開放式虛實結合的實驗教學模式的研究與探索

張靜?肖明

摘要：創(chuàng)新應用型人才的培養(yǎng)為實驗教學的深化與改革提出了新命題，構建開放式虛實結合實驗教學模式是一種有效的解決方案。以“傳感器技術與應用”為例，整合和優(yōu)化實驗教學內(nèi)容，構建開放式網(wǎng)絡實驗環(huán)境，建立“科研融入教學”等課外科技實踐機制，開展研討式、啟發(fā)式、探討式的實驗教學方式，形成了適應時代需求的實驗教學體系。實踐證明，該實驗教學改革培養(yǎng)了學生的工程實踐能力和創(chuàng)新精神，取得顯著的成效。

關鍵詞：實驗教學；創(chuàng)新應用型人才；開放式實驗；虛擬實驗；教學改革

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）36-0176-02

隨著我國建設“產(chǎn)業(yè)信息化”和“信息產(chǎn)業(yè)化”強國戰(zhàn)略的提出，培養(yǎng)滿足電子信息類產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的創(chuàng)新應用型人才已成為高校人才培養(yǎng)的重要目標之一。[1]實驗教學是高校教學的關鍵環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學生實踐能力、開拓創(chuàng)新意識和提升綜合素質(zhì)的重要途徑。因此，深化實驗教學改革和提高實驗教學質(zhì)量成為當前高校教學改革的重要任務。[2]目前，高校的實驗教學已難以滿足學科發(fā)展所需，開放式實驗模式、虛擬實驗等均是有效的解決方法。

“傳感器技術及應用”是一門既注重理論更注重實踐的課程，實驗教學是幫助學生理解原理、加深認識以達到學以致用的必要途徑。[3]但由于傳感器類型眾多、更新較快，因此建立完備的實驗環(huán)境是比較困難的。我系基于培養(yǎng)創(chuàng)新應用型人才的指導思想，結合課程的具體內(nèi)容，提出開放式虛實結合的實驗教學體系。經(jīng)過一系列教學改革與實踐，現(xiàn)已初見成效。

一、開放式虛實結合的實驗教學模式的提出

虛擬實驗是指綜合運用多媒體技術、計算機網(wǎng)絡、虛擬現(xiàn)實、計算機仿真軟件等產(chǎn)生和發(fā)展的一種新的實驗教學形式，不同于傳統(tǒng)實驗的教學方式和技術手段，通過軟件模擬技術來達到真實實驗的效果。[4]它既能解決實驗設備不足和價格昂貴的問題，又不受時間和地點的限制，還可為網(wǎng)絡教育和遠程教育提供支撐。但虛擬實驗也有不足之處，如不能完全反映實物實驗所面臨的環(huán)境影響，實驗步驟無法完全和現(xiàn)實細節(jié)一一對應等。[5]實物實驗有利于培養(yǎng)學生解決實際問題和動手操作能力。開放式實驗教學模式，是指實驗時間、空間、內(nèi)容、手段及教學方法等都是開放的，[1]學生還可根據(jù)自己的能力和愛好，選擇相應的實驗項目，也可將自己的創(chuàng)意帶入實驗。

“傳感器技術及應用”實驗課分為兩大類：基礎實驗和課程設計。目前，實驗教學存在如下問題：

作為一門專業(yè)課程的實驗，教學定位未得到充分重視。傳統(tǒng)觀念上，實驗教學依賴于理論教學，學生參與自主度不高，實驗教學過程基本固定，從而導致學生漠視實驗課程，如不認真預習實驗，機械地按照教師講解或?qū)嶒灲滩纳系膶嶒灢襟E完成，甚至部分學生抄襲實驗數(shù)據(jù)。[6]實驗教學已不能滿足高素質(zhì)的應用型人才的培養(yǎng)需求。

傳統(tǒng)的實驗教學受到許多限制，如實驗場地、時間；實驗設備陳舊、數(shù)量有限，許多先進的新型傳感器無法及時更新；檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)難度大等問題。虛擬實驗的開設不僅能彌補實物實驗的上述不足，還將對現(xiàn)有的實驗提供有力的補充。由于電子和計算機技術的高速發(fā)展，基于虛擬儀器的現(xiàn)代檢測系統(tǒng)設計應運而生，在課程設計中引入虛擬儀器Labview具有重要意義。

