基于“虛實結(jié)合”的電路實驗混合式教學(xué)探索與實踐

鄧炯 何偉強(qiáng) 衛(wèi)樹花

摘 要：隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，實驗教學(xué)中的虛實結(jié)合混合式教學(xué)模式正逐漸成為高校教學(xué)的改革新方向。為解決傳統(tǒng)電路實驗課堂中存在的缺少創(chuàng)新、形式單一、受時空限制大等問題，引入虛擬仿真實驗開展虛實結(jié)合的線上線下混合式教學(xué)。構(gòu)建仿真實驗項目，思考線上線下互補(bǔ)融合的方式提升教學(xué)質(zhì)量。從課前、課中、課后三個方面考察學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，實現(xiàn)課程考核的多元化和過程化。通過實踐，該模式能有效增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力和實踐創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：虛實結(jié)合 仿真實驗 混合式教學(xué) 電路實驗

1 引言

“電路實驗”是為智能控制技術(shù)專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一年級專業(yè)必修實驗課程，課程目的是提高學(xué)生基礎(chǔ)實驗技能、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和發(fā)展學(xué)科素養(yǎng)。傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式雖然能提供真實的操作體驗，但也存在諸多弊端，比如，驗證性實驗多，設(shè)計類實驗少，學(xué)生缺乏創(chuàng)新啟發(fā)環(huán)境; 考核方式往往以實驗報告為準(zhǔn)，形式單一化;學(xué)生人數(shù)多，課堂上教師難以顧及每位學(xué)生; 學(xué)生實操受設(shè)備、時間和空間的限制多。隨著仿真技術(shù)和信息技術(shù)發(fā)展，融合線上線下優(yōu)勢的混合式實驗教學(xué)正在迅速發(fā)展，逐步改變傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式。“電路實驗”課程引入混合式教學(xué)，建設(shè)線上課程資源、開展仿真實驗教學(xué)、促進(jìn)線上線下互補(bǔ)融合的教學(xué)模式成為高校開展電路實驗教學(xué)的優(yōu)選選項，借此介紹虛實結(jié)合的混合式實驗教學(xué)實踐，以期為相關(guān)實驗課程建設(shè)提供借鑒。

2 虛實融合的實驗項目構(gòu)建

如何實現(xiàn)傳統(tǒng)實驗和仿真實驗的良性互補(bǔ)、提高實驗教學(xué)質(zhì)量，首要任務(wù)就是開發(fā)適合的實驗項目，這是電路實驗課程建設(shè)最基本的問題，概況為以下四種。

第一種是課前預(yù)備實驗項目。利用仿真技術(shù)不受時空限制的特點，課前由學(xué)生自主完成一些仿真預(yù)備小實驗，幫助學(xué)生掌握基本實驗技能、加深對電路基本原理的理解，從而保證線下實驗室教學(xué)的效率。

第二種是虛實結(jié)合的實驗項目。首先使用虛擬實驗方式，讓學(xué)生了解實驗的基本原理和流程，然后再通過實操實驗進(jìn)行驗證。通過實操實驗和仿真實驗的對比，增強(qiáng)學(xué)生對實驗內(nèi)容和其中的理論知識的理解。

第三種是單獨的仿真實驗項目。學(xué)校實驗室不具備開展一些實驗的條件，此類實驗采用仿真實驗替代。由于仿真實驗的設(shè)備不受限制，也不用考慮安全原因，所以能實現(xiàn)的實驗項目非常豐富。

第四種是利用仿真平臺開發(fā)的設(shè)計類項目。首先由教師提出問題，然后學(xué)生自行設(shè)計實驗方案和步驟解決問題。通過學(xué)生主動性的參與，培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力和工程創(chuàng)新能力。

課程的仿真平臺采用Multisim軟件。它是由美國NI公司開發(fā)的一種電路設(shè)計和分析工具。Multisim具有簡潔的頁面，提供大量的元件和設(shè)備庫，用戶可以方便的在計算機(jī)上創(chuàng)建、模擬和分析各類電路。該平臺還包含了各種模擬器和分析工具，可以幫助學(xué)生更好地理解電路的行為，并快速有效地進(jìn)行實驗驗證。

實操平臺采用DVCC電工試驗箱，箱內(nèi)集成各類電路基礎(chǔ)元件和儀表，學(xué)生可通過面板上的插孔進(jìn)行接線，并開展相關(guān)實驗測量。試驗箱共提供29個驗證性實驗項目，試驗箱見圖1。

