基于虛擬仿真軟件的實驗教學滿意度調查及教學探索
——以氣象雷達原理課程為例

唐順仙，李 睿，史 朝

（成都信息工程大學電子工程學院，四川 成都 610225）

0 引言

氣象雷達原理是我校大氣探測專業學生的必修課程，是培養學生具備氣象雷達裝備研發、性能評估、故障檢測與維修等能力不可或缺的環節，此課程相關的實驗經常會用到一些精密度高、易損耗且價格昂貴的設備與儀器。然而在平時的實驗教學中這些設備和儀器不可能做到人手一套，故常采用線下集中教學演示和分組操作的教學模式。為節約實驗成本及緩解實驗設備不足，基于虛擬仿真技術開發的軟件逐漸被應用到氣象雷達類實驗教學環節中，特別是在突發公共衛生事件防控期間，這種基于仿真軟件的線上實驗教學模式得到了越來越廣泛的發展[1-2]。相比于傳統面對面授課模式，線上授課模式打破了時空局限性，讓每位學生都有機會在軟件界面上采用直接拖拽的形式親自完成實驗方案的搭建和信號測試，使原來只能以小組參與形式完成的實驗操作課程變得更加便捷、靈活和有趣。為進一步了解學生對線上實驗教學方式的接受度和線上教學活動設計的滿意程度，我們對2017級和2018級的部分本科生采用了線上問卷的形式進行了調查，并開展了氣象類實驗教學改革思路的探討。

1 調查結果與分析

1.1 線上教學方式的接受度

在對基于虛擬仿真軟件的線上實驗授課模式的接受度調查中，44.0%的學生認為是激動愉悅，28.2%的學生認為是緊張，27.8%的學生認為無所謂。該項調查結果表明，大部分學生對于利用虛擬仿真軟件完成實驗操作是抱有期待的。實驗授課的模式中包括錄播視頻演示和線上直播操作兩種方式，學生較滿意的方式是線上直播操作（88.9%），而對錄播視頻演示且不進行直播講解的教學方式表示比較反感。接受度模塊的調查結果顯示，學生對基于虛擬仿真軟件的線上直播授課是持支持和理解的態度，這也督促教師進一步思考，如何借助信息技術的優勢，將直播授課與傳統線下實驗操作模式的優勢進行互補，進而實現高校課程的開放化和信息化。

1.2 線上教學活動設計的滿意度

為了確保學生完成實驗操作而不受到網絡硬件和軟件等條件的影響，任課教師在授課前需為學生提供與本次實驗相關的教學視頻作為備播資料及預習資料。同時可利用虛擬仿真軟件自帶的打卡簽到、隨堂測驗和測驗結果統計分析等功能及時掌握學生考勤和學習情況，保證實驗教學的效果。

1.2.1 預發資料對教學效果的影響

在調查預發視頻資料對教學效果的影響調查中，36.8%的學生認為預發視頻資料對提高實驗操作效果很有幫助，60.8%的學生認為有一些幫助，僅2.4%的學生認為沒有幫助。這表明通過預發視頻資料的預習方式，能促使部分學生在課前主動進行實驗操作的預習，這種方式也使得任課教師授課和學生學習的過程變得更加輕松。但同時也注意到一些學生過度依賴回放視頻來完成實驗操作，這將使其學習效率變差，無法達到學習效果及有效地完成學習任務。針對這部分學生，任課教師需要及時地提醒他們克服懶惰心理，注重提高平時課堂的學習效率。

1.2.2 課堂互動與討論

通過騰訊交流群、討論社區等方式進行課堂互動，這種方式看似更符合年輕人的喜好，但問卷調查顯示45.9%的學生認為線上授課方式對師生情感交流不利，且有43.5%的學生認為自己在線上授課與傳統面對面授課時的課堂活躍度差別不大。但同時也發現，以網絡社交軟件作為工具的交流模式仍是年輕人更樂于接受的方式，61.7%的學生表示更愿意通過網絡與教師互動，73.7%的學生表示騰訊交流群的建立對與授課教師的溝通、討論、答疑有幫助。相比于傳統課堂的舉手提問，55.5%的學生更喜歡用彈幕、群聊天等方式參與線上課堂的互動。

1.2.3 隨堂測試環節

在線上授課過程中，當學生完成了設定的實驗內容后，我們會開展隨堂測試環節，即隨機挑選幾個實驗項目對其進行考查。通過在線教育綜合平臺發布隨堂測試時，54.5%的學生表示能獨立、自覺和誠實地完成相應的實驗任務，42.6%的學生表示能完成部分測試任務，2.9%的學生則表示不能完成。該模塊的調查結果顯示，絕大部分學生在隨堂測試環節表現較好，而針對少部分學生在完成測試環節出現的困難，教師應及時適當地調整教學方向、進度和節奏，使授課內容更具針對性和實效性，從而達到提升教學質量的目的。

2 虛擬仿真軟件在氣象雷達類實驗教學中的優勢

在氣象雷達類實驗教學中引入虛擬仿真軟件，在打破時間和地域限制的同時，還可以減小儀器設備臺套數限制和節約實驗成本等[3]。此外，虛擬仿真軟件在教學工作中還具有如下優勢：

