高職院校虛擬仿真實驗信息化教學(xué)模式研究

劉麥 張琦 杜向軍

摘 要 以電工電子課程為例，構(gòu)建高職院?；谔摂M仿真實驗的信息化教學(xué)模式。利用信息化教學(xué)手段組織學(xué)生進(jìn)行線上線下學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠靈活安排自主學(xué)習(xí)時間和進(jìn)度，并在開放的信息化教學(xué)過程中引入虛擬仿真技術(shù)，解決學(xué)生無法自主進(jìn)行實驗問題，突破時間和地域?qū)嶒灥募s束，并增加實驗的直觀性。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真技術(shù) 仿真實驗 信息化教學(xué) 電工電子

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.07.054

Abstract Taking the electrical and electronic courses as an example， the information-based teaching mode based on virtual simulation experiment in vocational colleges is constructed. Using information-based teaching methods to organize students to conduct online and offline learning， students can flexibly arrange their own learning time and progress， and introduce virtual simulation technology in the process of open information-based teaching to solve the problem that students cannot conduct experiments independently， breaking the time and geographical constraints of the experiment and increase the intuitiveness of the experiment.

Keywords virtual simulation technology； simulation experiment； information teaching； electrical and electronics

近年來，信息化教學(xué)迅猛發(fā)展，憑借資源多元化、課程使用方便、參與面廣、自主性強(qiáng)等特點，大量信息化教學(xué)工具和平臺如雨后春筍般涌現(xiàn)并規(guī)?；Ｅc傳統(tǒng)的課堂教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)課程相比，信息化教學(xué)平臺可以構(gòu)建良好的自主學(xué)習(xí)和測試環(huán)境，隨時隨地進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，實現(xiàn)教學(xué)資源的高度共享，有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)性。然而，隨著信息化教學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用，基于移動介質(zhì)進(jìn)行的信息化教學(xué)過程中無法完成實驗教學(xué)，日益成為制約教學(xué)改革與發(fā)展的因素。對于高職院校而言，實踐性較強(qiáng)，強(qiáng)調(diào)動手能力的培養(yǎng)，理論教學(xué)無法滿足教學(xué)需要。[1]因此，本文以電工電子課程為例，通過研究利用虛擬仿真技術(shù)組織信息化教學(xué)過程，構(gòu)建基于虛擬仿真實驗的信息化教學(xué)架構(gòu)。

1 電工電子課程教學(xué)現(xiàn)狀

電工電子課程是機(jī)電類、自動化類、信息類等相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，是一門綜合性、實踐性比較強(qiáng)的課程，應(yīng)用范圍廣，內(nèi)容很抽象。電工電子課程在教學(xué)過程中以理論教學(xué)為基礎(chǔ)，通過實驗加深對理論教學(xué)所學(xué)內(nèi)容的理解與掌握。目前大部分高職院校電工電子課程的教學(xué)方法還停留在傳統(tǒng)的教學(xué)方法上，基本采用以教師講授為主的填鴨式學(xué)習(xí)方式，導(dǎo)致大部分學(xué)生對電工電子課程的教學(xué)感到枯燥和抽象。

電工電子課程的實驗教學(xué)以在專業(yè)實訓(xùn)室做真實電路的連接與分析為主，多為驗證性實驗。目前大部分高職院校電工電子實驗教學(xué)過程是：老師在專業(yè)實訓(xùn)室進(jìn)行講解、演示并輔導(dǎo)，學(xué)生根據(jù)已知電路進(jìn)行實物連接，驗證相關(guān)定理。這種實驗方式受時間和場地約束，學(xué)生無法自主安排實驗進(jìn)度和時間，教師難以對所有學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，不能激發(fā)學(xué)生實驗的積極性，實踐能力和創(chuàng)新能力也不能得到充分的提高；由于學(xué)生對實驗環(huán)境的不熟悉，容易產(chǎn)生誤操作，造成元件和儀器設(shè)備的損壞，甚至發(fā)生用電危險；高校普遍存在著實驗室建設(shè)費用高昂，前期設(shè)備投入大、后期維護(hù)繁瑣等問題。[2]

