虚拟仿真实验平台在测控专业实验教学中的应用

刘旭玲 杜文辽 高燕飞 王良文 金少搏

摘要：开展虚拟仿真实验教学是国家教育体系信息化和新工科体系改革的直接体现，也是未来高校实验教学发展的基本方向。文章总结测控专业实验教学的特点，提出建立虚拟仿真实验平台的必要性，分析虚拟仿真实验平台在测控专业课程实验教学中的应用优势和作用，并提出虚拟仿真实验平台在测控专业实验教学中的应用方法。

关键词：虚拟仿真实验平台；测控专业；实验教学

深化高校人才培养过程中的教学模式改革，加强实践教学，是深化新工科教育体系改革和培养社会所需人才的必然要求，也是国家全面提高教育质量和加快推进教育现代化的重要内容。测控专业是电子电路、精密机械、光学检测、自动控制、信息技术、智能传感与网络传输等多学科渗透交叉的综合学科。学生所学的过程检测控制、检测技术及应用、仪器总线技术等专业课，均需要用到与课程内容配套的相关教学实验平台。

在测控专业人才培养中，实验教学对培养学生实践技能、工程素养与创新能力具有重要作用。实验教学中涵盖实训、实践、实验与实习等环节，但这些环节需要高校投入合适的实验室场地、大量的课程时间和高昂的建设经费，而且传统实体实验设备简单、实验内容单一、涵盖知识散乱，而开发新的实验手段又问题颇多。因此，高校急需开发虚拟仿真实验平台，弥补传统实体实验教学的不足。为加强对实验教学信息化工作的宏观指导与管理，教育部先后出台《关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》和《教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》等文件，文件明确指出高等教育实验教学应与信息技术深度结合，从广度和深度上拓展实验教学内容，打破传统实验教学的地域限制，全面提高实验教学质量。

一、测控专业实验的特点

测控技术是以科研和工业生产领域为应用背景，基于现代感知技术、机械工程技術、数据处理技术、计算机技术、先进制造技术、精密控制技术、网络传输技术等多学科渗透交叉的宽口径复合型专业人才培养模式，是基于工程实践经验发展而来的学科。在教育信息化和新工科体系改革背景下，测控专业未来将朝着信息化、网络化、智能化的方向发展，其核心课程涉及的实验教学均具备如下特点：第一，测控专业是多学科融合交叉形成，因此专业课实验内容涵盖知识点多且综合性较强；第二，实验从整体设计、传感器选型、整体制备、检测和数据处理、撰写实验报告等需要时间较长。第三，由于实验设备和学时限制，每个学生在分组中只负责部分实验内容，不熟悉整个实验工序，制约了学生全程、直接参与，导致学生对整体课程实验缺乏认知。

学生实践知识体系较为片面，缺乏对课程实验的整体认知，工程实战经验更是甚少体验，这与新工科改革背景下工程教育认证以“学生为中心，产出为导向”的核心理念相违背，更无法培养学生解决复杂工程问题能力。

二、测控专业实验教学机制存在的问题

（一）没有重视学生的个性培养

新时代教育理念要求求同存异、以人为本和因材施教，然而目前高校的实验教学模式是以实验指导书的内容为主，学生按照实验指导书的要求和步骤生硬模仿，千篇一律。这种实验教学模式忽略了学生接受程度、认知程度、兴趣爱好、职业取向等个体差异，造成学生只是被动接受所学知识，并非工程教育认证所提倡的自主学习。交叉融合的测控专业应该培养复合型人才，因此需要新颖的实验教学平台帮助学生提炼和构建完整的知识体系。

（二）限制学生的想象力与创造力

传统实体实验教学模式主要是采用“实验指导书+讲解+模仿+合作完成”的教学模式进行人才培养，限制了学生想象力的发展，学生难以发挥自主性和创造性，这违背了工程教育认证“产出导向”的核心理念，难以为社会培养高素质人才。同时，高校传统实验室存在设备老化、侧重点不同、设备规范繁多、管理制度陈旧、地域限制、网络空间限制等方面的不足，无法为交叉学科测控专业学生提供理想、复合、多功能的环境，学生在实验过程中只能浅尝辄止，不能获得自主、沉浸式学习体验，不利于建立完整的学习体系。

（三）缺乏智能测控新工科理念

如今，测控行业向着智能化、网络化、数据化方向发展。在新工科导向下，测控专业应以智能感知和数字化发展为专业导向，为社会各行业提供智能化检测技术。然而，在传统实验项目中，学生时常有抄袭实验报告、“等靠拖”、机械式完成实验的现象，教师很难仅通过调整传统实验方案实现因材施教，导致无法培养出高素养的复合型人才。建立体验式实践教学环境是实现新工科教育体制改革的必需条件，但是目前高校测控专业普遍缺乏面向新工科的创新支撑实验教学平台和灵活多样的实践学习模式，如何在新工科背景下建设测控专业智能实践教学环境，是体现教学改革的重要因素。

三、虚拟仿真实验平台在测控专业教学中的优势和作用

（一）虚拟仿真实验平台在测控专业教学中的优势

首先，虚拟仿真教学实验平台具有教学地域灵活，时间可选、可重复，节能等优点，建立网络化的虚拟仿真实验平台是对实体实验设备与内容的拓展。其次，虚拟仿真实验平台具有的可视化动态仿真流程与结果的功能，对学生直观感受实验现象、体验实验流程、分析实验结果、加深综合理论知识有良好的辅助效果。最后，虚拟仿真实验紧密结合教学、科研与工程实践，将最新技术理念、成果与方法融入实验教学，能提高学生的实践创新能力和科研能力，真正发挥资源开放和体验式实验的功能，为测控专业建立信息化智能实践教学环境指明方向。

