虛擬仿真實驗教學模式的探索與實踐

李紅嶺，高曉陽，賈尚云，楊 梅，牟佳偉，齊 瑤

（甘肅農業大學機電工程學院，甘肅蘭州 730070）

0 引言

隨著時代的發展，信息技術以及一些新興虛擬仿真平臺逐步登上了新時代的舞臺[1]，雖然一些高校已經或者正在實行實驗教學改革去應用新的教學資源來實現線上實驗教學[2-5]，但是并未完全普及，一些偏遠地區的高校改革進程緩慢。2020 年年初，新冠肺炎席卷全球，為實現“停課不停教、停課不停學”的目標，各個高校采取不同的措施，共同實施并保障高校在線教學，極大地促進了虛擬仿真實驗教學的改革進程[6-9]。我校也積極參與其中，遵循“厚基礎、重實踐、求創新、高素質”的辦學定位目標和創新型人才培養宗旨，鼓勵教師摒棄傳統實驗教學的教學模式單一、實驗設備高成本、實驗過程高消耗、考核體系不完善等問題，積極探索信息技術與實驗教學融合、理論教學與實驗教學協同、科學原理與工程應用相結合，以學生為中心，注重過程與方法、提高素質與能力、突出實踐與創新的教學理念與方法，推進虛擬仿真實驗教學的改革步伐[10,11]。

1 電子技術虛擬仿真實驗

1.1 電子技術虛擬仿真實驗操作平臺

電子技術虛擬仿真實驗通過虛擬仿真教學管理平臺在線設計操作實驗，平臺設計以易用和實用為原則，綜合運用了最新的設計思想和多種關鍵技術，使之在整體結構、操作方式、圖形處理和界面設計等方面技術特色突出。用戶可以在實驗平臺上自主選擇邏輯器件或者形象器件兩種形式來搭建實驗，如圖1。系統所需元件與儀器均是3D模型，與真實器件一樣，學生可以自主實驗，選擇相應器件與參數，無需消耗類或易損類實驗材料。該實驗環境注重可視化、互動性操作以充分激發學生的創作靈感，使學生在該環境下可以根據各自的創意去構思、驗證各種個性化的設計方案，盡情感受學習的樂趣，自主完成實驗的全過程。

圖1 實驗操作平臺

1.2 實驗教學管理平臺交互性操作功能

電子技術虛擬仿真實驗課程以“課前、課中、課后”為導向，在實驗過程中，每個學生都參與進去，與教師交流互動，教師設計發布一些學生感興趣的任務并給出每個任務的目標，學生可以先根據任務目標查找資料、觀看視頻學習相關原理知識，了解實驗相關儀器設備，并根據自己的興趣自主設計實驗電路，然后通過仿真平臺進行繪制、仿真調試實驗，獲取、分析并處理仿真結果等，這樣的過程充分發揮了學生的自主性，培養了學生主動學習、探索學習的能力。實驗教學管理平臺可自動生成可追溯實驗記錄供教師查看批閱，學生通過分析總結實驗數據填寫并提交實驗報告，平臺可自動批閱或教師手動批閱，最后教師發布成績并將問題反饋給學生。主要功能如圖2。

圖2 交互性操作功能

2 電子技術虛擬仿真實驗教學設計

2.1 實驗教學內容設計

電子技術實驗是我校機械設計制造及自動化、農業機械化與自動化和車輛工程專業課程教學中的一個重要環節，在實驗內容設計方面旨在提高實驗設計的靈活性、學生選擇自主性與創新性、實驗結果準確性與規范性要求，使其達到理想化的教學效果[12]。具體內容如表1。

表1 實驗內容及學時安排

2.2 實驗教學過程設計

教師采用教問式、互動式、任務驅動式的引導教學方法，構建課前、課中、課后過程性評價體系，全面地考查學生對知識的理解、掌握程度以及靈活運用知識解決問題的能力。具體有課前準備：老師發布任務單、準備教學資源、學生預習了解實驗任務及相關原理知識等；課中實踐：老師講解實驗原理、老師答疑討論和學生設計方案完成仿真操作任務等；課后總結：學生總結分析實驗結果，提交實驗報告、老師評定并總結反饋等。

2.3 實驗方法

如圖3，實驗分為設備認知、原理分析、電路模塊設計、綜合仿真運行四個模塊，考查四個層次的能力，先后有機銜接，進行層次化、模塊化實驗教學，構建課前、課中、課后過程性評價體系，全面考查學生對知識的理解、掌握程度以及靈活運用知識解決問題的能力。

圖3 實驗方法

3 課程評價與改革成效

3.1 課程評價

在實驗教學實踐過程中不斷地改進考核方式，增加過程性考核的占比，逐步構建完善的課前、課中、課后過程性評價體系，全面的考查學生對知識的理解、掌握程度以及靈活運用知識解決問題的能力。具體用完成度考核（占比40%）、實驗結果考核（占比60%）兩種形式進行考核。

（1）完成度考核：主要考核學生對實驗各個環節任務的完成情況，具體包括理論知識及元器件的預習、組成實驗電路設計方案合理性與正確性、團隊協作及完成進度的考核。

（2）實驗結果考核：主要包括學生在進行模擬運行實驗過程的電路的搭建與仿真結果，對實驗數據的獲取、記錄與分析，實驗報告的撰寫等實驗結果的完整性考核。

3.2 改革成效

經過電子技術虛擬實驗項目的實施，課程教學取得了良好的效果，集中體現在學生層面和教師層面。

（1）學生層面。相比于傳統線下實驗，學生普遍對新的在線虛擬仿真實驗教學更感興趣，虛擬仿真實驗教學在時間與空間上更自由，學生能夠在虛擬環境中自由設計并驗證實現自己的思路，而不用擔心實驗過程中由于失誤造成儀器設備損壞。虛擬仿真實驗教學使學生的實踐能力和創新意識有了顯著的提升，取得了良好的效果[13]。圖4 為17 機制2 班48 人的線下實驗與18 機制2 班54 人線上虛擬仿真實驗的各分數段成績對比。分析圖4 可知，虛擬仿真實驗平均成績比線下平均實驗成績高了5.86 分，80 分以上的學生比例提高了近26%。

圖4 線下實驗與線上虛擬仿真實驗各分數段成績對比

（2）教師層面。教學模式和組織設計具有一定的科學合理性，很大程度上減少了師資投入，實踐教學效果良好。虛擬仿真實驗教學解決了傳統線下實驗由于儀器設備的欠缺而無法完成一些實驗內容以及只靠教師口頭講解的問題，在教學過程中教師的教學任務得到明顯減輕，授課效率明顯提高。新的教學模式以學生為中心，受到學校督導及教師的廣泛好評。

4 結語

在我國新冠肺炎疫情進入常態化防控過程中，新的實驗教學理念也發生了很大轉變，在電子技術實驗教學模式的探索與實踐過程中，應當重視傳統實驗與現代信息手段的結合，進行理論教學改革的同時，在實驗教學內容、教學方式與手段等方面也要做積極探索，構筑全方位多視角的實驗教學模式。虛擬仿真實驗教學模式作為特殊時期出現的特殊實驗教學模式，引入了大量的新技術、新概念和新方法，需要教師在實踐探索中充分利用網絡資源，不斷豐富與改進教學內容與方法，真正實現從“教學實驗”向“實驗教學”的轉變[14,15]。