實驗教學中開展虛實結合的教學模式探討與實踐

孫艷娜 孫大權

摘要：實驗教學在培養學生創新能力和動手能力等方面具有明顯的優勢。新時期下卓越工程師的培養，不僅要有與之相對應的課程體系和教學內容，而且要采用相應的教學組織形式和教學方式。傳統的實驗教學受制于上課時間的限制，不能讓學生完整地參與整個實驗過程。因此，本文以道路工程材料實驗為例，探討采用虛擬實驗和真實實驗相結合的實驗教學模式，彌補傳統實驗教學的弊端，更好地激發學生的學習熱情和主動性。

關鍵詞：實驗教學；虛擬實驗；教學模式

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）39-0129-03

新時期下，國家提出“卓越工程師培養計劃”，該培養計劃的目標就是造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才，為國家走新型工業化發展道路、建設創新型國家和人才強國戰略服務。卓越工程師的培養，不僅要變革已有的教學內容，而且要變革已有的教學方法和教學組織形式。道路工程是典型的工科專業，它的顯著特點是應用性、實踐性強，對學生的專業技能和創新能力要求較高。實驗教學在培養學生創新能力方面具有明顯的優勢，與理論教學相比具有直觀性、實踐性、綜合性和創新性等特點，因此卓越工程師的培養應加大實驗教學環節。

一、傳統實驗教學模式及其特點

傳統實驗教學模式是學生在教師的指導下參觀或實際操作具體實驗內容，這對提高學生的動手能力和理論聯系實際的能力都有幫助。具體特點如下[1，2]。

1.自主學習性。相對于課堂教學，實驗教學中學生占主導地位。通過課堂上實驗原理的學習，學生了解到很理論性的東西，知道實驗設計的來龍去脈，但具體如何操作，就需要實驗教學來掌握。通過閱讀實驗指導任務書，從基本的實驗儀器的認識，到實驗試件的制備、實驗加載的先后順序，同學們都要靠自己去學習、掌握，做好充分的預習和總結，才能在實際實驗操作中不手足無措。

2.實踐性。基于課下的自主學習，學生要把書本上的概念、實驗原理、實驗方法等抽象的知識，轉換成鮮活、靈動的具體實驗項目，這就需要親自動手操作，親自實踐。在整個實驗過程中，從實驗儀器的組裝、試樣的安裝，到實驗參數的設定，學生需要不斷地調節控制儀器以達到準確控制的目的。比如：瀝青軟化點實驗中，實驗溫度從5℃開始，以5℃/min的升溫速率加熱，在這個過程中，就需要調節加熱閥門的大小來確定升溫速率，同時調節轉子的轉動速率來輔助溫度上升。在這個過程中，學生需要不斷觀察記錄每一分鐘的升溫速率，分析和預測下一分鐘的升溫速率，離目標大了粗調，離目標近了微調，不斷實踐、不斷調整，最終得到一個合適的加熱閥門控制大小和轉子轉動速率大小的組合。

由于實驗的實踐性不能通過理論講解所取代，也不能通過觀察學習取得，必須學生親自動手操作才能實現。因此，學校必須為學生提供足夠多的實驗設備、實驗材料物質條件等，以讓每個學生都有動手學習和練習的機會。只有親自動手實踐，才便于教師及時發現問題，進行單獨指導，最大限度地發揮每個學生的積極性和主動性。

3.開放性。實驗的開放性是指實驗課不同于理論課，容易形成封閉或者半封閉的體系。理論課程有其自身的內涵與外延，可以關起門來自行學習和推理。實驗課程需要同學自己動手實踐，在這個過程中，學生的大腦、手腳和一切設備是一個開放的實驗系統，理論指導大腦，大腦指揮雙手，雙手控制設備和外在參數，中間每一個環節都可以改變，也可以反復修正。這個過程也是理論聯系實際、知識轉化實踐的過程。

4.綜合性。實驗的綜合性一方面指實驗課程綜合了基礎理論知識和專業知識，自學能力和模擬能力，想象能力和實際操作能力，另一方面是指實驗設計可以是綜合性的內容。在實驗過程中，同學們手腦并用，視覺、聽覺、嗅覺功能都啟動，依靠自身的力量獨立觀察分析出現的問題，并努力利用已有知識解決問題。必要時，同學們可改變實驗條件或實驗參數，反復或重復進行實驗，教師也應該鼓勵引導學生自主進行設計實驗。在這個過程中，可以鞏固已有知識、學習或發現新的知識，激勵學生產生更大的學習熱情，追求更大的科學進步。

二、虛擬仿真實驗教學模式及其特點

虛擬實驗是借助于多媒體、仿真和虛擬現實等技術，應用虛擬模型來仿真實際物理實驗過程和實驗結果以達到進行科學實驗目的的應用系統[3，4]。虛擬實驗在計算機上建立一個部分代替或全部代替傳統實驗操作環節的相關軟硬件操作環境，用戶可以像在真實環境中一樣完成各種實驗項目，所取得的實驗結果也應該與真實環境中所得的效果相等價。具體特點如下。

1.多媒體技術。不同于傳統的技術手段，多媒體技術可以利用計算機綜合處理圖像、聲音、動畫等素材，構建生動逼真的二維和三維場景，具有形象、生動、直觀、高效的特點，這從視覺上就可以吸引同學們的興趣，而興趣是最好的教師。

