基于虛擬仿真軟件的線上線下混合實驗教學模式探索

［摘 要］ 針對當前實驗教學在教學模式、學習形式、考核方式等方面存在的問題，提出虛擬仿真實驗教學與線下理論教學深度結合，虛擬仿真實驗和實驗室實體實驗深度融合，通過課前、教學和考核三個階段的教學活動設計，形成應用于虛擬仿真實驗教學的線上線下混合式教學新模式，致力于充分調動和培養學生自主實踐創新能力，構建思路清晰、形式新穎的混合式實驗教學方案，從而提高實驗教學活動設計的開放程度，切實提升實驗教學質量。

［關鍵詞］ 光學薄膜實驗；虛擬仿真；實驗改革；混合教學模式

［基金項目］ 2022年度吉林省高等教育學會立項課題“數字化時代國際合作辦學外教課程混合教學模式研究”（JGJX2022D75）

［作者簡介］ 張 功（1991—），女，天津人，光學工程博士，長春理工大學光電工程學院講師，主要從事光學薄膜、先進光學系統制造研究；張 靜（1984—），女，吉林長春人，光學工程博士，長春理工大學光電工程學院副教授，主要從事光學薄膜研究；付秀華（1963—），女，黑龍江哈爾濱人，光學工程博士，長春理工大學光電工程學院教授，主要從事光學薄膜研究；常艷賀（1982—），男，吉林長春人，光學工程博士，長春理工大學光電工程學院講師，主要從事光學薄膜研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）46-0109-04 ［收稿日期］ 2024-01-09

引言

2012年，教育部印發《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》指出，教育信息化發展要堅持育人為本，以教育理念創新為先導，通過優質數字教育資源共建共享、信息技術與教育全面深度融合、促進教育教學和管理創新［1］，虛擬仿真教學與線下實體教學結合的實驗教學理念是實驗改革的重要舉措［2］。實驗教學的方法與手段直接影響著教學質量、學生的興趣和學習效果［3］。傳統的實驗課程與線下實驗室結合，不但減少了實驗室維護與管理方面的精力投入，節約了資源，提高了效率［4］；而且能啟迪學生科學思維和創新意識，培養學生扎實的基礎實驗能力、綜合實驗能力和解決實際問題的能力。

一、“光學薄膜與技術”實驗課程現狀分析

（一）“光學薄膜與技術”實驗課程情況

“光學薄膜與技術”鍍膜設備體積龐大，價格昂貴，實驗室目前只配備了三臺電子束加熱蒸發鍍膜機、一臺磁控濺射鍍膜機、一臺PECVD沉積系統，其中，電子束加熱蒸發實驗人均臺（套）數約為10人/臺（套），磁控濺射、PECVD設備的人均臺（套）數約為40人/臺（套），教學效果難以保障，且鍍膜機操作復雜，流程煩瑣，容易誤操作造成損壞。因此，實驗教學只能采用演示實驗的方式，即教師操作，同步講解，學生觀看學習，并完成實驗報告。

（二）線下教學模式的情況分析

薄膜技術實驗包括薄膜制備、薄膜光譜性能測試兩部分內容。目前全部采用演示實驗的方式進行教學，由于磁控濺射與PECVD設備的人均臺（套）數過低，實驗主要側重電子束加熱蒸發的內容設置，對比教學目標的指標點來看，主要存在的不足有以下幾點：（1）實驗的內容延伸性不足。受實驗室的設備、人員等客觀環境限制，實驗內容相對單薄。（2）學生學習的興趣不足。鍍膜實驗從真空度達到本底真空，需要等待40～50分鐘，長時間等待不利于學生集中注意力，進而使其失去學習的興趣。（3）課程評價體系不完善。采用演示實驗的教學方法內容基本相同，實驗報告不可避免地存在重復現象。教師無法根據實驗報告的批改完成情況判斷學生的掌握情況。基于上述，需要思考實驗的教學方式，對教學模式進行改革。

