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电工电子虚拟仿真实验教学系统构建

发布时间:2022-11-14

编辑人:灵图互动

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电工电子类课程是工科院校电类和部分非电类专业必修的专业基础课程,其实验环节的实践性较强,在整个学生培养体系中起着承上启下的作用,为后续专业课程的学习奠定基础,同时对于培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力具有重要意义。

电工电子虚拟仿真实验教学系统建设方案突破了空间、时间、条件的限制,具有高度灵活性和扩展性,能够结合工程实际模拟复杂的工程项目,也能实现传统实验室受条件限制不能完成的实验内容。同时,虚拟仿真实验形式新颖,内容丰富多样,容易激发学生的研究兴趣和创造性,开拓学生视野,对培养创新型人才起到不可忽视的作用。通过真实实验与虚拟仿真实验虚实结合的方式进行电工电子专业教学,可以极大的提升教学效率。

电工电子虚拟仿真实验教学系统构建主要包含四个部分:虚拟仿真实验教学平台、虚拟仿真实验教学体系、虚拟仿真实验教学管理平台及拟仿真实验教学资源。

1. 虚拟仿真实验教学平台

遵循专业建设联系人才培养、教学活动与科研工作相互渗透、理论实践互促共进以及虚拟仿真与实物设施互相补充等原则,进行网络化、分布式虚拟仿真实验教学平台的构建。

电工电子虚拟仿真实验教学平台包括电类专业虚拟仿真实验、非电类专业虚拟仿真实验、EDA 类虚拟仿真实验、远程虚拟仿真实验室以及 PLC 组态软件 5 大模块,同时,进行基础课程虚拟仿真实验、综合与设计虚拟仿真实验、创新实践以及工程导向4大教学层次的划分,各模块、各层次相互补充与融合,进行电工电子虚拟仿真实验项目的共同研发,为集合基础设计型实验—综合设计型虚拟仿真实验—创新设计型实验—工程实践、校企合作、科研转化型项目等多种形式的立体化实验教学的开展提供平台支撑。

电工电子虚拟仿真实验教学平台以网络虚拟实验环境为基础,利用虚拟现实技术进行各种实验设备与部件的制作,有逼真的互动虚拟实验,可自同步显示动画及相关原理文字,并能按任意方向旋转实验设备模型等。

电工电子虚拟仿真实验教学平台具有快速下载大量并行用户与渲染动态场景的功能,学生可在虚拟环境中体验真实实验无法实现的操作与过程,观察真机实训无法观察到的部件结构工作原理。人机交互界面可共享信息,有利于学生学习兴趣的激发。系统为多人同时在线学习提供支持,学生上机操作与学习不受时间及地点的束缚。

虚拟仿真实验教学平台

2. 虚拟仿真实验教学体系

结合电工电子系列课堂教学、实验教学与综合工程训练所需,进行虚实结合、互为补充的虚拟仿真实验教学体系的建设,对学生实施电类与非电类基础课程虚拟仿真教学、综合设计型虚拟仿真教学、创新实践型虚实结合实验教学以及工程导向型实践教学,由浅入深、循序渐进开展分层分类教学,提高学生工程实践能力及创新能力,为加强学生课外科技活动指导、开展电子设计竞赛、工程训练等提供良好的平台。

3. 虚拟仿真实验教学管理平台

实验教学与实验管理平台虚拟仿真实验教学中心至关重要的一个部分,可进行实验教学教师、学生、教务、企业、课程、资源以及师生互动交流与系统等一系列管理。主要包含以下5个模块:

3.1 用户管理模块

    用户管理模块把用户分为:游客、学生、教师、管理者四个角色,可以针对各个角色进行权限设置。

教师可分类、上传与下载虚拟实验资料,并生成、加密试题库,亦能根据开放的实验内容评价学生实验学习过程及结果,更新数据记录。

学生可借助数字化的实验教学资源在线模拟、仿真与观摩实验教学内容。

3.2 综合选课模块

综合选课系统是实验课程和预习实验的管理平台,包括课程管理模块、实验管理模块、选课模块、系统管理模块等,功能完整。学生在该平台在线选课可以在一定限度内自由调课,既做到了开放教学,又对学生的权限做了约束。学生也可以在该平台在线预习,系统能够自动为预习结果打分并保存,通过信息化的手段有效地提高了教师和学生的效率。

