信息化實驗教學方法探究*

趙恩蘭 董妍 郭華鋒

摘? 要? 實驗教學是高等院校教學活動的重要組成部分。分析傳統實驗教學方法存在的局限性，總結現有的基于多媒體、慕課、軟件仿真、虛擬現實的多種信息化實驗教學方法。信息化實驗教學方法是指在先進的教育理念指導下，利用信息化技術開展實驗教學的過程，它是現有傳統實驗教學方法的重要補充。

關鍵詞? 信息化實驗教學方法；多媒體；慕課；軟件仿真；虛擬現實

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）20-0147-04

0? 引言

實驗教學是理論教學的重要補充，在高等院校的教學體系中扮演著非常重要的角色。實驗教學主要包括驗證性實驗、設計性實驗和綜合性實驗等，不同的實驗類型具有不同的作用?？偟膩碚f，實驗教學既可以加深學生對理論知識的理解和掌握，也可以有效提高學生綜合運用所學知識解決實際問題的能力，如創新能力和綜合素質。目前，實驗教學已被廣泛應用于各高校、各學科的教學中。

1? 傳統實驗教學方法及局限性

經過多年實踐，高等院校實驗教學已經形成固定的模式，即傳統的實驗教學方法。實驗前，教師將實驗報告和實驗指導書分發給學生，學生做好相應實驗的預習環節。實驗時，教師對實驗目的、實驗內容、實驗步驟、實驗注意事項等進行簡單介紹，并演示實驗設備的操作過程和實驗流程；在此基礎上，學生分組進行實驗環節，并做好實驗過程和實驗數據的記錄。最后，學生根據相關知識點對實驗數據進行綜合分析，撰寫實驗報告。

傳統的實驗教學方法在經過長期的實踐檢驗后，具有一定的有效性和實用性，但是在新時代的教育環境和要求下也表現出一定的局限性。

1）隨著精英化教育向大眾化教育的轉變，學生人數逐漸增加，學生學習的積極性有待提高。

2）實驗教學與理論教學聯系不夠密切，理論和實踐脫節。在進行實驗過程中，多數學生僅重視實驗儀器的操作過程和實驗數據的記錄，并沒有真正理解儀器的原理、數據的產生、數據的分析等與理論教學過程中知識點的聯系。

3）高校的實驗教學設備功能較單一，一般僅能夠呈現容易觀察到的實驗數據和實驗現象，對于書本上學習的很多知識點無法形象地呈現出來。

4）大眾化教育引發學生多和實驗設備少之間的矛盾。相對理論課程的學習，學生由于具有天然的好奇心，在動手實踐和課程實驗時具有較高的積極性，但是由于實驗設備臺（套）數的限制，無法做到每位學生都能親自操作，導致多數學生僅是跟隨同學機械地記錄相關實驗數據。

因此，傳統的實驗教學方法已遠遠達不到金課建設所需要達到的“兩性一度”要求，即創新性、高階性和挑戰度。

針對上述問題，如何通過新的實驗教學手段和教學方法，提高實驗教學質量、改善實驗教學效果，是目前實驗教學過程中亟待解決的問題。

2? 信息化實驗教學方法

信息化實驗教學方法是指在先進的教育理念的指導下，利用各種信息化技術對實驗過程、實驗資源、實驗方法等進行設計、優化、提高，從而達到更好的實驗教學效果。目前，各種信息化實驗教學方法已經被應用于相關教學環節，常用的方法主要包括基于多媒體的實驗教學、基于慕課的實驗教學、基于軟件仿真的實驗教學和基于虛擬現實的實驗教學等。

2.1? 基于多媒體的實驗教學

多媒體技術是集圖片、動畫、文字、語音、視頻等于一體的信息處理、展示和交互技術，主要借助電子計算機實現信息的交流和傳播。多媒體技術的主要載體是計算機，它也隨著計算機的誕生和發展逐漸在教學過程中得到運用和推廣。進入21世紀，計算機開始在大學校園里興起和普及，基于計算機技術的多媒體教學模式也逐漸走進高等院校的課堂教學環節。多媒體技術作為一種現代化的教學手段，在課堂教學過程中得到教師和學生的一致認可。目前，高等院校的課堂教學已經普遍采用多媒體技術，基本上已取代傳統的板書教學模式。

實驗教學作為高等院校理論課程的重要補充，在大學生綜合能力培養方面具有不可替代的重要作用。目前，大部分的實驗教學環節還是采用傳統的教學方式，有必要采用多媒體的方式對實驗教學環節進行改進，改善實驗教學效果。多媒體實驗教學與傳統的實驗教學模式相比將會帶來以下兩方面的進步。

一方面，傳統實驗教學主要通過板書進行實驗目的、實驗內容和實驗步驟的介紹，若通過多媒體方式進行介紹，相關內容的展示會更加清楚，同時提高展示的效率；當需要展示的內容較多時，還可以滾動循環播放，更加便捷。

