基于Proteus虚拟仿真技术的机械类专业实验教学模式研究与实践

付会凯 王益普

摘  要 通过构建基于Proteus虚拟仿真技术的实验教学环境、实施基于项目学习的方法，在机械类专业开设的单片机原理及应用等电学课程中进行基于Proteus虚拟仿真技术的实验教学模式应用，该模式能够充分调动学生积极性和主观能动性，自主完成验证型和综合设计型实验，开展研究性学习、创新性训练，在实验教学过程中取得较好的教学效果。

关键词 Proteus;虚拟仿真技术;机械类专业;实验教学

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2020）18-0125-04

Research and Practice of Experimental Teaching Mode for Mechanical Majors based on Proteus Virtual Simulation Tech-nology//FU Huikai， WANG Yipu

Abstract By constructing an experimental teaching environment based on Proteus virtual simulation technology and implementing a project-based learning method， Proteus-based virtualization is used in electrical courses such as Single-chip Microcomputer Principles and Applications offered by our schools mechanical major. The application of the experimental teaching mode of simulation techno-logy can fully mobilize the enthusiasm and subjective initiative of students， independently complete verification and comprehensive design experiments， and carry out research-based learning and inno-

vative training. It has achieved good teaching results in the experi-mental teaching process

Key words Proteus; virtual simulation technology; mechanical; experimental teaching

1 前言

国家“十三五”规划纲要指出实施制造强国战略，深入实施《中国制造2025》，推进信息技术与制造技术深度融合[1]。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》提出加强大学生的实践能力的培养目标要求[2]。在地方应用型高等院校机械类专业课程教学中，实验教学对提高教学效率与质量，培养学生实际动手能力及创新思维能力，培养高素质综合应用型专门人才等方面，起着非常重要的作用。

目前，各高等院校机械类专业在开设的电工技术、电子技术、单片机原理及应用等课程教学过程中[3]，虽借助现有电子技术手段构建实验教学平台，但并未达到预期效果，特别是随着现代电子技术的飞速发展，针对具体某一课程实施的方法及手段已经不能够满足学科课程交叉融合的发展趋势。

基于Proteus虚拟仿真技术的实验教学模式的实验环境不受实验室场地、时间的限制，弥补了实验仪器仪表和电子元件的不足。推行基于Proteus虚拟仿真技术的实验教学模式，采用基于项目、基于问题、基于案例的教学方法，支持学生开展研究性学习、创新性训练，充分调动学生积极性和主观能动性，鼓励学生树立开展自主探究性学习的实验、实践教学新模式理念，培养学生工程实践操作能力、专业综合训练设计能力和科技创新设计能力等三种能力[4-5]。

2 现状分析

现有实验教学环境存在的问题分析  目前，高等院校的现有机械类专业电类课程实验教学环境大多存在以下几个方面的问题。

1）实验教学仪器设备不能得到高效的管理和维护。高等院校现有电类课程实验室种类有很多，如电工技术、电子技术实验室、单片机原理及应用实验室等，在每门具体课程实验室中，都有数量众多的仪器设备种类（如用于提供信号源的各类信号源仪器设备，用于测量实验数据的各类测试仪器仪表，用于学生进行电路连接的各种实验箱等），学生实验分组多，实验中心有限的师资难以进行高效的管理和维护。

2）实验教学环境不能持续保持先进性。基于硬件设备手段构建的实验教学环境跟不上科学技术的快速发展，新型仪器设备、新器件日新月异。

3）实验教学效率与质量不能有效提高。现有实验教学大多采取封闭式教学模式，在很大程度上降低了學生做实验的兴趣和动力，实验教学效果与质量就很难得以保证。同时，固定式验证实验也在一定程度上限制了学生的思维，不利于学生创新思维能力的培养。