3.3 考核管理模块

考核管理模块主要用于反馈学生的学习情况。系统通过交互式练习与大量题目检查学生对知识的掌握情况,出现问题之时采用课件点播与在线指导等方式解决,通过自测与考试对学生掌握实验课程相关知识的情况作进一步的检查。

3.4 虚实结合实验设备及其在线管理模块

中心所有仪器,如示波器、信号源、电源、万用表等,均有无线上网功能,可通过网络控制调整参数、在线读取实验数据。中心自主研发的实验箱控制软件也兼容中心的综合平台。

3.5 实验中心网站模块

中心网站的主要作用是整合实验资源,发布新闻和各类信息,起到对外展示和交流的作用,实现优质资源的开放共享。中心十分重视这项信息化建设工作,不仅设置了独立的IP和服务器,还派专人负责网站的更新和维护。中心网站运行良好,具有较好的对外宣传和辐射作用。

虚拟仿真实验教学管理平台

4. 虚拟仿真实验教学资源

坚持开放共享、虚实结合与拓展共享理念进行虚拟仿真教学资源库的设计,彰显实验资源的“高精尖”“现代化”与“职业化”特色。同国内顶尖公司合作共同研发虚拟仿真实验教学软件,与实体实验教学资源相结合,打造“一体两翼多平台”的实验教学项目。

以虚拟场景制作仿真实训工具为支撑模拟实验制作流程,让学生切身参与不同虚拟仿真设计与场景设计,保证所开发资源的不可替代性与可移植性,在对实验空间与实践的延伸过程中提高学生学习兴趣及设计能力,确保实验效果及效率。

虚拟仿真实验教学资源可将实验成本高、大型综合训练以及难以保证环境、硬件与安全的实验项目借助虚拟仿真实验教学完成;大型昂贵的实体实验可借助共建产业实践基地完成;而一些基础性的实验与一般性的技能训练则可通过实体实验进行实训。在设计虚拟仿真实验资源的过程中,将实验资源整合、教学科研结合以及校企联合“三合”理念体现出来,提高资源真正与全面共享的可能性,以此促进资源开放与推广应用。最终将虚拟仿真实验资源集中在以下4个方面:

4.1 预习实验

将虚拟仿真实验引入课前预习。例如实验台的基本连线操作,测试仪器(如示波器、万用表)的使用等。将这些预习内容做成虚拟仿真实验,实验界面使用实验台和仪器的真实面板,学生可在课前通过虚拟仿真实验熟悉仪器设备的基本使用和操作方法,教师在课堂上就可以省略仪器设备的讲解环节,直接进行实验,节省课堂时间,提高教学质量。

4.2 高危实验

高危实验指实验条件具有危险性,在实验过程中有人身安全隐患,或者可能造成仪器设备损坏的实验项目。例如二极管极限参数测试、强电高电压测试等实验,这些实验项目不能通过真实实验完成,在传统教学过程中只能通过教师口头讲述。而将这些高危实验项目做成虚拟仿真实验后,不但能让学生有更直观的了解,对他们理解理论知识也有很大的帮助。

虚拟仿真实验教学资源

4.3 高成本实验

高成本实验指复杂的综合性工程类实验项目。例如智能家居控制,车间

流水线控制等实验,这类实验虽然能够通过真实实验模拟,但是受实验室条件限制,只能按比例缩小或模拟原理,与实际工程环境差别较大,学生的实验体验并不好,而且实验成本高,维护复杂,在实际中并不适用。而通过虚拟仿真实验教学中心,就可以完全模拟真实的工程环境,学生的操作也更灵活,并且实验成本低,从各方面均优于真实实验。

4.4 虚实结合远程实验

电工电子虚拟仿真实验教学系统建设了虚实结合模块化远程实验箱和云端硬件虚实结合实验平台,具有虚实结合、易操作性、学习型强、功能型强、模块选择性好、虚拟应用环境真实直观的特点,方便兄弟院校直接远程使用。学生可以远程登录虚拟仿真实验平台,在虚拟仿真界面上进行布线、数据测试等实验操作;通过这种方式,学生可以远程进行一部分实验操作,再到实验室进行一部分实验操作。大量实验活动都可以在学生的课外时间随时随地进行,极大地调动了学生的积极性,培养了学生的创新能力。


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