1、 山东现代职业学院 2013年教研教改立项项目 申请书 项 目 名 称： 虚拟仿真技术在机电类课程 教学中的应用研究 项 目 主持人： 刘杰 申请学院（系）： 汽车技术学院 联 系 电 话： 0531-89705104 E-mail: 填 表 日 期 ： 2013 年 10 月 18 日 山东现代职业学院制 一、简表 第 1 页，共 11 页 项目名称 虚拟仿真技术在机电类课程教学中的应用研究 起止时间 2013.11 2014.10 项目申请人 姓 名 刘杰 性别 女 民族 汉 出生年月 1985.3 专业技术职务行政职务 讲师 最终学位授予国家 硕士 主要教学工作简历 时 间 课程名称
2、授课对象 学时 所在单位 2011.9 2011.12 数字电子技术 10 应用 电子技术 64 山东现代职业学院 2012.2 2012.6 单片机原理及应用 11 机电 一体化 64 山东现代职业学院 2012.9 2012.12 单片机原理及应用 11 应用 电子技术 72 山东现代职业学院 2013.2 2013.6 传感器原理及应用 12 机电 一体化 64 山东现代职业学院 主要教学科研成果 时 间 项目名称（位次） 获奖情况 项 目 组 总人数 高 级 中 级 初 级 博 士 硕 士 参加单位数 4 1 1 2 1 1 主要成员 序号 姓 名 性 别 出生年月 专业技术 职 务
3、工作单位 签 章 1 刘杰 女 1985.3 讲师 山东现代职业学院 2 赵桂芳 女 1965.1 高级工程师 山东现代职业学院 3 张金友 男 1984.12 助工 山东现代职业学院 4 冯兴岚 女 1984.3 助工 山东现代职业学院 其他成员姓名： 第 2 页，共 11 页 二、立项依据 项目的研究意义、国内外研究现状分析 （一）、虚拟仿真技术在机电类课程教学中的应用研究意义 作为高职院校的机电类专业，其 人才培养的目标是培养出面向生产、管理、服务一线需要的高端技能型人才，面向的工作岗位主要有机电一体化装备和产品的设计、制造、装配、操作、调试、维修和售后技术服务等，机电行业范围很大，产品
4、种类很多，而且工种也很多，因此在教学过程中需要学生掌握很多技能。但是，实验实训设备毕竟是有限的，这就需要我们探索新的教学方法。 仿真技术是继数学推理与科学试验之后认识世界自然规律的第三类基础方法。虚拟仿真教学是指利用实物和计算机软件共同模拟出真实的情境，让学生在模拟的情境下进行探究和学习。这种教学方法生动形象，很接近现实工作场 景，有利于提高学生兴趣，使学生在短时间内进入相应情境，真实的体验在现实生活中进行操作的感觉，以达到更快掌握操作技能的目的，而且这种教学方法可以利用计算机软件的优势创造出灵活多样的工作场景，使学生掌握更多的操作技能。 机电类课程的教学，在传统的教学模式中，理论课与实验课是
5、分离的，这就导致技能训练得不到及时的理论指导，而理论课也没有结合生产、生活实际，这样导致了学生的技能掌握不到位。随着教学改革的发展，出现了“项目教学”、“教、学、做”一体化等新型的教学模式，但在这些新的教学模式下采用的技能训练通常有两种：第一 种是仅限于实验箱提供的几个固定实验，学生只需按图接好线、按实验指导书输入程序就可完成实验，学生动手机会少，不能真正地参与到学习活动中；第二种是通过制作一些实际的实验电路板或实物，然后在上面进行安装、试验和调试，大大提高了学生的动手能力，但是实际操作时要受到设备数量、品种等方面的限制，而且耗时大，占用课时太多，耗材的消耗量也很大，成本高。 虚拟仿真 教学则
6、 以其高效率、低成本、内容丰富 、 性能有效和安全等优势得到越来越多的应用和推广。 因此应该将“项目教学”、“教、学、做”一体化和虚拟仿真教学的方法结合起来，充分发挥 各自的优点，得到更好的教学效果。 虚拟仿真教学很容易与其他先进的教学方法相结合，因此在机电类课程的教学中，将虚拟仿真教学与其他教学方法相结合有助于提高课程教学效果，而且成本低、效率高，使学生可以不受场地与设备的限制，掌握更多的技能，在机电类课程的教学中具有重要的意义。 第 3 页，共 11 页 （二）、国内外的研究现状 虚拟仿真技术为人们提供了一个理想的教学手段，目前在国内和国外已经逐步的应用于军事训练、课程教学、运动训练 以及
