基于虛擬仿真實驗的多課程融合教學方法*

中國計量大學計量測試工程學院 江文松，邵家存，羅哉，王學影

一、引言

誤差理論與數據處理、虛擬儀器、傳感器技術等課程是儀器專業的主干課程，能夠幫助該專業本科生全面了解儀器系統設計、分析與評價等方法[1,2]。因此，該課程的講授模式在儀器類專業課程的教學環節至關重要。

誤差理論與數據處理課程是計量專業的特色核心課程，其教學內涵也隨著國家計量事業與測試技術發展的新要求而不斷變化。因此，本課程的建設理念、內容與教學方法等也在不斷地動態調整與優化[3,5]。近年來，新冠疫情對傳統教學活動產生較大的沖擊。

一方面，線下課堂教學難以滿足復雜的教學秩序；

另一方面，從教學模式和技術實現上，線上網絡化教學手段很難達到傳統講授效果。“線上線下”網絡化教學模式更需要兼顧遠程教學、線上互動和虛擬再現等教學行為和課堂功能，因此，開展新形勢下計量專業課程的教學改革迫在眉睫[6]。

目前，多課程教學改革的重點問題突出，主要體現在三個方面：

（1）教學理念的優化進階。傳統的重知識傳授的教學理念采用自上而下的垂直灌輸模式，無疑會固化學生思維、脫離與前沿科技的貫通、分離教師的科研與教學工作等[7]。

（2）教學資源的多課程拓展重構。誤差理論與數據處理是計量專業的理論基礎，是從事計量技術研究、計量校準、工程測量等應用技術的前提[8]。通過數字化虛擬現實技術把前沿工程案例引入課堂，能夠有效銜接經典理論、科技前沿與工程應用，實現“產學研用”的閉環管理。

（3）教學方法的網絡化突破。板書、多媒體、實驗等傳統講授方法在課程教學上依然重要，但在新形勢、新工科和新技術條件下的能力培養上不具優勢[9,10]。通過理論教學、虛擬實驗教學的多課程融合，建立線上線下混合式教學課堂，由此激發學生的學習積極性和創造性，拓展專業課程教學內涵，培育實踐能力，實現高階教育的目標。

因此，針對“新工科”背景下的計量特色專業課程，采用網絡化教學模式和多課程融合的教學手段，將虛擬仿真實驗平臺引入網絡教學課堂，形成課堂理論學習、仿真實驗設計、實驗與理論相結合的實踐驗證等核心教學環節的閉合，真正使教學內容“學以致用”。

二、虛擬仿真與多課程融合的教學模式

針對計量專業特色課程，以動態力計量虛擬仿真實驗作為網絡化教學資源，以測量不確定度評定作為理論教學內容，以LabVIEW圖形化編程語言作為網絡互動實操手段，開展傳感器、誤差理論與數據處理、虛擬儀器等多課程的數字化融合教學新模式。

（一）動態力計量虛擬仿真實驗教學平臺

動態力計量虛擬仿真實驗教學平臺，用于計量專業本科生開展力傳感器動態校準相關的仿真實驗，是依據力傳感器校準原理和計量基準裝置通過虛擬現實技術構建而成的線上虛擬實驗計量平臺。該平臺主要包括自主學習、實驗操作和實驗考核三個模塊，其中，自主學習模塊用于學生提前預習虛擬仿真實驗系統的教學目的、工作原理、操作指南及各類相關傳感器的參數指標；實驗操作模塊主要面向線下課堂實驗教學，通過等比例構建的實驗室環境，再現計量檢測機構的動態力校準裝置、被校準力傳感器、各類等級的標準傳感器、數字化二次儀表、數據采集儀表、數字化顯示終端及圖形化編程環境等量值計量的標準實驗環境，該模塊具有線上互動操作功能，方便師生進行過程復現、程序設計、數據獲取等虛擬實操；實驗考核用于自動記錄、跟蹤、評價學生虛擬仿真實訓的過程與結果，查看學生實訓成績及各步驟的合規性情況，實現學生復習、自評及教學評價的閉環輸出。

虛擬仿真實驗平臺通過講授、學習、訓練、考核、管理、評價等教學功能的集成，實現理論課程資源、虛擬仿真軟件、實驗實物設備的高效融合。通過該平臺，能夠將“翻轉課堂”“線上線下” 和“泛在”等 “理、虛、實” 一體化教學模式引入計量專業課程的講授過程，提高理論、實驗及二者混合教學的效果，提高學生對測量、校準、檢定、評價等計量活動規范性的認識，彌補設備、流程、實驗、技術手段等線上教學資源的不足。

（二）多課程融合的教學模式設計

計量學理論作為儀器學科的重要組成部分，涵蓋多個領域的專業基礎性學科。以誤差理論與數據處理為例，該課程以高等數學和數理統計學為理論基礎，以傳感器技術與虛擬儀器為專業基礎，是精密機械設計、測試信號分析與處理、自動控制理論等課程的理論基礎。因此各個課程之間存在知識交叉且互為關聯的內容，采用多課程融合的教學模式，既能讓講授過程更為連貫，知識點串聯更為緊密，還能讓學生樂于探索、溫故知新。