4）不利于促进学生“从概念到产品”认识的形成。高等院校现有电类课程进行测量观察的固定式验证实验，不能适用和满足三个模块（基础课程、专业课程、专业拓展）、三个层次（基础通识、综合训练和创新研究）的实验教学目标，不能满足学生工程实践操作、专业综合训练设计和科技创新设计等方面能力的培养。

5）不利于开展创新性研究。高等院校现有电类课程实验教学环境是基于硬件的实验平台，只能在有限几种器件或实验板上进行实验教学研究，不利于开展创新性研究。

6）不利于培养学生的实验兴趣及创新思维能力。高等院校现有电类课程实验教学环境受实验室场地、时间的限制，不利于激发学生的实验兴趣，培养学生的创新思维能力。

基于Proteus虚拟仿真技術的实验教学环境建设的必要性

1）机械类专业学生实践现状及引入虚拟技术的必要性。在机械类专业学生实验实训以及综合创新能力培养中，有一些是真实实验不具备或难以完成的教学内容，如机械设备内部结构不易观察，机床拆装、复杂模具装配等真实实践训练学生参与程度低，还有一些训练成本高、消耗大、不可逆、存在安全隐患，以至于学生的实践动手能力不强、创新意识不够和创新能力不足，已经成为制约应用型机械类专业本科人才培养质量提升的瓶颈。

在基于Proteus虚拟仿真技术的机械类专业电类课程实验教学环境建设中，以培养学生综合设计和创新能力为出发点，拓展实践领域、丰富教学内容，依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，提供绿色、可靠、安全和经济的虚拟仿真实验教学项目，“以虚代实、以软代硬、虚实结合”。

2）Proteus仿真软件简介。Proteus是英国Lab Center

Electronics公司开发的EDA工具软件，是一款电路设计与实物仿真软件，具有智能原理图设计、电工/电子技术电路及MCU器件混合仿真和PCB设计功能。它功能强大，是现今唯一能够集电路软件仿真、PCB设计和虚拟仿真于一体的设计平台，从硬件原理设计布图、软件代码的仿真调试到外围电路的协同仿真调试，真正做到从概念到产品的完整设计，不仅可以仿真电工技术实验、电子技术实验等，而且可以仿真单片机原理及应用实验。在编译方面，它也支持Keil和MPLAB等多种编译器[6-7]。

3）基于Proteus虚拟仿真技术实验教学环境的优点。基于Proteus虚拟仿真技术的实验教学环境由一个计算机网络硬件平台（或一台计算机）、一套仿真软件及一套基于Proteus虚拟仿真技术的实验指导书、少量的实验验证板构成，实验维护费用几乎为零。主要优点有：多功能、开放式实验教学环境;先进型、创新型实验教学环境;易管理、维护型实验教学环境;低投入、高回报型实验教学环境。

3 研究与实践的主要内容

实验教学模式构建  依托机械设计制造及其自动化省级教学团队、省级特色专业等雄厚的人才培养资源，以工程训练中心省级实验教学示范中心、工业机器人应用省级虚拟仿真实验教学项目为平台，以培养学生工程实践、专业综合训练和科技创新三种能力为最终目标，构建基于Proteus虚拟仿真技术的机械类专业实验教学模式。

1）进行基于Proteus虚拟仿真技术的实验教学环境建设，不受实验室场地、时间的限制，实现时间、空间、内容三开放，弥补实验仪器仪表和电子元件的不足，持续保持实验教学环境先进性，有利于实验教学仪器设备的高效管理和维护。

2）进行实验教学体系改革，构建三个模块（基础课程、专业课程、专业拓展）、三个层次（基础通识、综合训练和创新研究）的实验教学体系。

3）改革实验教学模式，创新实验教学技术与手段，建立起与之相适应的管理和评价机制，激发学生的创新潜能，促进学生工程实践、专业综合训练和科技创新三种能力的提高。

4）推行基于Proteus虚拟仿真技术的实验教学模式，采用基于项目、基于问题、基于案例的教学方法，支持学生开展研究性学习、创新性训练，充分调动学生积极性和主观能动性，鼓励学生树立开展自主探究性学习的实验、实践教学新模式理念，有利于开展创新实验内容的研究，设计创新实验内容，培养学生的实验兴趣及创新思维能力，不断提高实验教学效率与质量。