7、 医学研究 等方面 。 美国是虚拟仿真技术的起源地，现在美国虚拟仿真技术的发展水平也比较高，在这个领域代表了国际先 进水平，也是第一个把虚拟仿真技术应用在教育教学中的 ，目前 在感知、用户界面、后台软件和硬件等几个方面，形成了一个比较系统的虚拟仿真教学仪器架构。 美国的卡罗莱纳州立大学利用 Java 技术建立了基于 Web 的探索式虚拟物理实验室，主要有以下几个模块：基于 Java Applet 的虚拟实验设备和实验设施；相关的实验课程模块；实验学习结果评价模块；协作学习模块。 在欧洲，英国在虚拟仿真技术的相关领域处于领先地位 ，研究出了 虚拟仿真软件包，并应用在教学仪器和工业安全培训 等 方
8、面。 英国的 诺丁汉大学在教育和学术方面对虚拟仿真技术进行 了 研究与探索，其目标主要在于探索桌面虚拟仿真的输入设备应用上。此外，该小组还和其他学校紧密合作，将其系统应用在了学习上有困难和身体残疾的学生教育中。 在中国，各个大学和研究机构也已经利用虚拟仿真技术建立虚拟场景进行相关领域的教学仪器与研究。例如，中国科技大学 开发出 第一套基于虚拟仿真 的 教学仪器系统 -利用虚拟仿真技术进行几何光学实验平台的开发，系统将计算机辅助教学仪器的智能化仪器、计算机技术、虚拟仿真和物理教学仪器等有机结合，把物理教学仪器系统推进了新的领域。 北京润尼尔网络科技有限公司以北京邮电大学强势的 网络、通讯、电子三
9、门学科为基础，采用 Java Applet 技术、 B/S 结构、 J2EE 框架，为解决高校日趋紧张的实验设备及实验场地等实验教学问题，由北京邮电大学网络教育技术研究所组织精英力量，经过多年研究，开发出了配套的可在校园网络上开展的虚拟实验系统。 通过对国内、外的虚拟仿真教学系统相比较，我们发现：国外在线实验比国内开发的时间早 10 年以上，而且器材丰富、功能也比较多；但同时国外软件产品价格过高，而且技术难度上不也适合学生，更适合工程师使用，国外很多成熟的实验产品尚不支持网络化操作，只能安装到本地计算机上 独立运行，没有配套的教学管理和知识辅助学习，而北京邮电大学的虚拟仿真教学软件很大程度上改
10、善了这些不足之处，更加适合国内高等院校的实验教学需求。 第 4 页，共 11 页 三、项目实施方案及实施计划 （一）、具体研究内容、研究目标和拟解决的关键问题 1、具体研究内容及目标 本研究将以国家中长期教育改革和发展规划纲要（ 2010 2020 年）以及 国家中长期人才发展规划纲要（ 2010-2020 年） 等文件精神为指导，基于建构主义和混合式学习理论，按照高等职业教育工学结合课程改革的基本要求，以就业为导向，根据机电专业技术领域和职业岗 位的任职要求，参照职业资格标准，与行业企业合作进行课程开发，选取课程内容。按职业能力目标的层次和类型，遵循学生学习能力培养的基本规律，以真实工作任务
11、及其工作过程为依据，整合、优化教学内容，由简到繁、由易到难、循序渐进地设计典型项目和学习任务，利用虚拟仿真教学的优势，实现更高水平的“教、学、做”一体化。 在具体的实施过程中，本项目欲根据高职院校在机电类专业教学中的实际情况，探索出一系列切实可行的虚拟教学方案。通过调研，本项目计划在以下几个方面做出具体研究： 第一、 科学分析学生特征及企业需求，进一步加强教学内容与教学 方法的改革 课题组将采取问卷调查和访谈的方式对学生的学习特征与学习需求进行认真调查和分析，以便更加深入的了解学生的预备知识、年龄特征和学习需求。在组织教学内容时，结合高职学生的学习特点以及本专业最新技术、一线工程案例和企业真正
