民族地區(qū)地方高校成人教育電子信息類專業(yè)遠程虛擬實驗教學改革初探

雷可君，田筱鴻，楊 喜

(1.吉首大學 信息科學與工程學院;2.吉首大學 繼續(xù)教育學院，湖南 吉首 416000)

1 問題提出

實踐教學作為人才培養(yǎng)的關鍵環(huán)節(jié)，對于學生實踐能力的培養(yǎng)起到了至關重要的作用。特別是在以通信工程、電子信息工程專業(yè)為代表的電子信息類專業(yè)中，相當多的專業(yè)基礎課及核心課程實踐性都非常強。顯然，加強電子信息類專業(yè)成人教育學生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)對保障人才培養(yǎng)的質(zhì)量有著重要作用。

由于高等教育擴招，高校實驗室資源普遍緊張。在這種背景下，原本已經(jīng)偏少的成人教育實踐環(huán)節(jié)很容易受到擠占。以吉首大學信號與系統(tǒng)、數(shù)字電路、模擬電路實驗室為例，每年要承擔全日制電子信息工程、通信工程、電氣工程及自動化、電子科學與技術、機械電子工程等專業(yè)大量實驗任務，很難再安排成人教育學生的實驗任務。有些成人教育專業(yè)為此減少甚至取消相應課程實驗，而沒有取消實驗的課程實驗時間也難以保證。如何加強實驗條件建設以保證電子信息類專業(yè)成人教育學生的實踐動手能力培養(yǎng)，成為擺在高等教育者面前一項亟需解決的重要課題。

遠程虛擬仿真實驗基于互聯(lián)網(wǎng)技術構建，近幾年以其低成本、部署方便靈活的優(yōu)點引起了廣大教學與科研工作者的興趣。這種新實驗手段主要借助網(wǎng)絡通信技術及仿真軟件，使用戶可以在智能手機、iPad、移動電腦等終端隨時隨地遠程模擬完成相應實驗任務，加深對所學課程理論知識的理解。如果將遠程虛擬實驗技術引入到成人教育電子信息類專業(yè)學生課程教學過程，將能在一定程度上緩解由于實驗資源缺乏造成的課程實踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)缺失的問題。因而，探索在“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下，基于虛擬實驗教學，綜合利用現(xiàn)有通信技術、移動互聯(lián)技術等實現(xiàn)電子信息類專業(yè)成人教育改革具有特別重要的實際價值。

2 虛擬實驗室發(fā)展概況

1989年，美國William Wolf教授提出了虛擬實驗室概念。遠程虛擬實驗室通過網(wǎng)絡技術、虛擬現(xiàn)實、虛擬儀器等技術創(chuàng)建出一個可視化的實驗環(huán)境，通過鼠標點擊以及拖曳等交互性操作，位于網(wǎng)絡服務器任何一個終端的學生都可以在虛擬實驗室中進行虛擬實驗。利用虛擬實驗室，學生可通過網(wǎng)絡親自動手操作實驗儀器，觀察實驗過程并在此基礎上分析相關實驗結果[1-2]。

美國、英國等國家一直十分重視虛擬實驗室的研究與開發(fā)，并設有專門基金[3]。虛擬實驗室在國外高校主要應用于工程技術、控制工程、物理學以及一些其它通用性課程的實驗教學[4-6]。學習者可以通過網(wǎng)絡遠程登陸進行在線實驗。這些實驗系統(tǒng)功能強大，教學效果反饋很好[7]。我國教育部于2013年啟動國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作。目前，全國已建設有300個國家級虛擬仿真實驗教學中心，涵蓋工學、理學、農(nóng)學、醫(yī)學、管理學等11個主要學科領域，涌現(xiàn)出一批理念先進、特點突出的建設成果[7-13]。從實施效果看，虛擬實驗室教學模式具有節(jié)省實驗教學資源、降低實驗成本、提高實驗效率、方便互動學習、提高實驗自主性與靈活性等顯著優(yōu)點，在實踐創(chuàng)新性人才培養(yǎng)方面發(fā)揮了重要作用[2]。

目前針對成人教育遠程虛擬實驗教學改革的研究相當缺乏。覃煥昌等[14]探討了網(wǎng)絡環(huán)境下虛擬實驗室教學及其趨勢，指出利用虛擬實驗室進行實驗教學尤其是開展成人教育已成為一種趨勢，將成為未來實驗教學的重要途徑與方式；單鳴秋等[15]探討了遠程信息化教學在《中藥分析學》成人教育中的應用，指出該課程實驗教學方法的改革與創(chuàng)新，突破了教學時間與空間限制，解決了成人教育中多種矛盾，提高了學習效率與教學效果。

