線上實驗教學模式探索

王志瓊 劉津彤 劉繼明 張碩

摘 要 從線上實驗教學內容、實驗教學手段、實驗教學方法和實驗過程評價四大方面進行線上實驗教學模式探索。設計綜合考慮實驗安全教育、實驗項目和實驗試題等五個方面的線上實驗教學內容，研究包含微視頻實驗、虛擬仿真實驗、虛擬現實實驗等六種線上實驗教學手段，探討基于基礎型，綜合型和創新研究型三種不同實驗類型的線上實驗教學方法，建立貫穿整個線上實驗教學過程的考核評價體系。重點研究了線上實驗教學的可操作性，對整體實驗教學模式進行了合理的規劃，并在實際教學中進行了應用和驗證。線上實驗教學模式的探索對實驗教學的改革和發展有積極的促進作用。

關鍵詞 線上實驗教學 教學模式 虛擬仿真 虛擬現實 在線直播

中圖分類號：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.10.046

Abstract This paper explores the online experimental teaching mode from four aspects： online experimental teaching content， experimental teaching means， experimental teaching methods and experimental process evaluation. The online experiment teaching content is designed to comprehensively consider five aspects of experiment safety education， experiment project and experiment questions. Six kinds of online experiment teaching methods including micro video experiment， virtual simulation experiment and virtual reality experiment are studied. The online experiment teaching methods based on three different experimental types of basic type， comprehensive type and innovative research type are discussed， and the whole online experiment teaching model is established. This paper focuses on the operability of online experimental teaching， makes a reasonable planning of the overall experimental teaching mode， and carries out the application and verification in the actual teaching. The exploration of online experimental teaching mode has a positive role in promoting the reform and development of experimental teaching.

Keywords online experimental teaching; teaching mode; virtual simulation; virtual reality; live online

實驗教學是高等學校教學活動中一個必不可少的環節，對于一些實踐性較強的學科尤為重要。對于工科類專業，實驗教學是應用型人才能力培養的關鍵部分，對于培養學生的實際動手能力、分析問題、解決問題的能力以及綜合創新能力都是至關重要的。[1]

近幾年，各高校充分利用在線課程教學資源，積極開展線上授課和線上學習等在線教學活動。[2-3]在統籌開展遠程教學的情況下，實驗教學課程同樣需要與理論在線教學同步進行，實現對學生能力的全方面培養。實驗是在理論知識的基礎上進行的實踐，一般以某一目標或者某一產品為導向，需要根據學生分組，對某一個實驗內容進行反復的教學，學生實際動手操作占據課程的主體時間。尤其工科類專業，實驗教學面臨課程項目多、參與人數多、儀器設備多等問題，如何快速開展線上實驗教學具有一定的挑戰。

1 線上實驗教學內容設計

基于現有線上教學平臺，以學生為中心，以實驗目標或實驗產品為導向，根據實驗指導書中的理論知識和實驗現場操作的過程，結合實驗人數、實驗學時、實驗要求等進行線上實驗教學內容設計。線上實驗教學以課程為單位，內容設計流程如圖1所示，首先向同學們介紹課程培養目標、對學生進行實驗安全教育，然后以每個實驗項目作為實驗課程的一個章節，分別講解實驗知識點、實驗目的、實驗儀器、實驗原理、實驗內容、實驗步驟、實驗結果分析等，同時對每個實驗項目的學習情況進行在線測試，最后學生根據線上實驗獲得的數據進行線下實驗結果分析，提交實驗報告。實驗教學內容的設計要保證實驗過程清楚、表述簡單，使學生能夠形象、直觀的學習實驗。

2 線上實驗教學手段研究

2.1數字化實驗

學生通過線上觀看網頁版實驗內容進行學習，或者將實驗教學資源下載，線下自行學習。教師需要將電子版本實驗指導書、實驗講解PPT教案以及實驗視頻等上傳到線上教學平臺，進行實驗教學資源共享，幫助學生預習實驗與復習實驗。

2.2微視頻實驗

以實驗項目為單位錄制微視頻，最終整合成微視頻實驗課程，學生通過在線觀看視頻學習，首次學習需要按照學習進度依次學習，全部學習完成之后也可以自由選擇分段學習，根據掌握情況重復學習部分實驗內容。

2.3虛擬仿真實驗

學生通過仿真軟件進行虛擬操作完成實驗，教師在線進行交流指導。通過建立虛擬仿真實驗室，實現虛擬實驗室設備儀器的三維立體觀看與操作，實驗操作過程基本與線下現場實驗操作過程一致。同時每一個實驗操作步驟都設置相應的分值，如果操作正確，給予分值，學生可以繼續操作;如果操作錯誤，根據錯誤次數扣除分值，設定多次錯誤操作后提示正確操作步驟，保證學生繼續操作。

2.4虛擬現實實驗

教師遠程實時指導學生在虛擬現實環境下進行操作。借助5G通信技術和虛擬現實設備，開發虛擬現實實踐教學系統，通過發布的虛擬現實實驗實現多人協同同地、異地操作，教師實時遠程協助與指導，給予學生實驗過程強烈的沉浸感和操作感，在有效規避現實實驗操作的安全隱患下，達到猶如現場實驗般的體驗。

2.5遠程操作實驗

根據學生的遠程指導和互動需求，教師在實驗現場幫助學生進行實驗操作，整個實驗過程通過直播形式分享給學生，學生可以根據實驗目標解決實際實驗中出現的問題，并且獲得實驗現象、實驗數據和實驗結果。遠程操作實驗只需要在實驗室安裝錄播裝置即可，學生可以通過網絡進行遠程實驗學習與觀察。

