電類基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)“虛實結(jié)合”模式的構(gòu)建

楊 建 良

(湖南第一師范學(xué)院，湖南 長沙 410205)

0 引 言

電類基礎(chǔ)課程實驗對于學(xué)生系統(tǒng)地掌握學(xué)科知識，培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力、創(chuàng)新能力和科學(xué)素質(zhì)等方面具有不可替代的作用。然而受傳統(tǒng)實驗教學(xué)思想和教學(xué)模式的影響，加之實驗場地、設(shè)備的限制，電類基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)在創(chuàng)新型、實用型人才培養(yǎng)方面其作用仍發(fā)揮不夠。虛擬實驗室等現(xiàn)代教學(xué)媒體的出現(xiàn)，給電類基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)改革帶來了新的契機。更新教育觀念，將現(xiàn)代科技融入傳統(tǒng)實驗教學(xué)，用技術(shù)增強學(xué)習(xí)，已成為大多數(shù)人的共識。

1 傳統(tǒng)電類基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)模式及其不足

電類基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)是電子、信息、機械等專業(yè)理論教學(xué)的補充和延續(xù)，是溝通電類基礎(chǔ)課程理論與實踐的橋梁[1]。電類基礎(chǔ)課程實驗一般包括電路原理實驗、電工電子實驗及電類其它相關(guān)基礎(chǔ)課程實驗等。相對于電類基礎(chǔ)課程理論教學(xué)而言，電類基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)更具有直觀性、實踐性、科研性、綜合性與創(chuàng)新性等特點，決定了它在培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力和綜合素質(zhì)方面有其獨特作用。

然而，受行為主義及其教學(xué)理論的影響，傳統(tǒng)電類基礎(chǔ)課程實驗大多以驗證性實驗為主，這類實驗只重視學(xué)生的外顯行為，很少關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在規(guī)律，把學(xué)生當(dāng)作一個“黑箱”。實驗時，教師先布置實驗任務(wù)，再進行實驗講解和實驗演示，最后讓學(xué)生仿照著做；而學(xué)生則在老師或?qū)嶒炛笇?dǎo)書的指導(dǎo)下機械式地接線、操作和使用儀器設(shè)備，讀取實驗數(shù)據(jù)，記錄實驗波形，完成實驗。傳統(tǒng)電類基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)模式如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)電類基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)模式

這種實驗教學(xué)模式的好處是有利于學(xué)生對知識的記憶及對相關(guān)結(jié)論的認(rèn)可，也有利于教師對整個實驗過程的掌控，但由于其過分地強調(diào)實驗過程的“統(tǒng)一性”和實驗內(nèi)容的“驗證性”，使實驗教學(xué)內(nèi)容完全依附于理論教學(xué)[2]。造成各門課程的實驗之間互相割裂、相對獨立，不利于綜合性、設(shè)計性和創(chuàng)新性實驗的開展。此外，在這種教學(xué)模式指導(dǎo)下，學(xué)生的學(xué)習(xí)行為完全由教師決定，整個實驗過程就如同一個機械過程，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性被忽視、甚至被壓抑，其結(jié)果是使學(xué)生的思維被局限于相應(yīng)的理論課程，不利于學(xué)生獨立思維能力的培養(yǎng)和綜合素質(zhì)的提高。

