高梦杰1 倪晓昌1* 芦宇1 魏丽丽2
（1天津职业技术师范大学 天津市 300222
2河北吴桥县职业技术教育中心 河北沧州061800）
摘要：本文通过文献研究，对近些年国内外虚拟仿真技术的发展和职业院校电类课程教学中应用虚拟仿真技术的现状进行探究，发现主要分为虚拟仿真实训平台建立和仿真软件的应用两种，授课应用中通过与虚拟仿真技术结合，进行系列教学改革。本文列举一些典型案例，以期在案例设计和教学效果中发现虚拟仿真技术未来的应用发展趋势。
关键字：虚拟仿真技术；职业教育；电类课程
2019年2月23日中共中央、国务院印发的《中国教育现代化2035》指出：要把形成高水平的人才培养体系作为中国优质教育发展的重点，把中国的优质教育做到具有特色的世界先进水平行列；需要做到三点，一是提高职业教育发展水平；二是优化人才培养结构；三是注重应用型、技能型、复合型人才的培养，为建成国家需要的知识型、技能型、创新型劳动大军作出贡献[1]。种种诱因下，引发了很多学者对职业教育变革的思考，同时职业教育也为我国的经济社会发展提供了大量的优质人才和创新力量的支撑。其中，虚拟仿真技术以它在职业教育教学中的应用价值赢得了研究者和广大师生的关注，自虚拟仿真技术在教育行业中应用时起，就产生了很大的影响，尤其是在教学方法、教学手段等方面的改革。
一、国外虚拟仿真技术在教育中的应用
虚拟仿真技术（Virtual Reality，简称VR），又称虚拟现实技术或者灵境技术, 它能够模拟真实世界的图像、声音和现象等，实现途径是需要通过先进的科学技术进行创建虚拟世界。国外是最早将虚拟仿真技术应用在教育教学中的，二十世纪末期，被广泛采用，有一定的研究成果，值得我国学习和创新。二十一世纪，出现了“多用户虚拟环境平台”，这些平台支持真人进行模拟、实验、角色扮演和互动，实现方式是建立与自己有联系的3D虚拟人物。其中Second Life作为典型的开发平台之一，被用到对比实验中，效果显著[2]。国外还开发了很多虚拟仿真软件，并应用于教育教学中。如加拿大一家IT公司开发的仿真软件Multisim，在各大高校广泛使用。在美国和加拿大地区，已经有近90%的中学和大学的电工电子课程中运用EWB软件进行教学，不论是理论课还是实验课中进行辅助教学都是非常普遍的[3]。国外高校在虚拟仿真软件的应用的基础上也开展了虚拟仿真实验教学。美国新媒体联盟发布的《国际教育信息化地平线报告》认为虚拟仿真技术是国内外实验教学应用较多的、最有前景的信息化技术之一，并且能够对国内外教育领域产生重要影响。国外高校虚拟仿真实验教学的主要类别与基本形式（见表1）[4]。
表1 国外高校虚拟仿真实验教学的主要类别与基本形式[4]
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英国开放大学通过构建三维虚拟环境（Second Life）与课程结合展开教学，让学生能够在线学习和通过远程控制实验，实现虚拟仪器资源共享，达到远程交互的效果；美国凯斯西储大学创建的Think[box]，给予了学生无限的空间进行探索，可根据自己的设想运用激光切割机和3D打印机等设备进行设计与操作。虚拟实验仿真教学使得实验室不再是冰冷的器件组成，变得生动、有生机起来，改换了学生学习消极的情绪，并且能够自主探究式的学习。虚拟仿真技术与教育的融合在大部分科学学科上体现出来，并且偏向了实践性、动手操作性强的课程内容。
二、VR技术在国内职业院校电类专业的应用现状
（一）应用虚拟仿真软件的案例
虚拟仿真技术在电子课程教学上的应用主要是虚拟仪器和仿真，虚拟仪器是通过软件实现真实仪器的功能。以下列出几种典型虚拟仿真软件应用：
1．Ewb（Electronics Workbench）仿真软件和MATLAB仿真软件的应用
Ewb仿真软件和MATLAB软件最早出现并在我国迅速推广。Ewb软件只有十几兆，具有占用内存小和仿真功能强大的特点，使用方法是选择所需器件，并对器件进行参数修改和连接，根据要求选择功能，得出仿真结果。顾娜在数字电子技术和模拟电子技术课堂中开展案例教学，将Ewb仿真软件和硬件实验结合的方法辅助教学，提高了学生电路设计创新能力和实验环节的效率[5]。 MATLAB软件的Simulink平台可进行电路仿真实验：通过启动Simulink，同样的找出所需器件进行连线，完成电路建模。参数的设置需要双击对应图标，按照提示进行输入，完成一系列的设置之后，点击simulation parameters选项，可以选择波形周期的个数，点击仿真图标，仿真结果则需双击虚拟示波器图标，以波形的形式呈现，供实验者分析。
2．Multisim仿真软件的应用
张红宾等在“二阶有源低通滤波器实验”实例教学中，分为了仿真和验证两部分[6]。仿真过程是以Multisim进行电路图仿真，通过设置参数，使用虚拟仪器观察输出结果。第二部分是搭建实际电路并验证，测试运用到了NI的ELVISⅡ套件，通过USB连接PC，原型电路板只需完成电路连接，通过相应的仪器面板即可设置参数，即可比较仿真和验证的结果。运用“虚实结合”的方法，不仅让学生更注重动手操作和实验结果的分析，也促进了电子类仿真教学的发展。