針對誤差理論與數據處理、虛擬儀器、傳感器技術等課程，建立多課程融合教學模式，通過動態力計量虛擬仿真實驗教學平臺，結合校準原理編制實驗程序，獲取虛擬校準數據，采用誤差理論與數據處理課程的基礎理論，實現動態力校準數據的誤差分析、誤差合成與分配、不確定度評定等指標評價。達到儀器類多課程融合教學的目的，起到工程化實踐教學的效果。具體實施過程如下：

（1）網絡教學資源的共享。建立微課、視頻、文獻等教學內容的在線數據庫，通過定時、定量、定群體的方式在網絡云平臺發布數據庫資源，供學生完成理論知識的個性化預習。

（2）線上線下的理論教學。針對測量不確定度評定的教學內容，教師系統講解誤差性質及原理、不確定度來源及計算方法、合成與評價等，采用線上板書與PPT輔助的教學方式開展理論教學，漸進展示理論與方法的推導過程，使學生易于把握知識脈絡體系，突出重點知識核心，掌握系統性分析思維能力。

（3）多課程融合。針對上述理論課程的講授知識點，融合傳感器技術與虛擬儀器兩門課程開展相關知識鏈接，設置動態力計量虛擬仿真實驗交互學習體驗環節，讓學生通過WEB端虛擬仿真實驗平臺，以第一視角體驗和學習動態力計量仿真實驗的原理、實驗環境、配套設備及操作步驟。教師依據計量規范向終端學生派發與理論教學相關的實驗任務，通過操作提示和原理分析等漸進式教學手段，引導學生對動態力校準實驗數據進行誤差分析和不確定度評定等教學內容的認識與理解。通過上述多課程融合，達到理論與實踐的統一、教與學的統

一、知識點與知識體系的統一。

（4）課程跟蹤評價。WEB端設置測評接口，通過對學生的實驗操作步驟的正確性、操作規范的符合性、不確定度分析結果的準確性等操作痕跡進行量化評價，方便教師查看學生實踐環節的成績及其分布，輸出教學效果評價報告。通過該過程優化評價手段，簡化評價過程（見圖1）。

圖1 多課程融合教學模式拓撲結構圖

（三）融合課程的成績評定

學生學習效果評價與課程目標達成情況評價緊密結合，該課程注重過程考核以督促學生日常學習。通過理論教學考核環節考查學生學習能力和思辨能力的養成情況，通過虛擬仿真實驗教學考核環節考查學生科學思維與問題分析等能力的形成情況。

具體而言，學生綜合評定包括過程考核和期末考核兩部分：過程考核包括平時作業（占總成績10%）、考勤與課堂討論表現（占總成績10%）、虛擬仿真實驗的實踐表現（30%），期末考核筆試成績（占總成績50%）。

考核內容能夠準確反映學生學習效果，信效度高，進而能夠推斷、分析課程目標達成情況。每輪教學結束，各教學班任課教師和課程負責人均需撰寫《課程目標達成情況評價報告》，從不同的角度分析學生成績與學習情況，總結課程設計、教學安排、考核方式等方面的經驗與不足，持續補充課程建設改進策略。

四、教學模式的特色分析

（一）“理、虛、實互動”教學模式促進體系化專業技能的構建

采用的“理、虛、實互動”教學模式利于學生構建系統全面的專業知識體系，掌握知識運用技能和實驗技能。理論教學凸顯專業基礎和知識脈絡，實驗設計凸顯標準意識和操作細節，通過開展問題式、探究式和理論反演式教學模式，促進學習目標的達成和體系化專業技能的構建。

（二）“科、教、思政融合”型課堂促進學生科學素養的培植

課程目標凸顯科學情懷熏陶、科學精神涵養、科學思維訓練等思政元素；課程內容突出科技前沿、計量特色和工程實踐等專業元素；教學設計依托科研項目成果、虛擬仿真實驗平臺等多學科元素，發揮課程教學對學生科學素養養成上的最大化。通過教學內容的拆解與重構，實現科研資源向教學資源的轉化。

（三）傳統教學模式的延伸與拓展

基于虛擬仿真實驗的多課程融合教學模式是多元化教學的探索與嘗試，既能夠克服傳統理論講授和實驗教學以教師為中心的局限，也可彌補理論教學脫離工程實踐和傳統實驗平臺不能實現的實驗內容。一方面將理論教學與實驗教學進行互聯融合，另一方面將特色實驗從線下搬到線上，從而拓展了教學內容的廣度，延伸了實驗教學的深度。這有利于促進人才培養質量的整體提升。

五、結論

（1）通過虛擬仿真實驗教學平臺，為線上理、虛、實” 一體化教學模式提供基礎環境，使教學資源的多課程融合、教學活動的網絡化互動、教學效果的科學評估與課程講授的高效管理成為可能。

（2）通過多課程融合教學模式，在凸顯專業特色的基礎上釋放教學過程定式，通過增加學生課前課后學習任務，加強課堂研究型和項目式教學環節，設置線上師生互動、生生互動，提高學生創新性和批判性思維的培養。