現(xiàn)有不少文獻[5-9]提及虛擬實驗在各個課程的實施案例，也有部分提出虛實結合的方案，但極少從分析具體的教學內(nèi)容，以培養(yǎng)學生的實驗設計和動手操作能力為出發(fā)點，從虛擬實驗和實物實驗的有機結合這一方面進行論述。

針對上述問題，以“傳感器技術及應用”課程為例，我系進行了開放式虛實結合實驗教學模式的探析。

二、以“傳感器技術與應用”為例的應用探索

1.整合和優(yōu)化實驗內(nèi)容，建立“逐層深入，虛實結合”的資源體系。

我系在“重構合理的知識體系，鍛煉專業(yè)技能和培養(yǎng)綜合素質(zhì)”的教學理念指導下，結合教學內(nèi)容，對傳統(tǒng)的實驗教學體系進行梳理、整合，發(fā)揮實物實驗和虛擬實驗各自的優(yōu)勢，虛實結合，各取所長，各補其短，建立以培養(yǎng)學生應用能力和創(chuàng)新能力為核心的“逐層深入，虛實結合”的實驗教學資源，“逐層深入”是指基礎型、綜合設計型（課程設計）和研究創(chuàng)新型三個層次的實驗群逐層遞進。實驗教學體系如圖1所示。

其中，大部分基礎驗證型實驗改為虛擬實驗的形式。這類實驗重點在于加深學生對理論知識的理解，加強基本技能的鍛煉。采用虛擬實驗的形式，方便學生進行課前預習、課后復習，減少設備的損耗，而且利用課程網(wǎng)站，便于實行遠程式、個性化教學。學生不僅能自由安排自己的實驗時間，重點攻克自己的學習難點，還能按照自己的進度，自主地選擇所需的實驗內(nèi)容。[3]隨著現(xiàn)代測量技術的飛速發(fā)展，虛擬儀器在智能化程度、處理能力、性價比及可操作性等方面具有明顯的技術優(yōu)勢，在檢測系統(tǒng)設計的實驗教學中備受關注。[10]因此，將虛擬儀器Labview引入了設計型實驗，結合真實電路完成系統(tǒng)設計。Labview幫助學生更易于完成較復雜的實驗設計，而真實的傳感器、數(shù)據(jù)采集電路的設計更好地培養(yǎng)學生全面動手操作的能力，“虛實結合”的方式更好地提高學生全方位的綜合應用能力。

2.以課程網(wǎng)站為載體，構建開放式網(wǎng)絡實驗環(huán)境。

為了更好地實施開放式實驗教學，利用課程網(wǎng)站為載體，采用多媒體、計算機編程技術等，構建開放式網(wǎng)絡實驗環(huán)境。實驗環(huán)境結構如圖2所示，主要分為虛擬實驗室、實驗輔助模塊、成果展示模塊等三大模塊。其中：在虛擬實驗室模塊中發(fā)布豐富的虛擬實驗資源，支持學生進行在線的基礎型實驗。利用Flash與Visio C++兩種技術，開發(fā)所占空間小且功能強大的虛擬實驗室。虛擬實驗室不僅為學生的課前預習和課后復習提供便利，還可用于課程教學演示。虛擬實驗降低學生對硬件實驗的畏難情緒，不受硬件設備的限制，增強了趣味性，提高了學生的自信心。實驗輔助模塊發(fā)布實驗項目指南、時間安排表、背景知識等資源，為開放式實驗提供信息交互的服務。輔助模塊激發(fā)學生自主學習的熱情，提高設計分析能力。在成果展示模塊中展示往屆學生的優(yōu)秀作品，使學生充滿成就感，鼓勵學生不拘泥于既有的實驗方案，發(fā)揮創(chuàng)新能力。

開放式的網(wǎng)絡實驗環(huán)境使學生參與整個實驗過程，包括實驗準備、實驗復習等。學生還可根據(jù)實驗需求和個人的學習情況，自由選擇實驗內(nèi)容，鼓勵學生“百花齊放”地設計實驗方案，獲得良好的實驗效果。