赖春香对电子技术课程中的整流电路及滤波的作用进行讲解，运用Multisim可以在很短的时间内教授完成，在仿真电路图中双击虚拟仪器，直观的展示出整流电路各级分量和输出波形[7]。而在整流电路仿真电路图上加入一个滤波电容，双击示波器，就可以观察滤波后的波形，这样做实验对比，学生非常清楚地掌握滤波的作用，印象也会更加深刻。结合建构主义理论，激活学生原有的经验，在此基础上促进学生知识的重构与再生长。在理论课教学中，用Multisim软件创设一个虚拟仿真电路的情境，将难以理解的理论和公式转化为易于接受和理解的图像化，再经过老师相应地引导，培养学生探究式学习的习惯。实验教学中，在虚拟仪器上进行仿真实验操作，完成实验。
3．Proteus仿真软件的应用
Proteus软件的应用可以解决平时因器件太小而难以示范的现象，解决单片机及其电路的设计仿真问题，还可以展示器件在家用电器等生活中的实际应用。吴誉在他的研究中设计了详细的教学过程，并以MQ-3酒精传感器为应用案例进行展示[8]。选取酒精气敏元件和集成电路LM3914元件进行建构电路图，实现饮酒之人向探头吹气时一排发光二极管发生亮灭的现象，可以根据亮灯的数量判断酒精浓度的高低。然后用Proteus软件根据酒精探测仪的原理图设计出仿真电路图，找不到的元器件可用相同原理的替代元件进行仿真。这样的教学方法可以减少元器件的损耗，在修改元器件参数或者有创新想法时，非常有效的避免了浪费，也提高了真实物体设计的成功率。
高职电类实验课以前大多数是以实验箱的方式进行验证性实验，整个实验过程学生都是按部就班，不需要明白电路原理，也不必有创新性，就可以做完实验。在proteus虚拟实验中，不仅可以自行搭建、修改与调节电路，还可以直观观测实验参数的电流流向，波形以及实验结果等，让学生有兴趣学习，并且乐在其中。实践证明，Proteus仿真软件的应用，促使学生养成自由探索的精神。仿真教学与仿真技术是互相推动，是不断向前发展的。通过虚拟环境熟悉仪器、仪表和元器件，掌握它们的用法和特性，在此基础上进行实操，实现“理实一体化”的教学。
4．LabVIEW仿真软件的应用
LabVIEW可以进行虚拟仿真实验，还可以进行虚拟仪器的设计以及使用，主要是通过前面板进行参数设置，运行仿真程序框图即可。如单通道示波器仿真仪器例子中，通过LabVIEW搭建单通道虚拟示波器仿真前面板，非常容易操作，然后建立单通道虚拟示波器仿真程序框图，通过简易明了的方式进行辅助教学，不仅学到了理论知识，还掌握了电子仪器的操作方法，减少真实仪器的损坏[9]。一些高职院校如北京电子科技职业学院，都建立了NI LabVIEW实验室。在电类课程的实际应用中，通过NI ELVIS和NI ELVISmx一起使用。在软件上面进行电路仿真，通过NI ELVISⅡ开发板创建真实电路，还可以用SFP进行调试、修改。典型RC电路实验中，在NI ELVISⅡ开发板上搭建RC瞬态电路，搭建成功之后可以关闭NI ELVISⅡ。开启LabVIEW软件，选择文件夹中的RC Transient.vi，通过LabVIEW对应的程序方框图设计，设置每一个序列中相关的参数，直至程序编码成功，就可以点击LabVIEW的图表，观察本电路显示的充放电波形。
三、结束语
综上所述，职业院校的电类专业基础课程有单片机技术、电工技术、电子技术等，这些课程设置中，实践教学是必不可少的，但建设实验室和购买实验器材需要投入大量资金。在教学上运用虚拟仿真技术，不仅可以缓解这些问题，还能弥补传统教学的不足，而且不受时间、空间的限制，提高教学效率。仿真教学也让学生有机会自主学习和创新，实现学生学习被动变主动的教学目标。未来虚拟仿真技术将与职业院校的相应课程教育教学互相推动前进，职业教育界推广虚拟仿真技术在教育教学中的应用势在必行。
参考文献：
[1]中共中央国务院印发《中国教育现代化2035》[N]. 人民日报, 2019-02-24.
[2]Luis M. Beltrán Sierra,Ronald S. Gutiérrez,Claudia L. Garzón-Castro. Second Life as a support element for learning electronic related subjects: A real case[J]. Computers & Education,2011,58(1): 291-302.
[3]董艳雯. 仿真法在中职《模拟电子技术》教学中的应用研究[D]. 华中师范大学, 2016.
[4]王卫国, 胡今鸿, 刘宏. 国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J]. 实验室研究与探索, 2015,34(05): 214-219.
[5]顾娜, 季肖枫. EWB仿真软件在电子技术教学中的应用[J]. 软件导刊(教育技术), 2018,17(08): 85-88.
[6]张红宾, 赵二刚, 张颖. 虚拟仿真在电子类实验教学中的应用探讨[J]. 实验室科学, 2015,18(3): 44-47.
[7]赖春香. Multisim仿真软件在中职电子技术基础课程教学中的应用探究[J]. 技术与市场, 2016,23(05): 188-189.
[基金项目] 本文系教育部产教协同育人项目（201901256003）天津市普通高等学校本科教学质量与教学改革研究计划项目（B201006606）
[作者简介] 高梦杰（1995.01-），女，汉，河南省驻马店市人，天津职业技术师范大学电子工程学院2019级硕士研究生，主要研究方向为职业技术教育（信息技术）。