，网上教学（网课）浪潮兴起［4-6］。实验教学也不例外。然而，由于实验教学相较于理论教学的差异性，线上实验教学及虚拟仿真实验教学项目成功案例不多［7］。在后疫情时代，实验教学示范中心如何在充分发挥虚拟仿真实验教学项目功能的同时，回归实验教学的本质，线上虚拟仿真与线下实操并重，虚实结合，助力学生创新精神和实践能力提升，值得探讨。

1 实验教学平台建设与发展

1.1 实验教学示范中心建设

2006年，我校整合资源，将自动化学院的电工技术实验中心、信息工程学院的电子与信息技术实验中心合并，优化建成集公共基础实验教学与创新创业教育于一体的实验教学单位——电工电子实验中心，学校直属单位，挂靠教务处。中心先后被授予湖北省高等学校实验教学示范中心（2007年）、湖北省高等学校大学生创新活动基地（2010年）、湖北省大学生创业示范基地（2012年）、学校首批开放实验室（2016年）和首批创新创业梦工场（2018年）。

中心由2个实验教学平台组成：①电工电子公共基础实验教学平台。着重于大学生基本技能培养，服务于全校理工科电类、非电类60余个专业7 500余名学生，开展教学计划内电工电子公共基础实验、实习、实训，每年完成教学工作量约40余万人时，量大面广，为广大理工科学生电工电子基本技能培养打下坚实基础，有利于今后从事有关专业技术工作得心应手，适应社会发展需要；②电子信息类专业创新创业教育平台。着重于大学生创新创业能力培养，每年定期在全校范围内选拔招收200余名具有创新潜能的学生进入电工电子梦工场，培训1～2年，以大学生创新创业项目和学科竞赛为依托，项目牵引与专题训练相结合，将科学研究的创新创业方法引入教学，推行基于问题（案例）研究的教学方式，全开放实验室，开展大学生课外科技创新活动、学科竞赛和创业实践，发掘学生创新意识和创业思维的潜力，强化团队协作能力和创新创业实践能力，激励学生在科技创新竞赛中获奖，指导学生自主创业并成功注册公司。

1.2 虚拟仿真实验教学中心建设

在总结湖北省电工电子实验教学示范中心建设成果基础上［8-10］，根据新时代教育教学改革和人才培养需要，对照国家级虚拟仿真实验教学中心遴选要求，理顺虚拟仿真实验教学中心建设与实验教学示范中心发展两者关系，借鉴全国兄弟高校做法［11-12］，拓展实验教学示范中心功能，改革实验教学模式与方法，加强实践教学团队建设，完善实验教学体系，优化虚拟仿真实验教学项目，推动实验教学与现代信息技术融合，实现优质资源开放共享，增强学生创新精神和实践能力，促进实验教学示范中心内涵发展，促进拔尖创新人才脱颖而出，独具特色。

2 改革思路与实践成效

2.1 创新实验教学模式与方法

（1）现实困境与破解方案。在现有电工电子实验教学示范中心，包含实验、实习、实训3类实践性极强的课程，推动教学模式与方法改革的难度极大，全面实施虚拟仿真实验教学也不切合实际，有必要采用循序渐进的方式，逐步完成虚拟仿真实验教学中心建设任务，实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，为解决传统实验过程中涉及的高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练等情况，提供可靠、安全和经济的实验项目［13］。因此，中心尝试先从部分虚拟仿真实验教学项目做起，将现代信息技术、人工智能技术与实验教学项目融合，建设和利用信息化实验教学共享资源，构建配套的虚拟仿真实验教学体系，培育必备的实践教学团队与精品课程，并积累一定的实验教学与管理经验后，搭建统一的虚拟仿真实验与管理平台。

（2）重点解决的关键问题。①虚拟与现实结合，解决资源共享问题。在现有实验教学平台基础上，开发信息化实验教学资源，立项建设一批校级虚拟仿真实验教学项目，并围绕虚拟仿真实验项目整合资源，完善实验、实习、实训教学体系，促进公共基础实验教学和创新创业教育统筹协调发展。②质量与效益统一，解决办学成本问题。推行线上线下混合式实验教学，将非必要实际操作的实验内容，如认知、验证、安全等原理性实验，通过虚拟仿真实验来实现，解决实验仪器设备贵且实验耗材成本高、实验场地固定且实验时间难以协调、传统的实验评估系统智能化程度低等难题，实验效果更理想。③基础与提升兼顾，解决功能拓展问题。利用虚拟仿真实验教学平台，在公共基础实验教学功能基础上，拓展创新创业教育功能，创建创新创业梦工场，全开放实验室，促进学生成才途径多元化。一方面指导学生在各类科技创新竞赛中获奖，另一方面培育学生创业项目和创业团队，孵化出若干个学生企业，产生经济和社会效益。④学校与企业合作，解决协同育人问题。探索产教融合机制，通过校企合作建立联合实验室、实施产学合作协同育人项目、合作研发虚拟仿真实验项目等方式，为学生发掘专业认知渠道，拓展专业视野和专业素养。

2.2 优化虚拟仿真实验教学项目

（1）明确虚拟仿真实验教学项目建设任务。自2017年起，教育部开展了国家虚拟仿真实验教学项目建设工作［14-15］。2019年，教育部将国家虚拟仿真实验教学项目纳入国家级一流本科课程的建设规划［16］。从本质上看，虚拟仿真实验教学项目（或虚拟仿真实验教学一流课程）的建设任务与虚拟仿真实验教学中心的建设任务相统一，旨在坚持问题导向，实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。然而，由于理解的局限性，不少课程教学团队在申报和建设虚拟仿真实验教学一流课程时，通常更多地着眼于课程自身的发展需求，不免会割裂实验项目、实验课程、实验室之间的内在关系，导致虚拟仿真实验教学项目与虚拟仿真实验教学中心的建设任务脱节，从而削弱了虚拟仿真实验教学项目的整体应用效果。虚拟仿真实验教学项目建设成为近期热门课题，引起广泛探讨。