針對傳統(tǒng)電類基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)模式的種種弊端，國內(nèi)學(xué)者提出了一些改革觀點認(rèn)為，在教學(xué)方法上，要結(jié)合實驗教學(xué)目標(biāo)及要求，轉(zhuǎn)變教學(xué)思想，形成以學(xué)生為中心，以能力培養(yǎng)為目標(biāo)的實驗教學(xué)模式。并提出要課上與課下實驗相結(jié)合，變實驗輔導(dǎo)解答為實驗引導(dǎo)啟發(fā)，變面向?qū)嶒灲Y(jié)果為面向?qū)嶒炦^程，變單一化實驗教學(xué)模式為多元化實驗教學(xué)模式[3]。在實驗新技術(shù)的開發(fā)與運用上，龍雪梅認(rèn)為，利用多媒體技術(shù)可以把實驗教學(xué)中的一些傳統(tǒng)方法，改變?yōu)榻處熤笇?dǎo)下進行探索性學(xué)習(xí)的過程，并提出實驗教學(xué)設(shè)計要以建構(gòu)主義為指導(dǎo)[4]，要把“情景”、“協(xié)作”、“會話”和“意義建構(gòu)”作為學(xué)習(xí)環(huán)境建設(shè)的四大要素在實驗教學(xué)中予以考慮。以上觀點對于電類基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)雖具有一定指導(dǎo)意義，但同時對于實驗場地、設(shè)備及實驗室開放運營時間等方面提出了新要求，而現(xiàn)代教育技術(shù)中出現(xiàn)的虛擬實驗恰好能滿足上述新要求。

2 虛擬實驗對于傳統(tǒng)電類基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)的提升作用

所謂虛擬實驗，是指按照實驗教學(xué)的目標(biāo)要求，建立虛擬的工程實驗環(huán)境，運用各種虛擬儀器和設(shè)備,對建立起來的實驗?zāi)Ｐ瓦M行實時仿真，構(gòu)成新型的實驗教學(xué)的方法[5]。

跟傳統(tǒng)電類實驗相比，電類基礎(chǔ)課程虛擬實驗有以下優(yōu)點：

(1) 降低了儀器設(shè)備的經(jīng)費投入。學(xué)習(xí)者利用虛擬實驗系統(tǒng)，在一臺聯(lián)網(wǎng)的計算機上即可順利地實現(xiàn)如示波器、掃頻儀、電壓表等儀器設(shè)備的功能，可大大節(jié)約實驗費用。

(2) 減少了實驗損耗，增加了實驗的安全性。傳統(tǒng)電類實驗對耗材的需求量大，對儀器設(shè)備的使用要求高，且需要通電才能實驗，因此實驗室運維成本高，且存在一定的安全隱患。虛擬儀器基于軟件的體系結(jié)構(gòu)，可以減少儀器設(shè)備損耗，確保實驗安全。

(3) 便于開放式管理，實現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)。通過網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗系統(tǒng)，學(xué)生學(xué)習(xí)和實驗不再局限于有形的教室或?qū)嶒炇?可以隨時隨地自主學(xué)習(xí),提高學(xué)習(xí)效率。

由于虛擬實驗有以上優(yōu)點，因此它能從以下方面提升電類基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)：

(1) 轉(zhuǎn)變教師教學(xué)觀念。使教師由原來知識的權(quán)威者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生學(xué)習(xí)活動的設(shè)計者和指導(dǎo)者、學(xué)習(xí)伙伴和教育研究者，學(xué)生由被動的知識受體轉(zhuǎn)變?yōu)橹R的主宰、學(xué)習(xí)的主體[6]。

(2) 拓寬了實驗教學(xué)內(nèi)容。虛擬實驗可以超越傳統(tǒng)的實物實驗，使微觀實驗、危險性實驗、高成本實驗和超越時空的實驗都成為可能，且這些實驗可進行無限制、多樣式的重復(fù)操作，無污染、無浪費。

(3) 改變了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式。通過虛擬實驗系統(tǒng)，教師可以提供大量的“三性實驗”供學(xué)生選擇，學(xué)生也可以不受傳統(tǒng)實驗室開放時間的限制，按照自己的學(xué)習(xí)進度、能力大小和興趣愛好選擇實驗課題，積極主動地進行個別化、自主式實驗，還可以與其他同學(xué)開展多人合作實驗，通過“合作”與“協(xié)商”，共同攻克實驗難題。這不僅提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識、創(chuàng)新意識，還培養(yǎng)了學(xué)生的團隊合作精神。