主要解决的问题

1）实验教学体系僵化，教学模式陈旧，无法适应社会对高素质复合应用型人才的需求。刚性的管理束缚了学生的个性化发展，没有体现出以学生为主体的教学理念，学生的学习较为被动，主动探究的积极性不高，不利于提高实验质量。

2）由于学时及条件等限制，理论与实践联系不够紧密，不利于培养学生的实验兴趣及创新思维能力。

3）实验内容彼此孤立，不利于培养学生“从概念到产品”认识的形成，不能满足现代实验教学改革提出的三个实验层次即基础性实验、综合性实验、创新性实验的目标。

解决教学问题的方法

1）依托工程训练中心省级实验教学示范中心、工业机器人应用省级虚拟仿真实验教学项目，进行实验教学环境建设。基于Proteus虚拟仿真技术的实验教学环境不受实验室场地、时间的限制，实现时间、空间、内容三开放，弥补了实验仪器仪表和电子元件的不足，持续保持实验教学环境先进性，有利于实验教学仪器设备的高效管理和维护。

2）改革实验教学方法与手段，建立虚实结合的实验教学体系，培养学生工程实践、专业综合训练和科技创新三种能力。在实验课中引入基于项目、基于问题、基于案例的教学方法，不仅设计性实验，综合性实验教学也强调突出学生的主体地位，学生可以提出自己的实验方案并付诸实践。实验完成后就不同方案获得的结果进行横向对比评价，从而达到让学生深刻理解实验原理、培养学生的实验兴趣及创新思维能力的目的。构建三个模块（基础课程、专业课程、专业拓展）、三个层次（基础通识、综合训练和创新研究）的实验教学资源体系，如图1所示，利用虚拟实验教学资源开展多样化教学，运用虚实结合的学习方式促进理论知识向实践应用的转化，培养学生工程实践、专业综合训练和科技创新三种能力。

3）建立新的实验教学管理机制和成绩评定方式，满足学生个性化学习发展的要求。实验课程的成绩评定强调过程与结果并重，每门实验课成绩均由实验预习、实际过程操作、实验结果及实验报告等综合评价构成。由于采用虚拟软件和实物验证相结合的实验模式，实验内容更加灵活，可根据不同的具体培养目标合理设置实验内容，进行个性化培养。对于培养学生操作能力的实验内容的设置，可侧重于第一层次基础性实验;对于培养学生综合能力的实验内容的设置，可侧重于第二层次综合性实验;对于培养学生创新能力的实验内容的设置，可侧重于第三层次创新性实验。

开展毕业设计多样化改革，改变传统毕业设计的写作与评审模式，规定多样化毕业设计的形式及认定工作程序，鼓励学生将实习实践、科技创新创业等活动中取得的初步成果转化为畢业设计内容。积极探索实践教学环节学分替代办法，鼓励本科生参与创新引飞指导教师的课题组开展研究性学习，学生可以以省级以上学科竞赛奖项、发表的论文以及申请的专利等替代专业综合实验课程的学分。

4 推广应用效果

基于Proteus虚拟仿真技术的机械类专业实验教学模式，围绕对学生工程实践、专业综合训练和科技创新三种能力培养开展多项教学研究与改革，取得多项成果和显著培养成效。

主要成果

1）教学研究成果丰硕。近年来，项目组主持完成河南省高等教育教学改革研究与实践项目一项、河南省教育技术装备和实践教育研究项目一项、校级教改项目两项、校级青年骨干教师资助项目一项;获批省级虚拟仿真实验教学项目一项、省级一流本科课程一门、校级虚拟仿真实验教学项目一项、校级精品在线开放课程立项一门;获批教育部全国教育科学“十三五”规划重点项目立项一项;主持完成河南省高等学校重点科研项目两项;发表教科研论文24篇（其中九篇发表在核心期刊）。

