基于虛擬仿真實驗的混合式電工實驗課程建設

孟超 夏桂書

(中國民用航空飛行學院 四川廣漢 618307)

隨著現代電子信息以及互聯網技術的高速發展，學生的知識獲取渠道已突破了傳統書本的限制，并更加適應通過手機、電腦等媒介，以電子書、課件、視頻等形式進行知識學習。在此環境下，故步自封的傳統教學模式壓力重重，先進知識的接觸與演示受限，課堂管理與學習行為監管也難以有效落實。同時，在實驗課程中，大部分實驗項目都是圍繞基礎驗證性實驗來開展，著重于理論知識與基礎實驗操作的教學[1]，設計性實驗項目開設較少或效果不佳，這與傳統實驗教學模式過度依賴硬件環境，課內教學時間受限等有關，知識熟悉程度與技能訓練程度不高，創新設計能力必然難以保證。堵不如疏，啟動在線實驗課程建設，結合實驗內容學習與實驗技能訓練兩個方面，將部分線下課程內容轉為線上，從填鴨式教學轉為引導式學習，拓展學生知識獲取范圍，激發主動學習興趣，直擊傳統教學痛點，利用先進的電子信息技術，加強對實驗技能的訓練，促進實踐創新能力養成。

《電工實驗》是為筆者學校工科類專業所開設的一門實驗類基礎課程，課程內容包括常用電工、電子儀器的使用，直流電路特性，交流電路特性，模擬電路特性和數字電路特性這幾部分，包含數電、模電以及電工類型的實驗項目，基礎實驗和綜合性實驗并重，旨在為培養該校本科學生相關的電類基本操作、工程設計、實驗研究等領域的寬口徑復合創新型精英人才奠定堅實的基礎。

1 在線課程建設意義

傳統的實驗教學主要包括基礎知識講解、設備講解與操作演示、學生操作指導這3 個環節，課程內容多，知識覆蓋面廣，有限的授課時間內任課教師難以做到面面俱到，尤其是學生對理論知識的掌握和實驗知識的理解程度存在著較大差異，導致部分學生僅僅按照教師的操作方式進行機械重復性實驗[2]，對實驗內容、實驗設備、實驗操作的了解不夠，獨立實驗能力、實驗分析能力、總結歸納能力的訓練不足，創新設計等能力的培養更難以保證，這些都直接影響著課程教學效果與人才培養質量[3]。

“互聯網+”時代的到來拓展了當代大學生的知識獲取途徑，與傳統的課程學習的固定時間、地點的學習方式相對應，在線課程學習具有隨時隨地、可循環多次的特點，不僅能更充分地利用學生的零散時間，也能兼顧到后進學生。而要利用互聯網技術開展課程改革，建設在線課程，更重要的是得區別于孤立的課程上網，課程的建設不能僅限于在線課堂，不是單純地將線下的課程內容遷移到線上，而更應靈活應用移動技術、互聯網技術、云計算與云存儲等新技術，結合課程內容與課程定位，優化整合線上教學資源，動態更新、高效管理和應用，實現課程內容分區域、跨專業的全面共享，以實現課程教學資源充分覆蓋，發揮優質在線課程的輻射作用[4]。落實在課程輔助課堂教學本身，在線課程與傳統課程的主要區別在于：傳統課程受到課堂時間、課堂地點與課程內容等客觀情況的限制，課堂中難以講太深、不能拓太寬，師生溝通的途徑也并不通暢，而在線課程突破了上述限制，在實現正常課程教學的功能之外，能圍繞課程定位、課程內容、知識點、應用情況等關鍵點拓展學生對課程本身的認知，能拓展與加強師生間的溝通，提供更深入了解課程、專業乃至學科的機會，深度改變傳統課程學習的意義。

在慕課等在線課堂對傳統理論課堂教學的影響日益增大的情況下，筆者認為，實踐課程由其獨特性，既聯系理論又結合實際，在提高學生實踐創新能力方面具有不可替代性，所以實驗實踐類課程的在線課程建設不能完全地照搬理論性課程的建設方式，而應該結合實際體現出實驗實踐類課程特色。虛擬仿真實驗教學綜合應用了虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫及網絡通訊等技術，通過構建逼真的實驗操作環境和實驗對象，使學生在開放、自主、交互的虛擬環境中開展高校、安全且經濟的實驗，且達到現實環境中難以復現或真實實驗難以具備的實驗效果，尤其對于一些涉及一定操作危險的實驗，虛擬仿真實驗具有明顯的優勢，并對傳統的實驗教學思想、體系、模式、內容、方法及手段等產生意義深遠的顛覆性影響[5]。