3 實驗教學模式改革必要性

3.1 緩解實驗教學資源不足，培養(yǎng)應用型人才

吉首大學地處經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)，學校經(jīng)費有限，不可能如企業(yè)一樣隨時緊跟時代發(fā)展建設相應實驗室。正如上文所言，成人電子信息類專業(yè)學生實踐環(huán)境面臨更加嚴峻的挑戰(zhàn)。如何讓學生加深理論知識的理解、掌握必需的實踐技能、及時了解與掌握最新技術，是成人電子信息類專業(yè)教育需要解決的重要課題。相比于傳統(tǒng)實驗教學，虛擬仿真實驗教學的引入不僅可以滿足上述需求，在靈活擴充實驗內(nèi)容、開闊學生視野、節(jié)約實驗經(jīng)費等方面更是具有顯著優(yōu)勢。

3.2 改變傳統(tǒng)實驗教學模式，培養(yǎng)學生自主學習能力

基于實驗箱的驗證性實驗是傳統(tǒng)實驗教學模式的主要弊端，很容易造成“說明書+操作”的教學形式。在這種情況下，學生只要參考實驗操作流程，按部就班就能完成實驗。但這種過程是封閉的，不能很好培養(yǎng)與鍛煉學生的實踐與創(chuàng)新能力。如果引入虛擬仿真實驗，不僅可以靈活加入多種設計性實驗內(nèi)容，還可以開放實驗過程中的關鍵環(huán)節(jié)，讓學生清楚了解整個實驗過程，加深對理論知識的理解；同時學生通過自主設計可以獲得不同形式的實驗結果，引發(fā)對實驗的深層次思考，激發(fā)強烈的學習興趣。因此，學生通過完成虛擬仿真實驗可以培養(yǎng)自己的獨立思考能力，激發(fā)自主學習能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神與實踐能力，而這正是成人教育學生學習的主要目的。

3.3 設計虛擬仿真項目，培養(yǎng)學生實踐創(chuàng)新意識

實驗教學是教學活動重要環(huán)節(jié)之一，與之相對應的是課堂理論教學。理論教學的內(nèi)容可以通過實驗方法進行科學驗證或展開演繹，這樣不僅能加深學生對理論知識的理解與掌握，同時在實驗過程還可以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識與科學嚴謹?shù)淖黠L。但電子信息技術的發(fā)展日新月異，設備更新?lián)Q代頻繁。囿于硬件環(huán)境，很多實驗項目不具備在真實環(huán)境中完成的條件。虛擬仿真技術則完全突破了上述限制，只要通過軟件編程實現(xiàn)相關實驗項目即可，以軟件方式代替硬件設備，經(jīng)濟有效。

4 遠程虛擬實驗平臺與實驗教學模式改革

4.1 虛擬實驗室系統(tǒng)架構

遠程虛擬實驗平臺采用瀏覽器/服務器模式，客戶端用戶借助電腦或者手持式設備就可以在任何地方進行仿真實驗操作，無需額外安裝其它專用軟件。

Matlab憑借強大的處理功能與數(shù)據(jù)可視化能力，已成為電子信息類專業(yè)教學與科研領域最常用的應用仿真軟件。該軟件提供的網(wǎng)絡服務組件Matlab Web Server(MWS)為建立數(shù)據(jù)的遠程分析與處理提供了現(xiàn)實解決方案[16]。因此，成人教育電子信息類課程遠程虛擬實驗室在設計過程中可以采用Matlab作為開發(fā)與實現(xiàn)的平臺。該平臺在瀏覽器/服務器模式技術構架下，依托Matlab服務組件與IIS Web服務器的協(xié)作，完成隨機信號分析與處理的遠程仿真實驗。主要環(huán)節(jié)包括：①遠程虛擬實驗平臺的MWS核心組件matweb.exe負責從HTML頁面提取數(shù)據(jù)并將它們傳送給MWS的另一個核心組件matlabserver.exe進行處理；②matlabserver.exe通過Matlab啟動與調(diào)用實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)分析與處理功能的M文件以完成仿真任務；③處理完畢之后，計算結果將被存入特定的數(shù)據(jù)結構，最終以HTML網(wǎng)頁方式通過IIS Web服務器傳送到客戶端瀏覽器以顯示信號分析與處理結果；④配置文件matlabserver.conf可以用來設置合法的并發(fā)進程數(shù)目等參數(shù)，而matweb.conf則用以存放matweb連接matlabserver的配置參數(shù)信息。