3.實時更新實驗內(nèi)容，建立“科研融入教學”等課外科技實踐機制

在研究、創(chuàng)新型實驗的內(nèi)容設置中，融入教師的科研項目，開設相關的課題，引導并組織部分學生參加。由于這類課題有一定的難度，學生對其中的技術和內(nèi)容比較陌生，教師除了明確課題目標、待解決的問題和關鍵點，還需要預測學生在實驗中易出現(xiàn)的問題，以及解決方案。[11]所以教師要充分關注實驗過程，開展定期的檢查工作。這類課題促使學生由單元設計向系統(tǒng)設計過渡，掌握傳感器、虛擬儀器、電子電路和檢測系統(tǒng)設計等技能，培養(yǎng)學生初步的科研能力。

此外，根據(jù)學生的興趣實施因材施教，積極引導學生參與競賽項目，如虛擬儀器設計大賽等，培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新型拔尖人才。

4.開展研討式、啟發(fā)式、探討式的實驗教學方式

針對當前的“教師講，學生做”的被動型教學方式，在設計型實驗中，我們采用研討式、啟發(fā)式、探討式的教學方式。轉(zhuǎn)變學生的消極學習方式，構建開放的學習環(huán)境，創(chuàng)造學生主動參與、自主協(xié)作、探索創(chuàng)新的新型教學方式，[12]激發(fā)學生的探索創(chuàng)新，加強學生獨立操作、思考分析和相互協(xié)作的能力。

通過發(fā)布實驗項目指南代替實驗指導書，項目指南提供實驗內(nèi)容和參考資料，而非具體的方案和詳細的實驗步驟，實現(xiàn)“以教師為引導，學生為主體”。[13]每3名學生組成學習小組，自主選擇課題，查找資料確定方案交由教師審核，包括完整的電路圖、設計計算、仿真結果等。教師參與小組討論和提供指導。項目完成后，以小組為單位進行匯報。實驗評價分三部分：教師評價、學生自評、組內(nèi)互評?？傮w評價除了注重實驗設計、實驗過程、問題的解決方案和實驗成果外，還要關注協(xié)作能力和個體發(fā)展等，避免以往實驗成績單靠實驗報告“一刀切”的評價方式。

三、開放式虛實結合的實驗教學模式的評估

該實驗教學模式在我校電子信息工程系08級、09級學生中試行。學生先后完成了基礎型虛擬實驗和基于Labview的設計型實驗。

1.實驗完成情況

從實驗完成情況分析，虛擬實驗便于學生隨時隨地自主學習和復習，基礎知識點掌握較扎實?！疤搶嵔Y合”的設計型實驗拓撲圖的復雜性也遠遠大于實物實驗的設計。

2.問卷調(diào)查結果

為了客觀評價該實驗教學模式和進一步完善，進行學生的問卷調(diào)查，具體回收情況如表1所示。問卷包括10道題目，其中7個多選題和3個開放型問答題，內(nèi)容包括學生對實驗模式的認可程度、教學效果評價以及實驗方式選用情況等方面。具體問卷調(diào)查結果如表2所示。

實驗方式的認可度和教學效果均超過4分，說明大多數(shù)學生對實驗方式的評價較高。不少學生認為，虛實結合的實驗方式能更深入地了解實驗過程，掌握相關知識，彌補實物實驗不足。實驗時間與地點靈活，結合網(wǎng)站，實現(xiàn)遠程學習。基礎型和設計型實驗的采用率均高于90%，越來越多的學生肯定了該實驗模式的必要性。

3.學習情況跟蹤

實驗模式的改革極大地提高了學生的學習興趣。在畢業(yè)設計選題中，選擇與該課程相關題目的學生數(shù)量大幅度增加，去年達到了30%。同時，實驗模式的改革極大地提升了學生的應用能力。不少學生在學科競賽中取得不錯的成績。部分學生反映，課程改革對其深造和就業(yè)有著積極意義。

四、結論

我系以“傳感器技術及應用”為例，從教學資源、實驗環(huán)境、課外實踐、教學方式等方面改革，構建開放式虛實結合實驗教學模式。不僅實現(xiàn)了應用型人才全方位的培養(yǎng)，而且激發(fā)了學生的主觀能動性與創(chuàng)造性思維。此外，該教學模式的研究對提高實驗教學質(zhì)量有積極作用，對實驗教學體系和方法均有借鑒與思考意義。

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（責任編輯：劉翠枝）