2.6在線直播實驗

教師在實驗室進行邊操作邊講解，學生通過網絡實時觀看學習實驗內容和實驗操作過程，最后將實驗操作數據結果記錄下來，并進行實驗結果處理分析。在整個實驗過程中學生全程參與，教師和學生可以實時互動交流，達到實驗教學目的。

3 線上實驗教學方法探索

針對基礎型實驗，綜合型實驗和創新研究型實驗等不同類型的實驗，分別探索合理的實驗教學方法，能夠起到更好的實驗教學效果，如圖2所示。

3.1 基礎型實驗

基礎型實驗主要是理論課程中包含的實驗，一般為4-12學時，包含1-6個實驗項目，每個實驗項目2-4學時?；A型實驗的實驗人數一般較多，實驗項目多為驗證性、演示性等類型，通過實驗加深學生對理論知識點的理解，掌握實驗的儀器操作和數據處理等知識點。對于基礎型實驗，以實驗對應的理論課程為單位，以每個實驗項目為實驗章節，進行線上實驗教學：（1）實驗的講解可以通過兩種方式實現，一種是教師提前錄制好實驗視頻，學生觀看視頻學習，另一種是教師直接到實驗室實時錄播講解實驗;（2）每個實驗結束后學生可以通過教師設置的實驗試題進行簡單測試，試題一般設定為是非題和選擇題;（3）實驗課前和課后，學生分別可以通過線上實驗資源進行預習和復習;（4）若該實驗具備線上虛擬仿真或者虛擬現實的條件，則可以在線上學習之后進行虛擬仿真和虛擬現實實驗操作;（5）學生根據線上實驗所獲得的實驗結果進行數據分析和處理，提交實驗報告;（6）在實驗過程中，學生和學生之間，學生和教師之間皆可以線上邊學習邊交流，也可以課后通過QQ、微信等進行交流討論。

3.2 綜合型實驗

綜合型實驗多為獨立設課、獨立記學分的實驗，實驗學時為16學時或者1-2周，這類實驗層次分明、綜合性強、知識點集成度高，旨在提高學生綜合知識運用能力。[4]綜合型實驗以產品或典型機構為導向，實驗流程與基礎型實驗基本一致，將每個實驗項目設置為單元章節，此外以小組合作與討論方式進行實驗操作，最終以答辯形式進行實踐結果匯報。

3.3 創新研究型實驗

創新研究型實驗多為開放創新性的選修實驗課程，實驗學時一般8學時以上，實驗人數相對較少。實驗以理論課程為基礎，以學生為中心，結合科研項目進行自主創新的實驗設計，通過拓展和深化實驗教學內容，培養學生的創新設計能力。根據創新研究型實驗的特點和實驗思想，進行線上實驗教學設計與構建：（1）將實驗相關知識點制作成實驗資源，學生在實驗前通過平臺下載實驗資源進行相關理論的學習;（2）根據學習情況，學生3-5人自行分組，以小組為單位，根據實驗目標與要求進行實驗設計，在實驗設計過程中，小組要通過線上平臺進行交流、研討，同時教師給予指導;（3）根據設計的實驗內容，學生通過網絡視頻遠程在線互動指導，教師到實驗室幫助學生完成實驗操作，將實驗結果反饋給學生;（4）學生以小組為單位對實驗結果進行討論與數據處理分析，形成總結報告;（5）以在線視頻方式進行小組答辯，獲得實驗成績和教學反饋。

4 線上實驗考核評價體系建設

線上實驗的考核與評價貫穿整個實驗教學過程，從實驗考勤、學習測試、在線操作到實驗報告、實驗互動，全方位考察學生的學習情況，包括知識點掌握、儀器設備了解、實驗操作、數據處理、實驗結果分析能力等方面，嚴格實行實驗教學過程的監督與控制，保證實驗教學評價的客觀性和合理性，提高實驗教學質量。在實驗教學過程考核評價中，采用加權法評定實驗成績，借助實驗教學信息化管理平臺，分別給予各實驗考核部分一定的權重，然后將各項成績加權獲得實驗的最終成績（圖3）。

5 結語

信息技術、智能技術與實驗教學的深度融合實現了學生實驗學習、實驗選課、實驗教學管理和實驗教學資源的信息化，使得實驗教學的實施與管理更便捷、更有效。傳統的實驗教學永遠無法通過線上實驗教學來取代，但是線上實驗教學能夠有效的輔助線下實驗教學的快速完成，因此線上線下實驗教學是相輔相成、相互補充的。對于工科類專業的部分實驗，形成線上線下相結合的混合式實驗教學模式，有助于學生通過線上教學實現自我學習，全面掌握實驗理論知識和操作過程，起到更好的實驗教學效果。在未來的實驗教學過程中，需要對在線教學模式進行不斷的完善和改革，研究和探索線上線下實驗教學模式的相互融合、相互促進的內在規律，充分發揮實驗教學在人才培養中的作用。

基金項目：2020年吉林省高等教育教學改革研究課題：虛擬現實實踐教學平臺建設與應用研究（2019XYB122）;教育部產學合作協同育人項目：基于機械專業的混合式VR教育師資培訓體系建設與應用（201901230010）

參考文獻

[1] 高東鋒.信息化時代高校實驗教學改革的要求、思路與路徑[J].中國高教研究，2018（04）：93-96.

[2] 付莊，馮新，王堯. 多維互動線上教學法在教學中的應用[J].高等工程教育研究，2021（01）：193-196.

[3] 張宏偉，王海星，郭建鋒，等.基于騰訊課堂和虛擬仿真技術的嵌入式系統線上教學[J].實驗技術與管理，2020，37（12）：170-174.

[4] 王志瓊，劉津彤，苗淼，等.發動機拆裝實驗教學綜合平臺的研制[J].實驗室研究與探索，2019，38（11）：70-72，82.