二、線上線下混合教學改革實踐

近年來，數字基礎設施快速發展，數字化應用更加深入［5-6］。工業互聯網、人工智能、物聯網、車聯網、大數據、云計算、區塊鏈等在教育領域引發了重大的變化［7］。同時，學習方式因數字化時代提供了新的教學手段而發生變化，特別是通過數字媒體進行虛擬場景構建，使課堂教學更加生動形象，易于接受［8］。

在實驗教學內容、線上教學資源、虛擬實驗平臺、混合教學模式和考核評價方式等方面開展一系列改革與探索，并以期為同類型實驗課程的改革提供經驗。

（一）教學目標及優化

目前“薄膜光學與技術”課程的現行教學大綱中，課程目標有兩項指標，核心內容是要求學生具有工程分析、設計的能力。以實驗項目為基礎，將課程目標的要求融入實驗教學，加強實驗教學對課程目標的支撐力，提升學生的學習自主性，在實驗中培養動手能力及工程思維能力。依托潤尼爾公司的仿真模擬軟件進行3D虛擬實驗的建設，3D虛擬實驗室具有畫面具體的特點，可沉浸式體驗。虛擬實驗室場景如圖1所示。

（二）線上線下實驗教學模式設計

對光學薄膜實驗的幾個內容進行分析，薄膜結構仿真是對薄膜設計理論的應用與擴展，薄膜制備技術是薄膜材料及薄膜生長機理的理論內容延展，光學參數測試與誤差分析則是對測試原理的具體展開。在構建“線上+線下”實驗模式時，根據線上、線下的實驗特點，將實驗過程設置為“線下—線上—線下”的循環過程。

1.線下演示實驗。由于光學薄膜具有很強的專業性，學生在日常生活中幾乎沒有接觸過實驗的專用設備，思維中缺少設備與流程的概念。因此，在此循環過程首先進行演示實驗的教學。

線下實驗教學具有教學流程直觀的優勢，有助于教師觀察學生的狀態。在學生初次接受新鮮知識時，如講授方式過于抽象，則容易引起學生的消極心理，進而失去學習的熱情。而“光學薄膜”的實驗過程中包含非常具體的工藝流程，有助于學生了解工藝流程，掌握薄膜設備的操作與使用。

2.線上虛擬仿真實驗室。學生在演示實驗教學后，建立了工藝流程的概念，但由于缺少動手操作實踐的過程，無法自主完成整個工藝步驟。轉入虛擬仿真實驗室，學生可以在仿真實驗室內重復學習的過程，加深對整個工藝流程的印象，掌握鍍膜工藝流程的操作。

虛擬仿真實驗室是實際操作場景的鏡像，仿真實驗分為學習模塊與考核模塊兩個部分。在學習模塊中，其操作步驟有提示語句與高亮按鈕，進入考核模塊后，提示語句消失，學生自主操作，教師可在軟件后臺看到學生的考核分數及失誤點，能清晰地了解學生的薄弱點。虛擬實驗室滿足OBE的學習理念，學生可在學習之后檢驗學習效果，之后針對薄弱環節進行反復學習，直至掌握學習內容。

3.線下分組討論。在完成了線上虛擬實驗室的學習與考核過程后，重新回到線下實驗室進行實際操作演示，以小組的為單位，在指導教師的監督下，完成整套工藝流程的操作，并回答指導教師在流程中的隨機提問。通過“線下—線上—線下”三個流程，完整地進行光學薄膜工藝流程實驗的學習，將傳統光學薄膜演示性實驗變為以學生為主體的、線上線下相結合的虛擬仿真實驗。

三、改革應用成效

課程組在光電信息科學與技術專業學生中開展混合式實驗教學模式的實踐，通過教學對比，相較于單純采用演示實驗，課堂出勤率明顯上升。這表明線上線下相結合的實驗教學模式激發了學生的學習熱情，增強了學生對于薄膜制備流程學習的主觀能動性。相較于演示性實驗，學生使用虛擬仿真軟件學習，其實驗時間主要是用于操作、分析、糾錯等，能夠促進學生自主學習、獨立探索的能力的提高。薄膜制備實驗的核心是對于工藝流程的學習，學生需要反復地進行練習，演示性實驗完全無法滿足該要求，但學生使用虛擬仿真軟件則可反復進行練習，在考核環節下驗證實驗的掌握程度，直至熟練地掌握實驗流程。