虛擬實驗雖具有以上優(yōu)點，但也存在其自身的不足。主要表現(xiàn)在：①虛擬實驗僅僅是通過計算機模擬由真實實驗所獲得的已知規(guī)律，易導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生不踏實的虛擬感；②虛擬實驗的理想化會使真實實驗中可能出現(xiàn)的隨機性故障、誤差及其它異常情況等被掩蓋，減少了學(xué)生應(yīng)對突發(fā)性事件、排除故障和通過實驗數(shù)據(jù)處理及誤差分析環(huán)節(jié)反思或?qū)ふ铱捎媒?jīng)驗與過失的機會[7]；③缺乏真實實驗環(huán)境的熏陶，教師的言傳身教和潛移默化作用受到影響。因此，虛擬實驗還需要真實實驗作補充。

3 “虛實結(jié)合”——促進電類基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)改革的突破口

電類基礎(chǔ)課程實驗應(yīng)把改革的重心放在學(xué)生獨立思維能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的提高上。要尊重學(xué)生的主體地位，逐步實現(xiàn)由“教師中心”向“學(xué)生中心”的轉(zhuǎn)變，充分培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動性和創(chuàng)造性。虛擬實驗與真實實驗的結(jié)合，能為電類基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)改革的這一要求提供突破口：

(1) 通過“虛實結(jié)合”，把學(xué)生對真實儀器設(shè)備的操作與利用計算機軟件對實驗過程的模擬結(jié)合起來，能促使學(xué)生真實與虛擬經(jīng)驗相互融合，在“虛”與“實” 的經(jīng)驗交互中，實現(xiàn)新舊知識的同化，完成意義建構(gòu)。

(2) 通過“虛實結(jié)合”，把傳統(tǒng)實驗中的教學(xué)內(nèi)容、實驗設(shè)備、教師指導(dǎo)、學(xué)生操作等與學(xué)校的虛擬實驗平臺、精品課程網(wǎng)站等融為一體，達(dá)到優(yōu)化實驗教學(xué)資源和實驗教學(xué)過程的作用。在虛擬實驗平臺上，學(xué)生可以按照自己的要求開展自主學(xué)習(xí)和研究性學(xué)習(xí)。打破傳統(tǒng)的“教師講授—學(xué)生模仿—強化記憶—測試講評”的教學(xué)模式，使之變?yōu)椤皢栴}—實驗—觀察—收集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)—會話、協(xié)商—得出結(jié)論—證明—再證明—練習(xí)—回顧總結(jié)”的新模式[8]。學(xué)生自己動手操作，親身體驗和探索知識的發(fā)現(xiàn)過程，其獨立思維能力、實踐能力及科學(xué)研究能力都能得到充分的加強。

(3) 通過“虛實結(jié)合”，建立電類基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)保障體系，實現(xiàn)學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。眾所周知，電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，電類產(chǎn)品層出不窮。相對落后的傳統(tǒng)實驗儀器設(shè)備滿足不了現(xiàn)代電類學(xué)科知識內(nèi)容的更新和發(fā)展。借助虛擬實驗，把現(xiàn)代科技引入傳統(tǒng)實驗教學(xué)之中，實現(xiàn)傳統(tǒng)實驗情境下無法開展的實驗，而把在虛擬情境下無法開展的實驗又通過真實實驗來補充。這種“虛”與“實”的結(jié)合，有利于實驗教學(xué)保障體系的建立和創(chuàng)新、實用型人才的培養(yǎng)。

(4) 通過“虛實結(jié)合”，實現(xiàn)教學(xué)手段和教學(xué)模式的多元化。如在實驗前，教師可以安排學(xué)生先做一些虛擬實驗來熟悉和了解儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理、實驗步驟和操作要領(lǐng)，再將這些知識與技能應(yīng)用到真實實驗中，可大大提高真實實驗的效率，減少實驗時的盲目性；而對于難度大、操作步驟多的實驗，在實驗后，教師可以再安排學(xué)生做一些虛擬實驗來溫習(xí)實驗步驟、理解實驗原理和消化實驗內(nèi)容。此外，借助虛擬實驗平臺，教師還可以給學(xué)生布置一些綜合性、設(shè)計性實驗，鼓勵學(xué)生開展多人協(xié)作虛擬實驗等來激發(fā)學(xué)生的主動參與意識，培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作精神。