經過數年的發展，在電類基礎實驗方面，虛擬仿真技術已經實現數電、模電、電工類實驗的大部分實驗項目的搭建，能體現基礎元件特性、線路工作及故障效果，能滿足基本教學需求，在實際教學運用中，通過觀察虛擬現象、模擬實驗操作、解決虛擬問題等形式，能幫助學生直觀認識和理解世界的客觀運動，幫助學生掌握一定的實驗知識與能力，幫助學生提高創造性和綜合性動手能力，幫助學生培養學術素養和實踐素養[4]，實現實驗課程的一部分教學效果。尤其電類實驗可能存在觸電危險因素，虛擬仿真實驗可預先加深學生對元件、線路以及基本故障等的熟悉度，對后續的課堂線下實驗具有良好的補充作用。但是，虛擬仿真實驗并不能替代傳統線下實驗環節，對學生實踐創新能力的培養與提高，只有在豐富的實踐環境中通過大量的操作訓練才有可能實現，明確虛擬仿真實驗教學定位，充分發揮虛擬仿真實驗對線下實體實驗教學效果的鞏固、促進及彌補作用，進行一定程度“虛實互補、以虛促實”的教學建設，才是理想的實驗類在線課程建設方向[6]。

該在線課程的建設以“建設省部級乃至國家級一流本科課程”為導向，密切結合教學實際，緊跟在線教學改革時代步伐，力求突破傳統教學的約束，對學生知識獲取渠道進行拓展，對傳統知識學習方式進行革新。與此同時，以課程建設為契機，圍繞課程目標，以建立豐富的課程資源為基礎，竭力拓展課程知識結構與知識面，結合虛擬仿真技術，加強對學生基礎實驗能力的培養，優化線下課程教學結構，強化線上與線下教學的聯系，構建課內外知識技能的橋梁，搭建師生間課外知識交流的平臺，并適度開展課程教學改革，解決一些實際教學中的問題，為課程學習質量提高提供支撐。

2 在線課程結構設計

提高實驗課堂教學質量的難點在于提高課前知識掌握與實驗操作熟悉程度，孤立的在線教學平臺及泛在化的教學資源屬于孤立的知識，在缺乏面對面的引導、輔導、總結和討論環節時，學生容易處于“無人管理”狀態。因此，無論是獨立的傳統實體課堂教學或孤立的在線教學都難以取得最佳的教學效果[7]。該文探索了集在線教學、課堂教學、互動答疑、課前考核于一體的線上線下混合式教學模式，將公共資源、課程資源放到限制性公開的資源平臺上，為不同學生提供既有泛在化的又分層次的優質教學資源，學生自行安排時間進行自主學習，根據課程安排以課件學習、視頻學習、師生互動答疑等方式完成對課程內容的學習，根據學習進度安排進行課前測驗，測驗通過可根據自身熟悉情況多次參與虛擬仿真實驗，通過重復測驗或虛擬實驗深化預習效果，教師通過課前考核情況及資源學習進度可了解學生的學習狀況。在電類基礎實驗中，由于實驗過程存在發生學生觸電事故的可能性，課前的安全教育與操作事項預習尤為必要。同時，在課前參與虛擬仿真實驗，既能在避免用電傷害，又能實現反復多次的技能訓練，改變了傳統實驗環境地點的限制，學生自由安排時間在線自主操作，促進了學生知識技能、創新能力及綜合素質的提升，也能有效改善學生課前基礎較差以及對實驗熟悉不足的問題，為實驗安全與教學質量提供更多一層保障。

圖1為課程教學設計與實施過程。根據圖1可知，針對不同學習需求將課程結構分為課內與課外兩部分，其課內部分再根據課程進度二次劃分為課前、課中以及課后3個階段。

圖1 在線課程結構設計

2.1 課內部分

（1）課前階段以在線課程中的學習為主，將基礎知識溫習與實驗內容預習等課程準備工作通過線上方式前移，不同課程分別對應不同學習任務與要求，學習資源有教學課件、教學視頻以及相關規章要求三類，按學習進度節點插入適量的測試題，鞏固學習過程效果。同時，積極開展師生線上互動答疑與問題探討，進行查漏補缺。在完成基礎課程學習任務后，通過預習測驗題測試課前預習成果，達標后可參與虛擬仿真實驗進行實驗操作訓練。教師可通過師生互動與課程后臺數據即時掌握各學生的學習進度與參與情況，據此對學生的課前預習情況進行評測、歸納，歸納所得的共性與個性問題可以應用到后續的線下授課過程中，以進行針對性講授、答疑，從而盡可能地確保學生的課前預習效果。