為驗證實驗課程改革的成效，課題組設計了調查問卷，以評估學生通過虛擬仿真軟件進行“光學薄膜與技術”課程教學的成效（見表1）。

從調查問卷的改革成效調查中可以看出，學生普遍認為虛擬仿真軟件構建的實驗場景有較強的真實感，并且仿真軟件的教學對實驗的易錯點和難點具有針對性較強的講解作用，能夠指導實驗原理的理解、實驗流程的記憶與練習，對實際操作提供了較大的幫助。

從后續意愿的調查來看，相比于單純的線上自主學習，學生傾向于線上自學與教師輔導相結合的模式。同時，學生也認為在線上學習后仍需要線下實體實驗來鞏固自身的實踐能力，并且相較于直接以軟件考核模塊作為成績結果，大部分學生認為線下考核更有必要。調查結果表明，虛擬仿真線上教學能夠起到增強學習自主性、促進掌握與理解、提高實踐水平的效果。但相較于單純的線上實驗，學生更傾向“線上+線下”的混合學習模式。

結語

本課題以“光學薄膜與技術”實驗課程為例，探索將演示性實驗改為操作性實驗的可行性，建立了“光學薄膜與技術”實驗課程“線上虛擬+線下操作”混合教學新模式。該模式不僅適用于“光學薄膜與技術”實驗課程，也為光學冷加工、光學裝調等大型儀器設備操作實驗起到了示范作用。

參考文獻

［1］教育部.關于印發《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》的通知：教技〔2012〕5號［A/OL］.（2012-03-13）［2023-12-09］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201203/t20120313_133322.html.

［2］李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平［J］.實驗室研究與探索，2013，32（11）：5-8.

［3］沈陽，紀海林，葉心怡，等.虛擬現實沉浸式學習中的人機交互技術研究：以K12物理實驗教學為例［J］.電化教育研究，2023，44（10）：87-94+120.

［4］朱歸勝，陳彩明，趙昀云，等.材料類專業虛擬仿真實驗項目建設與應用［J］.高教學刊，2023，9（27）：22-25.

［5］賀俊，龐堯.數字技術驅動的產業融合發展范式與面向融合范式的政策體系調整［J］.湖南科技大學學報（社會科學版），2023，26（4）：71-79.

［6］李明雨.應用型本科院校教育數字化轉型路徑研究［J］.閱江學刊，2023，15（6）：140-148.［7］張志剛，車堯.推動人才教育科技協同發力、與產業深度融合［J］.中國人才，2023（8）：18-20.

［8］張永成，孫峻，鐘波濤.新發展理念下工程管理專業虛擬仿真教學平臺建設與探索［J］.建筑經濟，2023，44（S1）：441-446.

Exploration of Online and Offline Hybrid Experimental Teaching Mode Based on Virtual Simulation Software： Taking Thin-film Optics and Technology Course as an Example

ZHANG Gong， ZHANG Jing， FU Xiu-hua

（School of Optoelectronic Engineering， Changchun University of Science and Technology， Changchun， Jilin 130022， China）

Abstract： Aiming at the problems existing in the current experimental teaching in teaching mode， learning form， assessment mode， etc.， it is proposed that the virtual simulation experimental teaching is deeply combined， the virtual simulation experiments and the physical laboratory experiments are deeply integrated， and through the design of teaching activities in the three stages of pre-course， teaching and assessment， a new mode of on-line and off-line blended teaching is formed which is applied to the virtual simulation experimental teaching and is committed to fully mobilizing and cultivating the independent practical innovation ability of the students. It is committed to fully mobilizing and cultivating students? independent practice and innovation ability， constructing a hybrid experimental teaching program with clear ideas and novel forms， thus improving the openness of the design of experimental teaching activities and effectively enhancing the quality of experimental teaching.

Key words： Experiment of Optical Thin Film; virtual stimulation; experiment reform; mixed teaching mode