2.1 滿足學生個性化發展的需求

氣象雷達是一個非常龐大且復雜的系統，學生要想提高自身的專業水平，就需要在實驗環節不斷地訓練自己，深入對硬件和軟件等方面的理解與認識。在傳統線下分組實驗教學過程中，教師很難做到對每個學生都制定個性化的實驗方案及詳細的指導。然而虛擬仿真軟件的應用，能夠讓學生自由地探索感興趣的知識，并允許教師針對學生某方面的不足，個性化地設計實驗方案，從而在提高學生專業水平的同時滿足學生個性化發展的需求。

2.2 教學內容的擴展和教學質量的提高

線上實驗教學可利用虛擬仿真軟件模擬線下實驗中不易創建的實驗環境。由于真實雷達系統中大部分的雷達部件及工作參數不能自由調整，這極大地限制了實驗內容的制定，也影響了學生對雷達核心部件構造及性能的進一步認識。然而，虛擬仿真技術可以重現雷達核心部件且放大了對雷達所有參數的設置，而無須擔心由此可能造成的系統損壞或不可恢復等問題。這種教學模式極大地方便了教學內容的擴展和保證了教學質量的不斷提高。

2.3 保障實驗操作的安全

氣象雷達類很多實驗均涉及高頻高壓，具有較高的危險性，線上操作則為實驗的順利進行提供了安全保障。虛擬情景實驗不僅能夠強化學生在仿真環境下規范操作的安全意識，同時又避免了高危實驗潛在的危險性。此外，初學者對雷達設備的不當操作易造成設備的損壞，而虛擬仿真實驗可提供給學生充分的實驗操作空間，而不用擔心設備因誤操作而損壞。這樣可以使學生以較放松的心態大膽的“試錯”，從而培養其自信心和創新能力。

2.4 增加實驗結果的直觀性

虛擬仿真軟件可以模擬典型天氣過程在不同地形條件、不同觀測模式下的回波特征，進而為氣象雷達觀測提供很多在真實情況下“可遇不可求”的理想天氣過程。這將使學生能夠更加直觀地了解不同天氣過程在雷達回波圖中的特征，在激起學生興趣和好奇心的同時掌握更多天氣學的知識，有利于學生對理工結合類知識的掌握。

3 基于虛擬仿真軟件的氣象類實驗教學改革思路

3.1 繼續豐富虛擬仿真實驗教學軟件的功能

在氣象類實驗課程中，涉及實驗內容是相當豐富的，例如有雷達信號測試、性能優化與分析、故障排查及定位、回波模擬及特征識別等。虛擬仿真軟件性能的提升及功能的豐富是提高軟件得到更多重視程度的根本。增加軟件自主調整功能，教師可以在軟件中設置很多故障點，讓學生利用軟件完成故障的定位及排除，這樣既可以鍛煉了學生動手能力，也能保證每位學生都訓練到位，提升了實驗教學質量。

3.2 不斷提升教師虛擬仿真軟件操作的水平

教師對軟件的熟練掌握程度直接影響了其實驗教學水平。對于初次接觸虛擬仿真軟件的教學人員，需施行導師制，即由軟件熟練操作人員對其進行系統的輔導。此外，鼓勵教師將此軟件引入到平時的科研項目研發中，在科研項目的推進中盡早地提高軟件操作水平，進而提升實驗教學質量。

3.3 重點引入教學與科研相互促進的模式

從教師的科研項目中選取較好的成果，并將其轉化成實驗項目，這樣極大豐富了虛擬仿真的教學內容，調動了學生利用軟件的積極性和創造性，并開拓了學生的視野，從而有利于提高學生在工程實際應用方面的能力。與此同時，教師在科研中廣泛的應用虛擬仿真軟件，這也在一定程度是提升了其實驗教學水平[4]。

3.4 全面優化教學內容和教學大綱的質量

現代化的虛擬仿真技術引入到實驗教學環節，為實驗內容的豐富和綜合性實驗的增設提供了非常好的契機。在構思新的實驗內容時，編寫創新性實驗教材和課件是十分必要的。與此同時，教學大綱也需要根據新的實驗內容和手段“與時俱進”。新技術的引入和實驗內容的深化在豐富了學生的科學思想和創新能力的同時，也不斷提高了教師的教學水平和質量。

4 結語

虛擬仿真教學軟件的出現突破了實驗教學對客觀條件的諸多限制，在實驗安全性和內容擴展方面也具有明顯的優勢。此外，基于虛擬仿真軟件的線上教學模式增加課堂活躍性、形象逼真的展示實驗結果、激發學生積極性和提高教學效果等方面均優于傳統線下分組教學的模式。開展對這種實驗教學模式滿意度的調查后發現，絕大部分學生對這種教學方式是接受的并且對教學效果是滿意的。通過對這種教學模式改革的思考，在不斷地豐富軟件功能、提升教學水平、引入教學科研相互促進的模式和優化教學內容的前提下，這種教學模式才能夠真正激發學生學習潛能，同時實現按需學習、有效學習和精準學習，進一步幫助學生達到“學有所思、學有所悟、學以致用”的教育目標。