成人教育电子信息类专业虚拟实验教学

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摘要：结合虚拟实验室技术的发展与应用情况，从有效缓解实验教学资源不足、培养学生自主学习能力、培养学生实践创新意识3个维度，探讨了基于虚拟实验的电子信息类专业成人教育实验教学模式改革的必要性；初步提出了一种基于MatlabWebServer的成人教育电子信息类课程远程虚拟实验平台实现方案，并探讨了基于问题导向的教学方式与基于虚拟实验的教学方式相结合的成人教育实验教学新方式。

关键词：民族地区地方高校；成人高等教育；电子信息类专业；实验教学改革；远程虚拟实验

1问题提出

实践教学作为人才培养的关键环节，对于学生实践能力的培养起到了至关重要的作用。特别是在以通信工程、电子信息工程专业为代表的电子信息类专业中，相当多的专业基础课及核心课程实践性都非常强。显然，加强电子信息类专业成人教育学生实践创新能力培养对保障人才培养的质量有着重要作用。由于高等教育扩招，高校实验室资源普遍紧张。在这种背景下，原本已经偏少的成人教育实践环节很容易受到挤占。以吉首大学信号与系统、数字电路、模拟电路实验室为例，每年要承担全日制电子信息工程、通信工程、电气工程及自动化、电子科学与技术、机械电子工程等专业大量实验任务，很难再安排成人教育学生的实验任务。有些成人教育专业为此减少甚至取消相应课程实验，而没有取消实验的课程实验时间也难以保证。如何加强实验条件建设以保证电子信息类专业成人教育学生的实践动手能力培养，成为摆在高等教育者面前一项亟需解决的重要课题。远程虚拟仿真实验基于互联网技术构建，近几年以其低成本、部署方便灵活的优点引起了广大教学与科研工作者的兴趣。这种新实验手段主要借助网络通信技术及仿真软件，使用户可以在智能手机、iPad、移动电脑等终端随时随地远程模拟完成相应实验任务，加深对所学课程理论知识的理解。如果将远程虚拟实验技术引入到成人教育电子信息类专业学生课程教学过程，将能在一定程度上缓解由于实验资源缺乏造成的课程实践环节培养缺失的问题。因而，探索在“互联网＋”环境下，基于虚拟实验教学，综合利用现有通信技术、移动互联技术等实现电子信息类专业成人教育改革具有特别重要的实际价值。

2虚拟实验室发展概况

1989年，美国WilliamWolf教授提出了虚拟实验室概念。远程虚拟实验室通过网络技术、虚拟现实、虚拟仪器等技术创建出一个可视化的实验环境，通过鼠标点击以及拖曳等交互性操作，位于网络服务器任何一个终端的学生都可以在虚拟实验室中进行虚拟实验。利用虚拟实验室，学生可通过网络亲自动手操作实验仪器，观察实验过程并在此基础上分析相关实验结果［1－2］。美国、英国等国家一直十分重视虚拟实验室的研究与开发，并设有专门基金［3］。虚拟实验室在国外高校主要应用于工程技术、控制工程、物理学以及一些其它通用性课程的实验教学［4－6］。学习者可以通过网络远程登陆进行在线实验。这些实验系统功能强大，教学效果反馈很好［7］。我国教育部于2013年启动国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作。目前，全国已建设有300个国家级虚拟仿真实验教学中心，涵盖工学、理学、农学、医学、管理学等11个主要学科领域，涌现出一批理念先进、特点突出的建设成果［7－13］。从实施效果看，虚拟实验室教学模式具有节省实验教学资源、降低实验成本、提高实验效率、方便互动学习、提高实验自主性与灵活性等显著优点，在实践创新性人才培养方面发挥了重要作用［2］。目前针对成人教育远程虚拟实验教学改革的研究相当缺乏。覃焕昌等［14］探讨了网络环境下虚拟实验室教学及其趋势，指出利用虚拟实验室进行实验教学尤其是开展成人教育已成为一种趋势，将成为未来实验教学的重要途径与方式；单鸣秋等［15］探讨了远程信息化教学在《中药分析学》成人教育中的应用，指出该课程实验教学方法的改革与创新，突破了教学时间与空间限制，解决了成人教育中多种矛盾，提高了学习效率与教学效果。

3实验教学模式改革必要性

3．1缓解实验教学资源不足，培养应用型人才

吉首大学地处经济欠发达地区，学校经费有限，不可能如企业一样随时紧跟时展建设相应实验室。正如上文所言，成人电子信息类专业学生实践环境面临更加严峻的挑战。如何让学生加深理论知识的理解、掌握必需的实践技能、及时了解与掌握最新技术，是成人电子信息类专业教育需要解决的重要课题。相比于传统实验教学，虚拟仿真实验教学的引入不仅可以满足上述需求，在灵活扩充实验内容、开阔学生视野、节约实验经费等方面更是具有显著优势。

3．2改变传统实验教学模式，培养学生自主学习能力

基于实验箱的验证性实验是传统实验教学模式的主要弊端，很容易造成“说明书＋操作”的教学形式。在这种情况下，学生只要参考实验操作流程，按部就班就能完成实验。但这种过程是封闭的，不能很好培养与锻炼学生的实践与创新能力。如果引入虚拟仿真实验，不仅可以灵活加入多种设计性实验内容，还可以开放实验过程中的关键环节，让学生清楚了解整个实验过程，加深对理论知识的理解；同时学生通过自主设计可以获得不同形式的实验结果，引发对实验的深层次思考，激发强烈的学习兴趣。因此，学生通过完成虚拟仿真实验可以培养自己的独立思考能力，激发自主学习能力，培养创新精神与实践能力，而这正是成人教育学生学习的主要目的。