项目组成员荣获河南省高校青年教师教学技能竞赛一等奖，被授予“河南省教学标兵”称号;荣获新乡学院课堂教学奖一等奖二人次、二等奖三人次;荣获新乡学院教学名师一人、讲坛新秀二人;荣获河南省优秀教师、校级创新引飞工程优秀指导教师、优秀教师、师德先进个人、文明教师、社团优秀指导教师等荣誉;实验中心获批河南省合格基层教学组织、校级优秀基层教学组织。

2）学生培养成效显著。

①毕业设计综合训练效果明显。近年来，项目组指导学生（基于Proteus的控制应用）毕业设计100多人次，成绩为良好以上的占40%以上。

②学科专业竞赛成绩优异。近年来，以项目为驱动，项目组组织学生积极参加机械创新大赛、机器人比赛等专业竞赛，获国家级一等奖一项、二等奖一项、三等奖两项，省级竞赛一等奖三项、二等奖六项、三等奖三项。如以“小旋风停车装置”“叉臂式高空间利用率立体停车库”为项目驱动，分别获第八届全国大学生机械创新大赛慧鱼赛区（2018）竞赛一等奖、二等奖;以“机器人武术擂台”为项目驱动，获第五届河南省大学生机器人比赛一等奖;以“机器人接力、高尔夫球”为项目驱动，获“软银

机器人杯”2018中国机器人技能大赛三等奖;等等。

成果推广应用

1）新乡学院机电工程学院承办了第八届全国大学生机械创新设计大赛河南赛区预赛，促进高校在教育教学中注重培养大学生的创新设计意识、综合设计能力与团队协作精神，通过工程实践能力的培养，提高学生针对实际需求创新思维，进行机械设计和工艺制作等实际工作能力，加强各高校之间的交流。

2）在河南科技学院、新乡医学院等高校开设的相关课程实验教学中进行推广应用，在实际实验教学过程中取得较好的教学效果，具有较好的理论指导意义和实践应用价值。

5 结语

围绕国家“十三五”规划纲要指出的实施制造强国战略，深入实施《中国制造2025》，推进信息技术与制造技术深度融合，以及《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》提出的加强大学生的实践能力培养目标要求，构建基于Proteus虚拟仿真技术的机械类专业实验教学模式。通过针对机械类专业开展实验教学改革，将虚拟仿真技术发展的最新成果与机械类专业人才培养的实际需求相结合，从手段、平台、资源等层面为学生提供更为真实的实验环境和条件，也为学生开展自主学习和创新建立了有效的支持体系，从而不仅显著提升了实践培养环节的有效度，更加提高了人才培养质量、教师实践教学能力。

参考文献

[1]余南平，王德恒.中国制造2025[M].上海：人民出版社，2017：1-19.

[2]国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）[M].北京：中国法制出版社，2010：20-22.

[3]于大泳.基于Proteus的机械工程专业单片机课程教学改革探究[J].教育现代化，2013（6）：29-30.

[4]曾红，张德强，黄海龙，等.机械工程虚拟仿真实验中心建设研究与实践[J].实验技术与管理，2018（1）：241-244.

[5]刘清涛，张新荣，贺朝霞.工程机械开放式虚拟仿真实验教学管理平台建设[J].实验技术与管理，2018（7）：148-151.

[6]朱清慧，张凤蕊，翟天嵩，等.Proteus教程：电子线路设计、制版与仿真[M].北京：清华大学出版社，2008.

[7]侯玉宝，陈忠平，李成群，等.聚焦EDA：基于Proteus

的51系列单片机设计与仿真[M].北京：电子工业出版社，2008.