總之，通過“虛實結(jié)合”，將傳統(tǒng)實驗教學(xué)要素與虛擬實驗有機融合，可以打破傳統(tǒng)實驗中教師中心地位，幫助學(xué)校建立實驗教學(xué)保障體系，實現(xiàn)實驗教學(xué)手段和教學(xué)模式的多元化。

4 電類基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)“虛實結(jié)合”模式的構(gòu)建

4.1 “虛實結(jié)合”模式構(gòu)建

經(jīng)過多年的電類基礎(chǔ)課程實踐教學(xué)，我們總結(jié)了“虛實結(jié)合”的電類基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)新模式如圖2所示。

圖2 “虛實結(jié)合”的電類基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)模式

該模式以建構(gòu)主義為指導(dǎo)，以學(xué)生為中心，以學(xué)生能力培養(yǎng)為目標(biāo)，通過網(wǎng)絡(luò)在虛擬實驗與真實實驗之間架起一座彼此聯(lián)系的橋梁，使學(xué)生實驗由單一模式變?yōu)槎嘣Ｊ?，由課內(nèi)延升至課外，虛中有實、實中有虛、虛實結(jié)合，優(yōu)勢互補[9]。該模式中，學(xué)生是實驗的主體。實驗時，學(xué)生可以根據(jù)實驗大綱中實驗所規(guī)定的目標(biāo)要求開展實驗。既可以把在真實實驗中碰到的問題通過虛擬實驗來解決，也可以利用在虛擬實驗中獲得的經(jīng)驗、方法去解決在真實實驗中碰到的問題?？梢宰杂傻亍按┧蟆庇谡鎸嵟c虛擬實驗之間開展各種學(xué)習(xí)活動。通過“虛”“實”交替，建構(gòu)起自己對于知識的理解，完成意義建構(gòu)。教師在實驗中起主導(dǎo)作用，主要負(fù)責(zé)實驗設(shè)計、實驗大綱和實驗指導(dǎo)書的編寫，制定“虛實結(jié)合”的考評方案，并對學(xué)生的實驗過程進行組織、輔導(dǎo)、答疑、監(jiān)控和評價等。網(wǎng)絡(luò)作為實驗平臺的載體，將實驗資源在時間上、內(nèi)容上向?qū)W生全面開放，并為師生實驗合作、交流互動和成果共享提供良好平臺。

4.2 “虛實結(jié)合”模式運用中需注意的問題

(1) 加強“虛”“實”兩個環(huán)境建設(shè)。①要重視實驗室硬件環(huán)境建設(shè)。由于虛擬實驗以真實實驗為基礎(chǔ)，儀器設(shè)備的外形結(jié)構(gòu)、操作誤差、實驗線路故障及相關(guān)數(shù)據(jù)的處理等只有在真實實驗中才能被學(xué)生體驗和感知，因此，不能簡單地用虛擬實驗代替真實實驗，必要的硬件投入是搞好實驗教學(xué)的前提。②確保虛擬實驗環(huán)境的“真實性”。根據(jù)遷移理論，虛擬情境與真實情境越是相似，就越有利于學(xué)習(xí)者提取關(guān)鍵而有價值的線索進行知識的遷移[10]。因此，在虛擬實驗的設(shè)計中應(yīng)更多地融入“實”的成分。如營造三維的、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，真實的問題情景，使學(xué)生能以最接近自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象發(fā)生交互，獲得類似真實環(huán)境的體驗和感受，促進知識的遷移和認(rèn)知發(fā)展[11]。

(2) 重視實驗教學(xué)設(shè)計。開展“虛實結(jié)合”的電類基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)，其關(guān)鍵環(huán)節(jié)是進行實驗的教學(xué)優(yōu)化設(shè)計[12]。教學(xué)設(shè)計是進行實驗教學(xué)的藍(lán)圖，在教學(xué)設(shè)計中要充分考慮實驗的目的、內(nèi)容、學(xué)生已有的知識水平和兩個實驗環(huán)境的特點，盡可能提供更大的實驗空間，充分調(diào)動學(xué)生的積極性、主動性，發(fā)揮學(xué)生的主體作用和教師的主導(dǎo)作用。