3．3设计虚拟仿真项目，培养学生实践创新意识

实验教学是教学活动重要环节之一，与之相对应的是课堂理论教学。理论教学的内容可以通过实验方法进行科学验证或展开演绎，这样不仅能加深学生对理论知识的理解与掌握，同时在实验过程还可以培养学生的创新意识与科学严谨的作风。但电子信息技术的发展日新月异，设备更新换代频繁。囿于硬件环境，很多实验项目不具备在真实环境中完成的条件。虚拟仿真技术则完全突破了上述限制，只要通过软件编程实现相关实验项目即可，以软件方式代替硬件设备，经济有效。

4远程虚拟实验平台与实验教学模式改革

4．1虚拟实验室系统架构

远程虚拟实验平台采用浏览器／服务器模式，客户端用户借助电脑或者手持式设备就可以在任何地方进行仿真实验操作，无需额外安装其它专用软件。Matlab凭借强大的处理功能与数据可视化能力，已成为电子信息类专业教学与科研领域最常用的应用仿真软件。该软件提供的网络服务组件MatlabWebServer（MWS）为建立数据的远程分析与处理提供了现实解决方案［16］。因此，成人教育电子信息类课程远程虚拟实验室在设计过程中可以采用Matlab作为开发与实现的平台。该平台在浏览器／服务器模式技术构架下，依托Matlab服务组件与IISWeb服务器的协作，完成随机信号分析与处理的远程仿真实验。主要环节包括：①远程虚拟实验平台的MWS核心组件matweb．exe负责从HTML页面提取数据并将它们传送给MWS的另一个核心组件matlabserver．exe进行处理；②matlabserver．exe通过Matlab启动与调用实现实验数据分析与处理功能的M文件以完成仿真任务；③处理完毕之后，计算结果将被存入特定的数据结构，最终以HTML网页方式通过IISWeb服务器传送到客户端浏览器以显示信号分析与处理结果；④配置文件matlabserver．conf可以用来设置合法的并发进程数目等参数，而matweb．conf则用以存放matweb连接matlabserver的配置参数信息。为完成一些信号测量与控制、信号传输与处理等电子信息类专业课程中比较复杂的虚拟仿真实验项目，可以采用基于Matlab与Labview、Systemview等专业软件进行混合编程的方式加以处理与实现。通过COM组件技术，这些软件提供了专门接口与Matlab进行数据交互，使得用户可以较为方便地进行一些复杂的电子信息类专业课程远程虚拟实验项目的设计与开发。

4．2虚拟实验室实现

下面以电子信息类专业核心课程为切入点，简单说明成人教育电子信息类专业虚拟实验课程的实现方法。虚拟实验项目顶层设计应将课堂理论教学与实验实践教学统筹设计，实验教学环节设计应遵循“突出基础、重视综合、体现开放与创新”原则，形成一种以“基础→综合→设计与创新”为主线的成人教育电子信息类专业实验教学体系。（以电子信息类专业中经典的专业基础核心课《信号与系统》为例）。远程虚拟实验平台具体技术实现层面，主要包括Web服务器组建与配置、基于MWS的MatlabM文件建立、输入与输出、HTML网页设计等3部分。远程虚拟实验项目具体技术实现过程可参考文献［16］。本文对基于MWS的远程虚拟实验项目设计与编程实现进行了详细介绍。

4．3问题为导向与虚拟实验教学方式融合

电子信息类各专业具有很强的实践特征，传统教学授课形式枯燥、知识更新慢、师生缺少互动。以问题为驱动的PBL（ProblemBasedLearning）教学法则以学生的主动学习为中心，变被动学习为主动学习，相对于传统教学方式更能有效激发成人教育电子信息类专业学生的学习能动性。但PBL教学在提高学生实践能力方面作用有限，虚拟实验教学则恰好可以弥补PBL这方面的不足。以信号的频谱分析为例，首先通过合理设计相关问题，将傅里叶变换理论基础知识、FFT变换等相关知识点融入到问题当中，并针对每个问题予以适当提示，在此基础上让学生广泛查找文献、收集材料；学生可以使用电脑或者移动终端等，非常方便地通过基于MWS的远程虚拟仿真实验平台自主对上述问题进行实验验证与分析。一方面，学生在实验的分析与验证过程中，可以进一步加深对相关问题的理解；另一方面，教师也可以通过服务器收集学生相关实验数据记录，及时了解与掌握学生学习问题，采取相应措施改进教学方式与方法，提高教学效果。

5结语

如何加强实验条件建设以保证电子信息类专业成人教育学生的培养质量成为摆在民族地区地方高校成人教育管理者面前一项亟需解决的重要课题。本文结合目前虚拟实验室技术的发展与应用情况，从有效缓解实验教学资源不足、培养学生自主学习能力、培养学生实践创新意识3个维度，探讨了基于虚拟实验的电子信息类专业成人教育实验教学模式改革的必要性。在此基础上，初步提出了一种基于MatlabWebServer的成人教育电子信息类课程远程虚拟实验平台实现方案，并探讨了基于问题导向的教学方式与基于虚拟实验的教学方式相结合的成人教育实验教学新方式。目前在全日制电子信息类专业实践能力的培养过程中，远程虚拟实验教学改革已有一定的研究与探讨，而在成人教育领域的探讨则相当缺乏。本文研究结果对于开展“互联网＋”环境下成人教育电子信息类专业远程虚拟实验教学模式的改革具有一定参考价值。

作者：雷可君 田筱鸿 杨喜 单位：吉首大学