2.人機交互技術。不同于呆板的生硬的死物，輸入和輸出相互分離，應用人機交互技術可以幫助實驗者與實驗內容進行交流，就像面對一個鮮活的“實體”，輸入不同的內容即時給出相應的輸出。這樣鮮活有趣的實驗形式，不僅拓展了實驗的范圍，也增加了實驗的趣味性。

3.虛擬現實技術。高效的仿真技術可以讓同學們浸潤實驗環境內，達到身臨其境的效果，實現以虛代實的體驗。

三、以瀝青實驗為例開展虛實結合的教學模式

《道路工程材料》課程中實驗教學大綱涉及到的瀝青實驗有三個：瀝青針入度實驗、軟化點實驗和延度實驗，俗稱三大指標實驗。以延度實驗為例，從實驗前準備、制備試件到測試結束、清洗模具，至少需要6小時（加熱瀝青到流動狀態2小時，澆模；在常溫下冷卻不少于1.5小時，刮模；之后放入測試溫度下保溫不少于1.5小時；開始測試，測試大約0.4小時；測試結束，清理模具0.5小時），但3個實驗總共才2個課時，時間根本就不夠。

為了在規定時間內完成教學工作量，一般都由實驗教學教師準備試件，學生真正參與的工作為測試那0.4小時部分，前期準備工作和后期清理模具都是實驗教師理論講解和口頭說明。而前期準備工作至關重要，它直接影響著最終的實驗結果。

例如：（1）瀝青加熱到流動狀態時的溫度。加熱溫度太高，瀝青容易老化，導致瀝青變硬變脆，反映在實驗結果上就是延度值偏小。加熱溫度太低，瀝青變得粘稠，澆模時在試件內部容易產生氣泡。在做延度拉伸實驗時，容易在氣泡出率先出現斷裂，反映在實驗結果上就是延度值偏小。（2）澆模后試件在常溫下的冷卻時間。如果急于求成，縮短冷卻時間，未待瀝青試件完全冷卻到室溫就放入測試溫度下保溫，快速的降溫會導致瀝青變脆，反映在實驗結果上就是延度值偏小。（3）在測試溫度下的保溫時間。如果人為地縮短保溫時間，試件內部未完全降到測試溫度就開始測試，反映在實驗結果上就是延度值偏大。

基于以上分析可知，如果采用傳統的實驗教學模式，由實驗教學教師代為澆模，看似學生做了主題的實驗部分，但從實驗整個過程來說，學生只參與了其中的一小部分，而那些直接影響實驗結果的最重要的部分都沒有參與，也就喪失了自己發現問題和學習影響因素的部分。

而如果采用虛擬仿真實驗和真實實驗教學相結合的模式，同學們先事先采用虛擬仿真實驗進行模擬測試，全程參與整個測試過程，再在實驗室真實測試主題的部分，則可以達到教學效果最大化的目的。具體優點如下：（1）讓同學們快速了解完整的測試過程。實驗測試是有先后順序的，如果順序搞錯，模擬實驗就進行不下去，這樣可以幫助學生學習正確的測試流程。（2）學生可以參與試樣準備過程，自己確定加熱溫度和保溫時間等。模擬實驗可以快速地讓時間飛逝（設置增大倍數），可以短時間內升到所需溫度（精確到1℃）；實際等待時間2小時，模擬實驗只需要1分鐘，大大節約了時間，提高了效率。具體參考圖1。（3）在一些關鍵實驗部分，可以設置放大鏡等功能，幫助學生更好地觀察實驗結果。如針入度實驗中：針入度皿內瀝青試樣高度的確定，學生可隨時停止或重新制作試樣；針入度針與瀝青試樣剛好完全接觸的臨界點的確定。具體參考圖2。（4）提高學習效率，增強教學效果。同學們事先經過模式實驗，實際測試時就是在做實戰演練，做起來胸有成竹；原先易犯的錯誤已經得到糾正，在實際操作時就可以少走彎路，提高實驗效率，也增強了學習效果。（5）模擬實驗不計成本，可反復演練，實際實驗結束后，同學們還可以進行模擬實驗以鞏固學習內容。

四、結語

實驗教學具有真實、直觀的特點，通過實踐操作可提高學生的動手能力和理論聯系實際的能力，但真實實驗受制于上課時間的限制，不能完整地參與整個實驗過程。而虛擬仿真實驗具有方便操作、快捷，不計成本反復演練等優點。因此采用虛擬實驗和真實實驗相結合的模式，實驗前同學們先通過自學，采用虛擬仿真實驗進行實驗模擬，了解實驗過程，掌握實驗誤區，并在虛擬實驗中得到糾正；然后在真實實驗中真實操作，提高動手動力，加深學習興趣；課后再采用虛擬實驗進行鞏固，提高學習的效率。

參考文獻：

[1]何若宏.實驗課教學特點之探討[J].遼寧省交通高等專科學校學報，2000，2（2）：53-55.

[2]張繼紅.教學型大學工科專業學生實踐教學模式研究[D].株州：湖南工業大學學位論文，2008.

[3]李美娜.初中物理力學虛擬實驗系統的設計與實現[D].長春：東北師范大學，2011.

[4]王衛國，胡今鴻，劉宏.國外高校虛擬仿真實驗教學現狀與發展[J].實驗室研究與探索，2015，34（5）：214-219.