（2）在課內部分的課中階段，該階段以面對面課堂教學為主，在教學過程中充分利用實驗課程良好的互動性、實操性以及創造性，使學生成為教學主體，進行線下實驗教學與線上互動的混合式教學。該階段的教學結構更加靈活，授課教師可基于前期線上預習評測結果，在滿足教學要求的范圍內，隨時對課堂的教學設計和教學活動進行相應微調，合理利用課程內容預習前移所留下的課堂時間，靈活采用線上平臺的多樣化互動方式，以翻轉課堂為主要教學手段，開展小組討論學習、研究式學習、創新式學習，活躍課堂氛圍，充分調動學生的學習積極性，發揮學生的創新性，倡導教師引導下的主動學習、相互學習。混合式的教學模式的優勢與特點在該階段得到體現，通過課前在線課程的學習，不僅提升了學生對課程內容與實驗教學的熟悉度，也加深了教師對各學生基本情況的了解，空余出來的課堂時間也能有針對性地進行教學，關注學生的學習狀態。新穎的學習形式、多種教學手段混合運用，不僅能有效激發學生的學習興趣與創新意識，使學生成為課堂主體，在豐富的在線學習資源和踴躍的課堂討論環境中，在不脫離教師、教材和“集體”的情況下充分發揮自主和探索能力[7]，同時也能引導教師主動學習、掌握信息化教學手段，促進教師水平、教學能力的提高，提高教師開展教學改革、教學研究的積極性。

（3）課內部分的課后階段通過實驗報告與線上資源學習的形式進行，引導學生進行課后總結與反思，真正達到核心知識內化、培養學生的實踐操作能力與實驗思維，停課不停學，指引學生利用線上資源持續、深入學習。

2.2 課外部分

在課外部分，課程內容公開化，以實驗拓展、應用拓展、其他資源三類學習資源為主，引導學生了解設計性實驗，多角度思考問題，激發學生創新思維；引導學生應用實驗知識處理解決問題，了解課程知識的實踐應用；將實驗相關知識與實際生產生活領域相結合，拓展學生對實驗內容的理解。課外部分的資源主要以幫助學生拓寬眼界、引導學生繼續思考、加深對課程的理解、激發學生創新設計性思維為目標而構建。

3 在線課程考核制度

安全準入是實驗安全保障的第一環節，如圖2 所示，在原有的安全管理制度基礎上，將部分實驗安全操作以及安全培訓通過虛擬仿真或微課的形式呈現，學習通過后再進入實驗室開展實驗活動，盡可能提高學生課前對安全操作知識的熟悉程度，從而避免安全事故的發生[8]。

圖2 在線課程考核流程

合格的課程學習必然是立足于有效的課程監督之下，相較于完全依賴人力的線下實驗活動管控，在混合式課程中，通過線上平臺不僅能獲取學生學習、虛擬實驗等活動的過程及最終數據，設計模型進行分析與科學評價，還能及時將分析與評價結果推送給學生，進行學習反饋，這些都是更有效的且單獨的線下實驗管控所難以實現的[9]。在課程監督的設計中，教師結合課程進度通過師生互動、線下翻轉、學習數據、課后報告等途徑可參與到課程學習的全過程，以進度監控、習題考核、教師督促的形式構建有監督的在線課程學習模式，從而保障在線課程教學效果的有效實施。

4 結語

與傳統課程和單純的在線教學相比，結合在線準入學習與線下翻轉課堂的混合式教學模式，深入教學的課前準備、課堂授課、課后反思、知識拓展等方面，著重線上與線下教學間的聯系，課程結構不孤立、內容不單一，增加了課程的深度與可拓展性，可促進師生交流，更好地激發學生的學習興趣。虛擬仿真教學模塊的加入，既能進一步夯實學生理論基礎，也為學生提供了更多熟悉實驗操作的機會，有助于養成或提高學生的故障解決能力及實踐創新能力。科技日新月異，當人工智能、三維計算機圖形及觸覺反饋等技術的融合應用得以量產，虛擬仿真實驗設備將會迎來又一快速發展期，然而在設備購置經費受限的情況下，須以客觀教學實際做好建設規劃，既確保能有效服務于實體教學，也避免因過度建設、重復建設所導致的資源浪費。