最后綜合考慮學(xué)校硬件條件和課時情況，設(shè)置電路課程開展的實驗項目見表1：

3 在線課程建設(shè)

選擇一個好的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺和建設(shè)豐富的教學(xué)資源對于開展混合式教學(xué)非常重要。電路實驗課程選擇超星學(xué)習(xí)平臺，其優(yōu)勢在于全面性和細(xì)致性，包括各種教學(xué)資源的覆蓋率和完整度，以及對于教學(xué)信息具有強(qiáng)大的統(tǒng)計反饋能力。學(xué)校電路實驗在線課程從2022年開始建課，每年春季開課，已開課2個學(xué)習(xí)，累計選課600多人，累計學(xué)習(xí)次數(shù)2萬多次。課程按照一個實驗一個章節(jié)方式設(shè)置，每個實驗包括預(yù)習(xí)、指導(dǎo)書、課件、視頻、仿真教學(xué)、預(yù)習(xí)測試等內(nèi)容。課程配套資料包括電路基本知識、仿真軟件、電路常用儀表、元器件的介紹和教學(xué)視頻、文檔等。

4 混合式教學(xué)設(shè)計

隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展，混合式教學(xué)已經(jīng)成為現(xiàn)代教育的趨勢之一。課前利用線上平臺可以方便的對學(xué)生預(yù)習(xí)活動進(jìn)行組織和跟蹤。課中會有更多的時間能用于靈活多樣的參與式學(xué)習(xí)，充分提高學(xué)生的積極性和思政素養(yǎng)。課后利用作業(yè)和討論檢驗學(xué)生的興趣度、知識掌握、價值形成等綜合情況。通過引導(dǎo)啟發(fā)式的線上線下相結(jié)合的授課方式，采取預(yù)習(xí)任務(wù)、小組交流互動等活動，以及利用線上和線下資源進(jìn)行教學(xué)優(yōu)化設(shè)計，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和提升他們的自主學(xué)習(xí)能力。最終實現(xiàn)課堂教學(xué)“以教師為中心”到“以學(xué)生為中心”的轉(zhuǎn)變。具體教學(xué)模式見圖2。

4.1 線上課前預(yù)習(xí)

預(yù)習(xí)由學(xué)生自主在線上完成。首先由教師制作預(yù)習(xí)課件、任務(wù)單等資料或推薦的優(yōu)質(zhì)MOOC資源給學(xué)生學(xué)習(xí)。然后學(xué)生在學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，按照任務(wù)單給出的步驟完成預(yù)備實驗和虛實結(jié)合實驗的仿真，通過預(yù)習(xí)，學(xué)生可以建立感性認(rèn)識，對實驗電路構(gòu)造和原理進(jìn)行了解，對實驗中可能產(chǎn)生的問題有所準(zhǔn)備。最后教師針對實驗內(nèi)容設(shè)置問題供學(xué)生思考和討論，提高學(xué)生的思維能力和自主學(xué)習(xí)能力。同時，教師可以通過后臺監(jiān)控功能，實時查看學(xué)生預(yù)習(xí)情況，根據(jù)情況給出相應(yīng)分?jǐn)?shù)，作為實驗成績的一部分。

其中課前的預(yù)備實驗項目是電路實驗課的重要特色，起到幫助學(xué)生增強(qiáng)實驗技能、提高線下實驗效率的作用。例如在線下KCL、KVL的驗證實驗中，需要用萬用表測量電路支路的電流、元件上的電壓，所以課前預(yù)習(xí)中，專門配套設(shè)計萬用表使用的仿真實驗，其仿真圖如圖2所示。讓學(xué)生使用Multisim軟件，采用萬用表與電阻串聯(lián)和并聯(lián)兩種接線方式，然后測量電阻里的電流，并通過與理論值做比較，判斷測電流時采用哪一種接線方式才正確。通過該課前仿真小實驗，幫助學(xué)生屬性萬用表的功能，又掌握了測電流時正確的接線方法。

4.2 線下實操教學(xué)

傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式下，教師需要對實驗原理、實驗器材、操作步驟等多項內(nèi)容做詳細(xì)的講解，對一些復(fù)雜的操作還需要手把手的指導(dǎo)學(xué)生。在有限的課時內(nèi)，很難照顧到學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)。而混合式模式中，學(xué)生通過課前預(yù)習(xí)已經(jīng)對實驗設(shè)備、元件、操作方法和注意事項有了一定了解，所以在實際操作時，教師可以直入主題，把更多的精力投放到實驗要點、學(xué)生課前預(yù)習(xí)中反映出的突出問題上。