基于MWS的成人教育電子信息類專業(yè)核心課程遠程虛擬實驗平臺系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 遠程虛擬實驗平臺系統(tǒng)架構

為完成一些信號測量與控制、信號傳輸與處理等電子信息類專業(yè)課程中比較復雜的虛擬仿真實驗項目，可以采用基于Matlab與Labview、Systemview等專業(yè)軟件進行混合編程的方式加以處理與實現(xiàn)。通過COM組件技術，這些軟件提供了專門接口與Matlab進行數(shù)據(jù)交互，使得用戶可以較為方便地進行一些復雜的電子信息類專業(yè)課程遠程虛擬實驗項目的設計與開發(fā)。

4.2 虛擬實驗室實現(xiàn)

下面以電子信息類專業(yè)核心課程為切入點，簡單說明成人教育電子信息類專業(yè)虛擬實驗課程的實現(xiàn)方法。

虛擬實驗項目頂層設計應將課堂理論教學與實驗實踐教學統(tǒng)籌設計，實驗教學環(huán)節(jié)設計應遵循“突出基礎、重視綜合、體現(xiàn)開放與創(chuàng)新”原則，形成一種以“基礎→綜合→設計與創(chuàng)新”為主線的成人教育電子信息類專業(yè)實驗教學體系。該體系結構如圖2所示(以電子信息類專業(yè)中經(jīng)典的專業(yè)基礎核心課《信號與系統(tǒng)》為例)。遠程虛擬實驗平臺具體技術實現(xiàn)層面，主要包括Web服務器組建與配置、基于MWS的Matlab M文件建立、輸入與輸出、HTML網(wǎng)頁設計等3部分。遠程虛擬實驗項目具體技術實現(xiàn)過程可參考文獻[16]。本文對基于MWS的遠程虛擬實驗項目設計與編程實現(xiàn)進行了詳細介紹。

圖2 《信號與系統(tǒng)》虛擬實驗體系結構

4.3 問題為導向與虛擬實驗教學方式融合

電子信息類各專業(yè)具有很強的實踐特征，傳統(tǒng)教學授課形式枯燥、知識更新慢、師生缺少互動。以問題為驅(qū)動的PBL(Problem Based Learning)教學法則以學生的主動學習為中心，變被動學習為主動學習，相對于傳統(tǒng)教學方式更能有效激發(fā)成人教育電子信息類專業(yè)學生的學習能動性。但PBL教學在提高學生實踐能力方面作用有限，虛擬實驗教學則恰好可以彌補PBL這方面的不足。以信號的頻譜分析為例，首先通過合理設計相關問題，將傅里葉變換理論基礎知識、FFT變換等相關知識點融入到問題當中，并針對每個問題予以適當提示，在此基礎上讓學生廣泛查找文獻、收集材料；學生可以使用電腦或者移動終端等，非常方便地通過基于MWS的遠程虛擬仿真實驗平臺自主對上述問題進行實驗驗證與分析。一方面，學生在實驗的分析與驗證過程中，可以進一步加深對相關問題的理解；另一方面，教師也可以通過服務器收集學生相關實驗數(shù)據(jù)記錄，及時了解與掌握學生學習問題，采取相應措施改進教學方式與方法，提高教學效果。

5 結語

如何加強實驗條件建設以保證電子信息類專業(yè)成人教育學生的培養(yǎng)質(zhì)量成為擺在民族地區(qū)地方高校成人教育管理者面前一項亟需解決的重要課題。本文結合目前虛擬實驗室技術的發(fā)展與應用情況，從有效緩解實驗教學資源不足、培養(yǎng)學生自主學習能力、培養(yǎng)學生實踐創(chuàng)新意識3個維度，探討了基于虛擬實驗的電子信息類專業(yè)成人教育實驗教學模式改革的必要性。在此基礎上，初步提出了一種基于Matlab Web Server的成人教育電子信息類課程遠程虛擬實驗平臺實現(xiàn)方案，并探討了基于問題導向的教學方式與基于虛擬實驗的教學方式相結合的成人教育實驗教學新方式。目前在全日制電子信息類專業(yè)實踐能力的培養(yǎng)過程中，遠程虛擬實驗教學改革已有一定的研究與探討，而在成人教育領域的探討則相當缺乏。本文研究結果對于開展“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下成人教育電子信息類專業(yè)遠程虛擬實驗教學模式的改革具有一定參考價值。