另一方面，傳統的板書無法對實驗設備的操作進行展示，僅能通過口頭描述進行介紹，很多操作無法用語言描述清楚。即使教師能通過儀器操作進行演示，由于空間的限制或操作對象尺寸較小，也達不到展示的效果。通過多媒體可以把抽象的、小尺寸的、不易觀察的實驗過程和實驗現象直觀地展現出來，有利于學生的學習。

盡管多媒體實驗教學具有上述優勢，但需要注意以下兩點：

1）PPT的制作質量會嚴重影響學生的學習效果，因此，PPT制作時要盡量結合課堂教學的理論知識點和實驗原理，通過動畫、錄像、視頻等形象化的表達方式生動地展示實驗或講解過程中不容易觀察到的現象和原理；

2）多媒體僅是一種輔助的實驗教學方式，需要將其與動手操作有機結合，從而提升實驗教學的效率，強化實驗教學的效果。

2.2? 基于慕課的實驗教學

慕課是一種網絡化的教學模式，具有在線學習、大規模參與、開放式等特點，也是具有高效參與性和互動性的教學活動。近年來，越來越多的課堂教學建設了相關的慕課，在應對停課不停學、增強學生預習效果等方面起到非常重要的作用。

目前，基于慕課的實驗教學建設還比較匱乏，僅少數院校開設了對應的慕課實驗課程。東北石油大學的于心瀧等[1]利用慕課的優勢和特點，將慕課模式引入材料類課程的實驗教學過程中進行一定的探索。研究發現，該實驗教學方法能夠將課堂的理論學習與實驗過程相互結合，同時有益于實驗前、實驗中和實驗后教師與學生之間的互動，充分調動學生的積極性與主動性，增強實驗教學的效果。東北大學的徐香新等[2]建立了基于實驗教學三模塊的慕課教學模式，通過對比慕課教學模式和傳統實驗教學模式，發現慕課教學模式可以提高材料力學課程的實驗教學質量。廣東理工學院的李俏等[3]根據慕課模式和翻轉課堂的教學特點，進行機械設計實驗課程的改革實踐，表明慕課加翻轉課堂的實驗教學方式可以有效提高學生學習的興趣和創新能力。大連理工大學的司立坤等[4]將慕課模式用于機械精度設計與檢測技術的實驗教學中，取得較好的教學效果。

總的來說，基于慕課的實驗教學模式具有兩大特點：

1）可以把課堂教學的知識點和實驗過程有機結合，通過建立在線的、完整的、系統的學習資源，解決課堂教學和實驗教學相分離的現象；

2）線上資源可以在一定時間段內開放共享，有利于學生的課前預習和課后復習，加深對理論知識的掌握，增強對實驗環節的熟練程度，從而高質高效地完成實驗教學環節。

2.3? 基于軟件仿真的實驗教學

軟件仿真在科研院所和企業產品的研發過程中扮演著越來越重要的角色，已獲得非常廣泛的應用。它可以通過強大的計算能力呈現復雜因素導致的產品或現象出現變化的結果，具有成本低、效率高等特點。對于高等院校本科生的實驗教學來說，成本高、效率低等因素導致某些實驗無法開展，比如材料的腐蝕實驗、疲勞實驗等往往需要長達幾十小時，傳統的實驗教學將耗費巨大的人力和物力。由于其自身的優勢，軟件仿真可以在高等院校本科生的實驗教學中發揮重要的作用。

河南工業大學的宋嘯等[5]將SolidWorks軟件用于機械制造技術課程的實驗教學中。比如機械制造技術課程中刀具角度的測量實驗，很多學生對刀具標注角度的定義較模糊，無法將正交平面與刀具角度測量儀的定位基準面相對應。SolidWorks軟件可以通過對刀具的建模，將刀具角度的定義直觀地呈現出來，使學生更容易理解和進行實驗操作。內蒙古工業大學的劉飛等[6]將Crystal Maker軟件應用于材料現代分析方法課程的實驗教學過程中，發現Crystal Maker軟件可以被用于實驗電子衍射花樣和晶體學參數的標定中，通過簡單化和可視化的方式表達課程中抽象的重點和難點內容，便于學生掌握相關的知識點并進行實踐操作。北京航空航天大學的李衛平等[7]利用COMSOL軟件建立了腐蝕模型，再現實物腐蝕的緩慢過程，通過模擬腐蝕電流分布和腐蝕速率，使學生清晰、快速地觀察到實驗現象的變化，節約實驗時間。同時，該方法還可以提高學生利用仿真手段解決復雜材料工程應用問題的能力。

總的來說，軟件仿真技術具有快速、低成本地展現實驗過程和實驗現象的作用，可以作為實驗教學環節的有效補充，提高學生利用軟件仿真方法解決實際問題的能力，同時培養學生對學習的興趣和創新能力，也能夠很好地體現實驗教學過程中的創新性和高階性。