以检测技术及应用课程为例。该课程包含温度和压力检测、变送控制实验、液位、流量、含量变送、控制实验等实验内容，且实验内容需要组态软件编程，且该实验数据采集周期较长，实验准备工作烦琐。传统实验是采用三容水箱仪器总线实验台，每组实验从实验设计、传感器选型、组态程序编制、面板连线、物理信号采集和实验数据采集至少需要3天至5天时间。

例如，三容水箱温度采集周期较长，室温从20℃到60℃需要12小时左右，且实验准备工作烦琐，学生一般很少有耐心观察传感器测量数值的变化曲线过程。另外，实验学时有限，一般为2学时，所以学生能观察的温度变化范围只有约0.5℃，这个变化范围无法反映传感器的测量动态特性、水温变化控制过程、水温稳态波动范围和精度等内容。而且，学生需要屏幕操作显示软件组态王进行编程，但只靠2学时的实验课堂，学生可能连组态王基本功能都不理解，更谈不上随需编程。

针对上述问题，教师可以借助虚拟仿真实验平台，让学生通过网络平台进行操作，应用课外时间就能完成整个实验过程。这样一来，学生能直观地了解工业生产过程，体会沉浸式学习的快乐，同时满足新工科时代学生时间碎片化、空间网络化的学习特点，提高学生的学习效率。

（二）虚拟仿真实验平台在测控专业教学中的作用

高校可以应用虚拟仿真实验平台创新和整合实验教学资源，建立创新、复合、自主学习、终身学习的人才培养实验教学体系，构建虚实结合、开放互享、功能多样、资源优化、运行高效、高效仿真的虚拟实验环境，激发学生自发学习、自主实验和创新实践的兴趣。教师应用虚拟仿真实验平台能推动实验教学信息化与智能测控专业的高效融合，加强实验教学资源智能化、网络化、数字化的信息化建设，并在信息化技术支撑下，持续改进和创新实验教学模式与方法。虚拟仿真实验平台有成本适宜、直观生动、工程实景、客观真实等优渥特性，能为测控专业建立信息化智能实践教学环境指明方向。

四、虚拟仿真实验平台在测控专业教学中的应用

学生依托网络环境，借助网络终端实践教学设备登录虚拟仿真实验平台系统，点击需要做的实验项目，通过在线自主选择模块，搭建虚拟实验平台，设置器件性能参数，完成实验教学内容。

以仪器总线技术课程中的实例——冶金行业火力发电厂为例，虚拟仿真平台能实现包括温度、压力、液位、流量等基本物理量的信号调节和指示，汽包内水位的开环/闭环回路控制，汽包内蒸汽温度过高报警与处理，工艺流程记录，手动/自动操作，各基本物理量的瞬态检测，实时处理，信息记录，即时/历史趋势图，工艺流程过程细节，报表生成，系统误操作，数据采集与传输，历史数据处理与分析等操作。学生可以根据自己的想法，任意组合虚拟设备，搭建需要的虚拟实验项目平台，根据项目需求选择合适的虚拟传感器，工艺流程中的物理量通过虚拟实验平台在线检测，记录实验数据，查看实验结果，总结得出实验报告，并在虚拟仿真实验平台上传。

例如，某学生想观测汽包内水位变化过程，设定汽包内初始水位为0米，目标水位为2.5米，入口流量设定为4.0升/分钟，出口流量设定为0.5升/分钟，液位传感器选择GUY5，选择控制方法为经典PID控制方法，控制精度设定为0.001。学生可以根据自己选定的参数观察液位上升和稳态过程，稳态过程液位波动范围是否在2.499～2.501米内变化，传感器动态测量过程是直线式、分段直线式、有规律上升曲线，还是无规律上升曲线。教师根据审阅实验报告和搭建实验平台的合理性、操作过程是否恰当给予打分，保证了考核方式的多样化和学生成绩的相对公平性。

在教育信息化、新工科建设、工程教育认证的大背景下，依据已有虚拟仿真实验项目的操作经验，教师应该优化虚拟仿真实验结构，持续改进实验教学，拓展虚拟仿真新资源，提高现有虚拟仿真实验平台的性能，使虚拟仿真实验平台成为一个体系完善的在线实验教学资源，实现教学成果评价体系多样化。

综上所述，高校开展虚拟仿真教学是未来智能测控专业实践教学信息化改革发展的有效途径，能在智能测控专业理论和实践教学的基础上，促进现代化信息技术与实验教学项目深度连接到新型实验教学环境中，形成实践教学线上与线下相结合的信息化实践教学体系。教师整合并共享多门硬件类课程资源，加强课程间的延续性和课后的拓展性，能更好地培养学生的创新能力、综合分析能力和工程素养。总之，该项教学实验项目改革必将推动我国高等教育“变轨超车”，铸造高等教育强国梦。

参考文献：

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[5]简泽明，冯铭锋，刘梦然，等.测控专业虚拟仿真实验平台设计[J].科技视界，2022（12）.

基金项目：2021年度河南省高等教育教学改革研究与实践项目，项目编号：No.2021SJGLX 192；2021年度郑州轻工业大学校级教改项目，項目编号：No.063。

（作者单位：刘旭玲，杜文辽，王良文，金少搏 郑州轻工业大学机电工程学院；高燕飞 铁道警察学院公安基础教研部）