課堂實際操作中，按照內(nèi)容導(dǎo)向、任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式，設(shè)計符合專業(yè)特色及培養(yǎng)需求的教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)和教學(xué)資源，實現(xiàn)“教、學(xué)、做”一體化的課堂教學(xué)。具體步驟如下：（1）教師首先提出問題。問題可以是預(yù)習(xí)中學(xué)生的疑問，也可以是本次實驗中特別要注意的難題。通過問題引導(dǎo)學(xué)生在實驗中探索，提高學(xué)生的專注力。例如“戴維寧定理驗證實驗”中，可以提問“用開路電壓、短路電流法測量等效電阻時，開路電壓、短路電流是否可以同時進(jìn)行測量？”，然后引導(dǎo)學(xué)生通過實驗來判斷問題的答案。（2）教師簡短講解實驗注意事項后，由學(xué)生自主完成實驗，教師在旁邊有針對性的個別指導(dǎo)。（3）實驗過程中，教師還可以進(jìn)一步提出問題，讓學(xué)生邊操作邊思考，從而加深學(xué)生對實驗電路的理解。例如測電壓時，提出問題“如果電壓表極性接反了，測量結(jié)果會怎么變化？”。（4）實驗結(jié)束后，對知識點進(jìn)行總結(jié)，并對疑難問題和學(xué)生探討，加深學(xué)生對實驗理解的深度。

4.3 線上課后擴(kuò)展

課后學(xué)生利用當(dāng)次課掌握的知識，進(jìn)一步完成擴(kuò)展實驗，加強(qiáng)應(yīng)用能力。例如在“基爾霍夫定律實驗”后，學(xué)習(xí)通平臺放出“電路故障分析實驗1”，要求學(xué)生通過測量判斷多盞串聯(lián)的小燈中的哪盞壞了，是短路故障還是開路故障。又如在“電阻的串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)實驗”后，學(xué)習(xí)通平臺配套安排“電路故障分析實驗2”，給出測量電路的正常電阻，然后要求學(xué)生實際測量，當(dāng)測量電阻比正常電阻大或小時，要求學(xué)生判斷發(fā)生了何種故障。在以上實驗中，當(dāng)學(xué)生用所學(xué)知識正確判斷后，能極大的獲得成就感，從而提高進(jìn)一步提高他們對電路課程的熱愛。

最后，學(xué)生完成課后習(xí)題，并把實驗報告上傳學(xué)習(xí)通，同時在討論區(qū)回答教師提出的問題或自行發(fā)起討論。通過實驗報告的撰寫等來培養(yǎng)學(xué)生實驗操作能力、綜合分析問題和解決問題的能力，讓學(xué)生在專業(yè)技能上得到初步的訓(xùn)練。

5 考核評價

電路實驗課程的成績包括學(xué)習(xí)通課前和課后綜合成績、實驗實操成績、實驗報告成績?nèi)糠帧Ｕ急确謩e是40%、30%、30%。其中學(xué)習(xí)通成績由學(xué)習(xí)通自動統(tǒng)計功能確定，統(tǒng)計內(nèi)容包括視頻和文檔的觀看情況、任務(wù)點的完成情況、預(yù)習(xí)測試結(jié)果、課后測試結(jié)果、討論區(qū)表現(xiàn)等。相比傳統(tǒng)的考核方式，混合式教學(xué)模式更注重過程性考核、多元化評價。

6 結(jié)論

充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，打造“線上線下、虛實互補(bǔ)、深度融合”的電路實驗課程，這是時代對電路實驗課程發(fā)展提出的要求。課程精心設(shè)計課前預(yù)習(xí)實驗、虛實結(jié)合實驗、課后擴(kuò)展實驗，采用項目式、問題導(dǎo)向式的方法開展電路實驗教學(xué)。實踐證明，這種教學(xué)模式能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，能夠通過豐富的虛實實驗幫助學(xué)生深入理解電路知識、提高課堂效率，實現(xiàn)學(xué)生自學(xué)能力和創(chuàng)新能力的雙提升。同時，利用線上平臺，可改變傳統(tǒng)實驗課程單一的考核方式，實現(xiàn)考核的過程性和多元化，為教學(xué)效果提供更準(zhǔn)確的評估，幫助今后的實驗課程做優(yōu)化改善。

基金項目：2021年度廣西大學(xué)行健文理學(xué)院教育教學(xué)改革工程項目（Y2021JG12）。

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