（2）基于问题导向，精选虚拟仿真实验教学项目。我校立足于虚拟仿真实验教学中心建设任务，基于问题导向，针对真实实验项目条件不具备或实际运行困难的实验教学内容，精心选择，立项建设一批虚拟仿真实验教学项目。顶层设计，局部协调，整体优化，促使建设项目综合应用效益最大化。近年来，结合国家级虚拟仿真实验教学中心申报，实验教学示范中心先后立项建设了3个校级虚拟仿真实验教学项目——电子技术虚拟仿真实验教学项目（2018年）、电工技术与电工电子实习虚拟仿真实验教学项目（2019年）、智能小车控制系统虚拟仿真实验教学项目（2020年）。以上3个虚拟仿真实验教学项目的建设任务融合于虚拟仿真实验教学中心建设任务，具有很强的针对性、有效性和实用性，较好地解决了传统实验教学中“做不到”“做不了”“做不上”问题，发挥了示范作用。其中，电子技术虚拟仿真实验教学项目应用于模拟与数字电子技术实验中的多路数据采集与远程仪器测量；电工技术与电工电子实习虚拟仿真教学实验项目应用于电工技术实验中的生产过程控制与电力系统远程控制及电工电子实习中的安全用电知识、常用仪器仪表与软件工具共享使用；智能小车控制系统虚拟仿真实验教学项目应用于大学生创新实践中的智能小车运动控制与碰撞控制。

特别在2020年新冠肺炎疫情期间，一部分虚拟仿真实验教学项目投入线上实验教学，解决了“停课不停教”“停课不停学”的现实问题，师生反馈效果良好。同时，在后疫情时代，一部分虚拟仿真实验教学项目应用于全国大学生电子设计、全国大学生节能减排社会实践与科技、全国大学生智能汽车等相关竞赛的备战训练，既降价了成本，又提高了成效。

2.3 培养学生创新精神和实践能力

实验教学平台持续推行虚实结合举措，将创新创业教育贯穿于人才培养全过程，融入专业教育全方向，其成效最终反映在人才培养质量的提高。几年来，通过创新实验教学模式与方法，推动实验教学与现代信息技术融合，实现资源开放共享，实施线上线下混合式实验教学，变革教师与学生之间教与学关系，以学生为中心，学生自主学习为主、教师指导为辅，丰富教师教学方式和考核途径，提高学生创新精神和实践能力，取得一系列标志性成果。

（1）2019年，中国高等教育学会权威发布“2018年全国普通高校竞赛排行榜（本科）”，我校排名全国第一，在社会上产生了很大影响。尤其在全国大学生电子设计竞赛—2018年模拟电子系统设计邀请赛（TI杯）中，经电工电子梦工场培训的学生获荣2项全国一等奖，名列全国第一，为2018年我校各类竞赛总分排名全国第一做出了应有贡献。

（2）2020年，电工电子梦工场培训的学生获第十三届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛、全国大学生电子设计竞赛—2020年TI杯模拟电子系统设计邀请赛两项赛事全国一等奖。其中，在2020年全国大学生电子设计竞赛专题邀请赛中，全国48所高校91支队伍参赛，仅有5所高校获得全国一等奖，我校排名并列全国第二。同时，我校被组委会指定现场展示竞赛作品，并作为湖北省唯一获得全国一等奖高校，代表武汉地区高校发言，接受媒体指定采访，汇报如何克服新冠肺炎疫情不利影响，取得如此优异成绩。在颁奖典礼上，全国竞赛组委会领导、专家对我校及参赛学生给予了高度评价。

（3）近5年，电工电子梦工场培训学生1 000余人，在全国各类学科创新创业竞赛中，获奖学生400余人，获国家级奖30余项，省部级奖100余项。其中，在近4届的全国大学生电子设计竞赛—TI杯模拟电子系统设计邀请赛中，成绩突出，（2014年，2018年）获全国一等奖排名全国第一，2020年排名并列全国第二。

（4）经电工电子实验教学平台培训的学生，不仅专业基础扎实，学习成绩优异，而且创新能力强，综合素质高，品学兼优。几年来，大批学生在全国各类创新创业竞赛中获奖，在核心期刊发表研究论文或获批国家发明专利。由于科技创新成绩突出，电子信息类专业每年都有大量学生获免试攻读硕士学位研究生资格，在全校各类专业中名列前茅。其中，一些学生申请到中科院电子所、清华大学、上海交通大学等科研院所和高校免试攻读硕士学位或硕博连读；另有一些学生选择到华为、中兴、烽火等知名IT企业就业；还有一些学生自主创业，注册公司，销售自主开发的电子产品，产生经济和社会效益。

3 结 语

实验教学平台虚实结合的成效经过实践检验，在统筹协调虚拟仿真实验教学中心建设与实验教学示范中心发展两者关系基础上，通过加强实验教学资源信息化建设，完善虚拟仿真实验教学环境，优化虚拟仿真实验教学项目，从时间、空间、网络等多个维度，在人员、场地、仪器设备、软件与数据、课程与项目、技术与资金等多个方面，推动实验教学与现代信息技术深度融合，拓展实验教学示范中心资源，提升资源开放共享水平，促进实验教学示范中心内涵发展，提高学生综合设计和创新能力，助力拔尖创新人才脱颖而出。