高職院校虛擬仿真實驗信息化教學模式研究

劉麥 張琦 杜向軍

摘 要 以電工電子課程為例，構建高職院校基于虛擬仿真實驗的信息化教學模式。利用信息化教學手段組織學生進行線上線下學習，學生能夠靈活安排自主學習時間和進度，并在開放的信息化教學過程中引入虛擬仿真技術，解決學生無法自主進行實驗問題，突破時間和地域對實驗的約束，并增加實驗的直觀性。

關鍵詞 虛擬仿真技術 仿真實驗 信息化教學 電工電子

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.07.054

Abstract Taking the electrical and electronic courses as an example， the information-based teaching mode based on virtual simulation experiment in vocational colleges is constructed. Using information-based teaching methods to organize students to conduct online and offline learning， students can flexibly arrange their own learning time and progress， and introduce virtual simulation technology in the process of open information-based teaching to solve the problem that students cannot conduct experiments independently， breaking the time and geographical constraints of the experiment and increase the intuitiveness of the experiment.

Keywords virtual simulation technology； simulation experiment； information teaching； electrical and electronics

近年來，信息化教學迅猛發(fā)展，憑借資源多元化、課程使用方便、參與面廣、自主性強等特點，大量信息化教學工具和平臺如雨后春筍般涌現(xiàn)并規(guī)模化。與傳統(tǒng)的課堂教學和網(wǎng)絡課程相比，信息化教學平臺可以構建良好的自主學習和測試環(huán)境，隨時隨地進行在線學習，實現(xiàn)教學資源的高度共享，有利于培養(yǎng)學生的自主學習性。然而，隨著信息化教學的發(fā)展與應用，基于移動介質進行的信息化教學過程中無法完成實驗教學，日益成為制約教學改革與發(fā)展的因素。對于高職院校而言，實踐性較強，強調動手能力的培養(yǎng)，理論教學無法滿足教學需要。[1]因此，本文以電工電子課程為例，通過研究利用虛擬仿真技術組織信息化教學過程，構建基于虛擬仿真實驗的信息化教學架構。

1 電工電子課程教學現(xiàn)狀

電工電子課程是機電類、自動化類、信息類等相關專業(yè)的基礎課程，是一門綜合性、實踐性比較強的課程，應用范圍廣，內容很抽象。電工電子課程在教學過程中以理論教學為基礎，通過實驗加深對理論教學所學內容的理解與掌握。目前大部分高職院校電工電子課程的教學方法還停留在傳統(tǒng)的教學方法上，基本采用以教師講授為主的填鴨式學習方式，導致大部分學生對電工電子課程的教學感到枯燥和抽象。

電工電子課程的實驗教學以在專業(yè)實訓室做真實電路的連接與分析為主，多為驗證性實驗。目前大部分高職院校電工電子實驗教學過程是：老師在專業(yè)實訓室進行講解、演示并輔導，學生根據(jù)已知電路進行實物連接，驗證相關定理。這種實驗方式受時間和場地約束，學生無法自主安排實驗進度和時間，教師難以對所有學生進行指導，不能激發(fā)學生實驗的積極性，實踐能力和創(chuàng)新能力也不能得到充分的提高；由于學生對實驗環(huán)境的不熟悉，容易產生誤操作，造成元件和儀器設備的損壞，甚至發(fā)生用電危險；高校普遍存在著實驗室建設費用高昂，前期設備投入大、后期維護繁瑣等問題。[2]

因此，有必要對傳統(tǒng)的教學方式進行改革，讓學生能夠靈活地安排時間并不受場地的約束，進行理論學習和實驗操作，在課堂上作為教學主體主動參與到教學活動中，提高學習效率和學習的積極性，提升教學效果。

2 虛擬仿真實驗與信息化教學

2.1 虛擬仿真實驗

1989年，弗吉尼亞大學（University of Vinginia）William Wulf教授提出了“虛擬實驗室”概念，認為虛擬實驗室是由研究人員創(chuàng)建的，具備沉浸感的電子化、網(wǎng)絡化的可互動的人工環(huán)境。[3][4]20世紀90 年代后期，隨著多媒體、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡以及虛擬現(xiàn)實等技術在教育領域的應用，國內部分高校相繼開展了基于網(wǎng)絡的虛擬仿真實驗及教學應用的研究。2008年-2010年，教育部組織開展了“虛擬實驗教學環(huán)境關鍵技術研究與應用示范”課題研究。2013年，教育部印發(fā)了《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》。[5]

虛擬仿真實驗教學綜合應用多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實等技術構建仿真的實驗環(huán)境，使學生自主地在開放的虛擬仿真平臺開展實驗。[6]引入虛擬現(xiàn)實技術和仿真軟件構建虛擬仿真實驗教學，教學過程不再是簡單的理論+實驗，而是理論教學、虛擬仿真、實驗環(huán)節(jié)的相互滲透。教學過程中，隨時可以用虛擬仿真平臺實時模擬，形象化的將抽象的理論知識展現(xiàn)出來，幫助學生將學到的理論知識用計算機仿真再現(xiàn)，更快、更直觀地掌握教學內容，加深對概念、原理的理解。虛擬仿真實驗不僅使得實驗的教與學環(huán)節(jié)可以不受時間和地域的約束，還能緩解實驗室建設問題以及保障實驗室操作的安全性。

2.2 信息化教學

在信息爆炸的大數(shù)據(jù)時代，學習者對教學理念、內容和技術改革的需求越來越強烈，也成為了學者們關注和研究的熱點。在信息化教學改革的熱潮下，出現(xiàn)了一些新的基于互聯(lián)網(wǎng)的教學方法和理論，尤其是近幾年規(guī)模化的微課、翻轉課堂和在線開放課程等。