(3) 正確處理好“雙主”關(guān)系。①要強化學(xué)生的主體地位，充分發(fā)揮學(xué)生的認(rèn)知主體作用，多給學(xué)生思考、實踐和發(fā)展的空間，②不能忽視教師的主導(dǎo)作用。由于“虛實結(jié)合”模式將學(xué)生的實踐活動已由課內(nèi)延升至課外，因此，教師的指導(dǎo)已不再局限于有形的課堂，同時要注意跟蹤學(xué)生在虛擬實驗平臺上的學(xué)習(xí)情況，通過網(wǎng)上交流工具，及時解答學(xué)生的疑難問題，并給予學(xué)生及時有效的信息反饋與學(xué)習(xí)指導(dǎo)[13]。

(4) 構(gòu)建完善的實驗教學(xué)支持系統(tǒng)。實驗教學(xué)支持系統(tǒng)是開展“虛實結(jié)合”實驗教學(xué)的必備條件，必須予以高度重視。作為學(xué)科教學(xué)平臺的一個子系統(tǒng)，實驗教學(xué)支持系統(tǒng)必須建構(gòu)在校園網(wǎng)之上，并與學(xué)校的教務(wù)管理系統(tǒng)直接相連，且做到：①為學(xué)生提供實驗必需的虛擬場景、虛擬儀器和設(shè)備、實驗演示的3D動畫、立體化的實驗教學(xué)資源；②對學(xué)生的交流討論、實驗過程的記錄和修改、實驗報告提交等學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)提供技術(shù)支持；③為學(xué)生提供輔導(dǎo)、答疑、信息反饋和實驗評價等信息[14]。

(5) 建立和諧的人文環(huán)境。情感交流是一個復(fù)雜多變的過程，不僅受時間、地點、人物、環(huán)境和經(jīng)歷的影響，而且有表情、言語、動作或身體的接觸[15]。在“虛實結(jié)合”模式下開展實驗時，學(xué)生仍然要面對虛擬的網(wǎng)絡(luò)世界，必然導(dǎo)致其情感的缺失，產(chǎn)生心理上的焦慮和孤獨，降低學(xué)習(xí)的興趣和效率。為緩解以上不良影響，可采用以下辦法：①在人機界面設(shè)計上，通過計算機進行情感感知和情感表達(dá)，建立友好的人機情感交互[16]；②在師生之間、生生之間建立交流互動平臺，讓每個學(xué)生都得到老師的關(guān)懷和同學(xué)的幫助，從而激發(fā)創(chuàng)造的欲望，提高自信心。

(6) 制定“虛實結(jié)合”的實驗教學(xué)質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)?！疤搶嵔Y(jié)合”的實驗考核主要用于檢驗學(xué)生在“虛”、“實”兩種環(huán)境中解決問題的能力，因此考核評價應(yīng)包括虛、實兩個部分內(nèi)容[17]。教師可根據(jù)實驗項目的不同分別設(shè)置相應(yīng)的、有效的量規(guī)及其權(quán)重，并把學(xué)生各次實驗的行為表現(xiàn)、實驗完成情況和實驗結(jié)果作為考核內(nèi)容納入其中，使實驗和評價成為一個有機的整體。

5 結(jié) 語

相對理論教學(xué)而言，電類基礎(chǔ)課程實驗更具有直觀性、實踐性、綜合性、探索性和啟發(fā)性等特點，在培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力、創(chuàng)新能力和科學(xué)素質(zhì)等方面具有不可替代的作用。將虛擬實驗引入電類基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)，構(gòu)建“虛實結(jié)合”的電類基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)模式，有助于電類基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)保障體系的建立和學(xué)生創(chuàng)新精神、實踐能力的培養(yǎng)，最終實現(xiàn)高等院校創(chuàng)新型、實用型專業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

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