2.4? 基于虛擬現實的實驗教學

傳統的實驗教學方法是在實驗室內，采用相應的實驗設備開展相關實驗教學工作，對實驗環境和實驗設備臺套數提出較高的要求。隨著科技的發展，知識和技術更新較快，而實驗環境和設備更新困難，無法適應新時代高等院校的實驗教學要求。另外，新冠疫情持續時間較長，有時對實驗教學的影響較大，甚至是無法開展實驗教學工作，也對學生的后續課程學習產生影響。

虛擬現實技術近年來的發展迅速，出現越來越多的相關產品。如果將虛擬現實技術與實驗教學內容有機融合，就能夠從根本上解決教學資源匱乏和新冠疫情對實驗教學的不利影響。教育部于2019年3月發布基于虛擬仿真實驗教學項目的通知，很多教師對此展開研究。例如：武漢科技大學的徐春明等[8]探討了對機械原理課程開展虛擬仿真實驗教學的可行性和必要性；廣西科技大學的叢佩超等[9]基于云計算和虛擬現實技術建立了機械類實驗教學的云教學平臺，并以汽車支架的拆裝實驗為例，開發了相應的虛擬現實實驗資源，該方法突破了空間和時間對傳統實驗教學過程的限制，獲得較好的教學效果；河南理工大學的王大虎等[10]基于虛擬仿真技術，采用3ds Max和Unity3D軟件設計、開發了電機實驗的教學系統，使用結果表明，虛擬仿真技術能夠直觀地展示電機結構、實驗原理等，從而幫助學生重溫課堂教學過程中所學的理論知識，提高學習興趣和學習質量。

隨著科技的發展，虛擬現實技術也在不斷進步，這給高等院校的實驗教學建設帶來極大的便利，虛擬現實技術的人機交互功能也增加了實驗過程中的趣味性和真實性。另外，虛擬現實技術可以彌補傳統實驗教學的缺陷，解決特殊形勢下無法開展現場實驗教學的困境。

3? 結束語

實驗教學是理論教學的重要補充，在高等院校的教學體系中扮演著非常重要的角色。傳統的實驗教學方法已遠遠達不到金課建設時所需要達到的“兩性一度”要求，即創新性、高階性和挑戰度。信息化實驗教學方法是指在先進的教育理念的指導下，利用信息化技術對實驗過程、實驗資源、實驗方法等進行設計、優化、提高，從而達到更好的實驗教學效果。本文綜述了常用的信息化實驗教學方法，主要包括基于多媒體的實驗教學、基于慕課的實驗教學、基于軟件仿真的實驗教學和基于虛擬現實的實驗教學等，希望對不斷深化實驗教學改革，提升實驗教學質量帶來幫助。

參考文獻

[1] 于心瀧，徐淑珍，馬春陽，等.基于慕課模式的材料實驗課程教學改革研究[J].黑龍江科學，2020，11（7）：40-41.

[2] 徐香新.慕課背景下的材料力學實驗教學改革與研究[J].中國教育技術裝備，2020（22）：58-60.

[3] 李俏，伍先明，王鵬程，等.慕課與翻轉課堂背景下的機械設計實驗教學建設探究[J].現代制造技術與裝備，2019（3）：217-218.

[4] 司立坤，崔巖，馬建偉，等.慕課在機械精度實驗課中的應用[J].實驗室科學，2018，21（1）：130-132.

[5] 宋嘯.SolidWorks軟件在機械制造技術實驗教學方法改革實踐中的應用[J].科技信息（學術研究），2008（19）：163.

[6] 劉飛，白樸存，侯小虎，等.Crystal Maker軟件在《材料現代分析方法》實驗教學中的應用[J].內蒙古工業大學學報（自然科學版），2021，40（5）：333-339.

[7] 李衛平，劉慧叢，陳海寧，等.基于COMSOL軟件的腐蝕仿真實驗教學方法[J].實驗室研究與探索，2021，40（10）：82-85.

[8] 徐春明，周艷，蔣國璋，等.基于虛擬現實技術的機械原理實驗教學研究[J].大學教育，2022（2）：103-106.

[9] 叢佩超，張欣，尹輝俊，等.基于虛擬現實技術的機械類實驗教學資源建設與應用[J].工業和信息化教育，2022（2）：77-80，85.

[10] 王大虎，寧彤.虛擬現實技術在電機實驗教學中的應用[J].計算機時代，2022（5）：48-51，55.

*項目來源：江蘇省現代教育技術研究課題“基于移動終端的混合式教學模式研究與實踐”（基金編號：2019-R-80439）。

作者：趙恩蘭，徐州工程學院機電工程學院，實驗師，研究方向為激光加工技術；董妍，徐州工程學院機電工程學院，實驗師，研究方向為磁性形狀記憶合金；郭華鋒，徐州工程學院機電工程學院，副教授，研究方向為表面工程（221018）。