微課是以教學過程中的一個知識點或技能作為單一的教學內容而進行的一種教學方式，多以視頻形式出現(xiàn)，教學時間短，因此針對性強、教學目標明確。微課可以避免長時間理論教學引起的疲勞和教學效果下降，學生可以根據(jù)自己的需求有選擇性的學習，是信息化教學資源的重要組織部分。在線開放課程是在公共平臺上構建的具有系統(tǒng)全面的教學規(guī)劃、數(shù)字資源、題庫、拓展資源的開放的教學環(huán)境，教師的作用是資源建設與教學計劃組織，學生可以根據(jù)在線開放課程平臺的教學計劃和資源進行自主學習和測試。翻轉課堂重新規(guī)劃了課堂內外的時間，教師對課堂的主動權轉變成引導作用，而學生成為主動參與者。

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的迅速發(fā)展，信息技術在教育領域中的應用越來越廣泛而深入，新的教學方法和學習模式從理念、內容和手段上都發(fā)生了巨大的變化，極大地影響和改變了傳統(tǒng)的課堂教學方式、學習者的思維模式，教師和學生都重新審視傳統(tǒng)的教學模式，從培養(yǎng)知識型人才向培養(yǎng)創(chuàng)新型人才轉變。

3 基于虛擬仿真實驗的信息化教學模式研究

為深入推進信息技術與高等教育實驗教學的深度融合，教育部于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設工作，推動高校積極探索線上線下教學相結合的個性化、智能化、泛在化實驗教學新模式，支撐高等教育教學質量全面提高。[7]

本研究以電工電子課程為例，構建基于虛擬仿真實驗教學，結合微課、在線開放課程和翻轉課堂等信息化教學手段的教學模式，如圖1所示。

教師作為資源構建、教學活動組織的主體，在教學過程中起引導作用。教學資源建設是整個教學系統(tǒng)的核心，是基于現(xiàn)代信息技術建設的，主要包括文檔、圖片、多媒體課件、動畫、視頻、題庫等數(shù)字教學資源和實驗設備模型、元器件模型、電路仿真模型、仿真動畫、虛擬仿真軟件等虛擬仿真實驗資源，通過虛擬仿真實驗平臺和信息化教學平臺呈現(xiàn)。教師的教學活動是基于教學資源而進行的有效組織，主要通過在線開放課程等信息化教學平臺要求學生進行線上自主學習，并且通過虛擬仿真實驗平臺自主完成虛擬仿真實驗，面授課堂以解決問題為主，而實驗環(huán)節(jié)結合線上學習情況和虛擬仿真實驗情況有選擇性地進行，最大效率地利用實驗室的時間和場地。理論教學、實驗教學與虛擬仿真教學之間相輔相成，理論教學是實驗教學和仿真教學的基礎，仿真教學可輔助實驗操作，和實驗教學共同作用，加深對理論知識的鞏固和靈活運用。虛擬仿真實驗教學是對傳統(tǒng)實驗教學的補充和延伸，即可完成傳統(tǒng)的驗證性實驗，也可引導學生在虛擬仿真實驗平臺進行創(chuàng)造性的實驗，激發(fā)學生的創(chuàng)新能力和實踐能力，對于改進實驗教學方法和模式具有積極的促進作用。理論教學、實驗教學和仿真教學的相互作用關系如圖2所示。

學生的學習過程以自主性學習為主，通過在線開放課程等信息化教學平臺，自主安排學習進度和學習時間。信息化教學平臺的多媒體課件、教學視頻等系統(tǒng)完整的呈現(xiàn)課程的內容，進行理論知識的學習并可以測試對所學內容的掌握程度。通過虛擬仿真實驗平臺進行虛擬仿真實驗，對所學知識進行驗證，并模擬實際實驗電路，為實驗教學進行預習。對學生的學習要求面授課堂學習前須完成線上相關內容的學習與測試，實驗教學開始前須完成虛擬仿真實驗平臺的學習與操作，方可最大限度地利用線上資源和虛擬仿真平臺與課堂和實驗教學進行深度融合，提高效率。課堂教學引入移動信息化教學手段，以解決問題為主，學生作為主體參與到教學過程，充分調動學生的積極性，激發(fā)學生的學習動機。

4 結束語

虛擬仿真實驗技術和信息化教學的深度融合利用，高效率地解決學生課余自主學習、知識重構、實驗實踐的困境。教學過程引入虛擬仿真技術并結合信息化教學手段進行靈活組織，學生在開放、交互的環(huán)境中進行自主學習和虛擬實驗的設計與操作，與傳統(tǒng)教學相比，更有利于教育資源的優(yōu)化、整合、利用與共享，在一定程度上解決實驗室建設周期長、經(jīng)費不足、安全無保障等問題，對提升教育質量和深化教學改革產生一定的作用。

參考文獻

[1] 孫青，等.MOOC環(huán)境下開放共享的實驗教學研究[J].實驗技術與管理，2014.31（8）：192-195.

[2] 李玲，王非.基于網(wǎng)絡的虛擬現(xiàn)實技術在高校實驗教學中的應用[J].實驗科學與技術，2014.12（3）：37-39，46.

[3] Wulf W A.The collaboratory opportunity[J].Science，1993.261（5123）：854-855.

[4] 林寶燈.高校信息資源開放共享機制建設的新載體：虛擬實驗室[J].圖書館理論與實踐，2018（1）：96-100.

[5] 賀占魁，黃濤.虛擬仿真實驗教學項目建設探索[J].實驗技術與管理，2018.35（2）：109-111，116.

[6] 曾紅，張德強，等.機械工程虛擬仿真實驗中心建設研究與實踐[J].實驗技術與管理，2018.35（1）：241-244.

[7] 教育部辦公廳關于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201707/t20170721_309819.html，2017-07-13