12、需求，借助虚拟仿真技术，构建更加接近现实工作场景的教学情境。在课堂教学中，将各种先进的教学方法有机融合，提高课堂教学效果。 第二、 积极探索，构建虚拟仿真教学模式 对于几门重要的专业课，如电子技术、单片机技术等通过调查分析找到合适的仿真软件，制定出具体的教学方案，并且应用在新学期的教学过程中， 通过理论分析和实际的教学活动，探索出虚拟仿真教学在专业课程中的最佳应用办法。 第三、 校企合作，共建更高水平的实验、实训基地 高职学校教学质量的提高，离不开高水平的教学条件和教学设备的支持，而且这些教学环境必须与企业真实工作场景相似，因此在有限的时间、有限的条件下让学生接触到更多工作场景就显得尤为重要。
13、虚拟仿真教第 5 页，共 11 页 学具有较强的扩展性和较大的开放性，能够提供灵活多样的工作场景。与企业密切合作，打造更多更真实的工作场景有助于学生技能的掌握，也是对实训条件的极大改善。 第四、 师生合力，共同打造最合理的虚拟教学环境 在课程改革过程中，需要专业课老师结合课程内容和目标，开发出适合各专业的虚拟仿真教学环境以及实验实训教学软件。学生是课堂的主体，在教学过程中更应该考虑的学生的反应和需求，根据学生的反馈不断改进教学方法。 2、项目拟解决的关键问题 本项目拟解决的关键问题在于将虚拟仿真教学和高职教学的特点真正结合起来，设计最合适的教学情境，在最大化的节约教学硬件设备的基础上，将虚拟仿
14、真与项目教学有机结合，创设出更多更接近企业现实的教学情境，创造适合不同课程的虚拟仿真环境。 （二）、实施方案、具体实施计划（含年度进展情况）及可 行性分析 1、实施方案 本研究将在深度分析学生学习特点和企业真正需求的基础上，在建构主义学习理论和混合式学习理论的指导下，按照高等职业教育工学结合课程改革的基本要求，结合虚拟仿真教学设计的基本原则，借鉴信息化和项目教学设计方法，探索基于典型项目和工作任务的虚拟仿真教学模式，实现“教、学、做”一体化教学设计。 该模式由“项目导入”、“制定计划”、“实施计划”和“成果展示与评价”四个环节组成，其中虚拟仿真教学贯穿了该模式的所有环节。下面简单介绍该模式的具
15、体实施方案： （ 1） 在“项目导入”环节，任课教师的活动包括三个内 容： 第一、 借助虚拟实验平台，导入项目任务及目标、展示项目结果，让学生对项目有一个直观的认识，然后再布置具体的学习任务； 第二、 利用虚拟实验环境，让学生明确自己应当完成的具体任务和完成任务后可以得到哪些知识以及达到什么样的水平； 第三、 在充分考虑学生的现有知识和能力水平的基础上，按照适合协作学习的分组办法对学生进行分组，安排具体的完成时间和成果的评价方式等。 第 6 页，共 11 页 （ 2） 在“制定计划”环节，学生通过自主学习、小组协作学习等方式，对该项目的任务目标进行分析，确定任务所涉及的各种要素，充分应用已掌握
16、的前序知识，基于虚拟仿真实验平台进行决策， 确定任务的实施步骤，为任务的实施做好充分的准备。 （ 3） 在“实施计划”环节，学生在虚拟仿真实验平台上按照已制定好的计划逐步完成项目任务。教师借助虚拟仿真实验平台对学生进行指导，实现教师和学生以及学生之间的交流。学生通过应用已学习的知识完成工作任务，进行知识的建构，形成职业岗位能力。 （ 4） 在“展示与评价”环节，学生在虚拟仿真实验平台上展示自己的项目成果，然后接受他人的评价和教师的反馈。同时，学生在汇报和听取同学汇报的过程中，通过对比自己与其他同学的成果，查找不足，反思其成败。 该方案只是一个初步的思路，在具体的教学活动 中，还要根据教学过程中
17、出现的问题不断完善。 2、具体实施的进度如下： （ 1） 2013.11-2014.2，对两门主干专业课进行具体分析，设计出主要的教学情境及教学方法 （ 2） 2014.3-2014.6， 对以上两门课程在新学期的教学中采用虚拟仿真教学方法，结合具体的教学过程与教学效果边教学、边总结、边改进，得出比较合理的教学方案 （ 2） 2014.7-2014.10，根据具体的授课情况做深一步的研究，最终以公开发表论文的形式作为项目的研究成果 3、项目的可行性分析 虚拟仿真教学是高等教育信息化建设和实验教学示 范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物。教高司函 201394 号文件指出：
18、为贯彻落实教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见（教高 2012 4 号）精神，根据教育信息化十年发展规划（ 2011-2020 年），经研究决定开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作。可见，虚拟仿真教学得到了国家政策的大力支持。 目前有很多软件，比如 Proteus, Keil, Multisim 等都为机电类专业课的教学提供了仿真的条件，这为虚拟仿真教学的实施提供了基础。 第 7 页，共 11 页 本项目具有较合理的项目团队，成 员都具有丰富的教学经验，保证了本项目的研究水平和质量。同时项目受到学院的大力支持，为项目的实施提供了充分的保障。 （三）、项目预期的成果和效果（包括成果形式、实
19、施范围等） 1、项目的成果形式 （ 1）提交学生特征问卷调查表以及企业需求调研报告。 （ 2）提交基于虚拟仿真教学技术的电工电子技术、单片机技术两门课程的具体教学课件。 （ 3）以结题报告和公开发表论文的形式对本项目的研究成果作出总结。 2、项目的实施范围 本项目的研究成果将直接应用于高职院校机电类学生的专业课教学，并且可以推广到其他专业的教学中，使教学效 果得到显著改善。 （四）项目的特色、创新点及推广价值 1、项目特色及创新点 本项目将虚拟仿真教学与项目教学更加紧密的结合起来，更好的实现了“教、学、做”一体化，并且在显著改善教学条件、提高教学效果的同时减少了设备消耗，尤其是耗材的使用量，节
20、省了实验经费，而且克服了时间与空间上的限制，使实践课的开课率和学生的操作技能得到明显提高。 2、项目的推广价值 本项目的研究成果可以推广到其他专业的教学中，而且扩展性强，可以根据教学需要，灵活添加实验器材、教学软件和典型教学情境，不会因为科 技的进步和企业的发展而落后于企业的需求。 第 8 页，共 11 页 四、教学改革基础 第 9 页，共 11 页 1、已进行过的相关研究及成果 本项目团队已经对学生的学习特点做出了初步的问卷调查并对企业的需求做出了初步调研，而且在课堂教学中已经在尝试使用虚拟仿真的教学方法。 2、学校已具备的教学改革基础和环境，学校对项目的支持情况（含有关政策、经费及其使用管
21、理机制、保障条件等，可附有关文件），尚缺少的条件和拟解决的途径 山东现代职业学院成立专门的部门对本项目的申请和实施提供便利条件，这对于本项目的实施具有很大的帮助。 尚缺少的条件： 在启动本项目之前，参与本项目的成员只是在教学过程中的某些章节尝试着使用虚拟仿真的教学方法，尚未进行系统的使用，因此缺乏实践。 拟解决的途径 本项目的研究拟以山东现代职业学院 13 级机电一体化专业为主要研究对象，在课堂教学中系统的使用虚拟仿真教学方法，并将虚拟仿真教学与其他教学方法有机融合，再结合学生学习过程中出现的问题和教学效果的反馈，对教学方法进行逐步完善，形成一套完善的教学方法。 3、申请者和项目组成员所承担的
22、教学改革和科研项目情况 1. 刘杰，于海鹰，霍佃恒等 .基于光纤光栅的加速度传感系统研究 J,山东建筑大学学报， 2009， 24（ 3）： 203-206 2. 刘杰，于海鹰，霍佃恒等 .基于熔融拉锥过耦合器的光纤光栅解调系统研究 J，光电子技术， 2009， 29（ 3）： 154-157（中文核心期刊） 3. 刘杰，于海鹰，王锦妍等 .FBG 传感器在民用建筑健康检测中的应用研究 J，应用光学， 2009， Vol.30 Sup： 152-156（中文核心期刊） 4. 刘杰，赵成刚，李文娜 .光纤传感器在物联网中的应用 J，硅谷， 2012， 6：3-4. 5刘杰，王忠凯，张蕾 .浅谈单片机的绪论教学 J，教育教学论坛， 2012， 11：172. 6. 刘杰计算机文化基础教程，参编，哈尔滨工业大学出版社； 7. 刘杰计算机文化基础实验指导，副主编，哈尔滨工业大学出版社。 8.赵桂芳 CAD 在机械加工中的应用 J，科技致富向导， 2012.10