因此，有必要對傳統(tǒng)的教學(xué)方式進(jìn)行改革，讓學(xué)生能夠靈活地安排時間并不受場地的約束，進(jìn)行理論學(xué)習(xí)和實驗操作，在課堂上作為教學(xué)主體主動參與到教學(xué)活動中，提高學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)的積極性，提升教學(xué)效果。

2 虛擬仿真實驗與信息化教學(xué)

2.1 虛擬仿真實驗

1989年，弗吉尼亞大學(xué)（University of Vinginia）William Wulf教授提出了“虛擬實驗室”概念，認(rèn)為虛擬實驗室是由研究人員創(chuàng)建的，具備沉浸感的電子化、網(wǎng)絡(luò)化的可互動的人工環(huán)境。[3][4]20世紀(jì)90 年代后期，隨著多媒體、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)以及虛擬現(xiàn)實等技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，國內(nèi)部分高校相繼開展了基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬仿真實驗及教學(xué)應(yīng)用的研究。2008年-2010年，教育部組織開展了“虛擬實驗教學(xué)環(huán)境關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用示范”課題研究。2013年，教育部印發(fā)了《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》。[5]

虛擬仿真實驗教學(xué)綜合應(yīng)用多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)構(gòu)建仿真的實驗環(huán)境，使學(xué)生自主地在開放的虛擬仿真平臺開展實驗。[6]引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)和仿真軟件構(gòu)建虛擬仿真實驗教學(xué)，教學(xué)過程不再是簡單的理論+實驗，而是理論教學(xué)、虛擬仿真、實驗環(huán)節(jié)的相互滲透。教學(xué)過程中，隨時可以用虛擬仿真平臺實時模擬，形象化的將抽象的理論知識展現(xiàn)出來，幫助學(xué)生將學(xué)到的理論知識用計算機(jī)仿真再現(xiàn)，更快、更直觀地掌握教學(xué)內(nèi)容，加深對概念、原理的理解。虛擬仿真實驗不僅使得實驗的教與學(xué)環(huán)節(jié)可以不受時間和地域的約束，還能緩解實驗室建設(shè)問題以及保障實驗室操作的安全性。

2.2 信息化教學(xué)

在信息爆炸的大數(shù)據(jù)時代，學(xué)習(xí)者對教學(xué)理念、內(nèi)容和技術(shù)改革的需求越來越強(qiáng)烈，也成為了學(xué)者們關(guān)注和研究的熱點。在信息化教學(xué)改革的熱潮下，出現(xiàn)了一些新的基于互聯(lián)網(wǎng)的教學(xué)方法和理論，尤其是近幾年規(guī)模化的微課、翻轉(zhuǎn)課堂和在線開放課程等。

微課是以教學(xué)過程中的一個知識點或技能作為單一的教學(xué)內(nèi)容而進(jìn)行的一種教學(xué)方式，多以視頻形式出現(xiàn)，教學(xué)時間短，因此針對性強(qiáng)、教學(xué)目標(biāo)明確。微課可以避免長時間理論教學(xué)引起的疲勞和教學(xué)效果下降，學(xué)生可以根據(jù)自己的需求有選擇性的學(xué)習(xí)，是信息化教學(xué)資源的重要組織部分。在線開放課程是在公共平臺上構(gòu)建的具有系統(tǒng)全面的教學(xué)規(guī)劃、數(shù)字資源、題庫、拓展資源的開放的教學(xué)環(huán)境，教師的作用是資源建設(shè)與教學(xué)計劃組織，學(xué)生可以根據(jù)在線開放課程平臺的教學(xué)計劃和資源進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和測試。翻轉(zhuǎn)課堂重新規(guī)劃了課堂內(nèi)外的時間，教師對課堂的主動權(quán)轉(zhuǎn)變成引導(dǎo)作用，而學(xué)生成為主動參與者。

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的迅速發(fā)展，信息技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛而深入，新的教學(xué)方法和學(xué)習(xí)模式從理念、內(nèi)容和手段上都發(fā)生了巨大的變化，極大地影響和改變了傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方式、學(xué)習(xí)者的思維模式，教師和學(xué)生都重新審視傳統(tǒng)的教學(xué)模式，從培養(yǎng)知識型人才向培養(yǎng)創(chuàng)新型人才轉(zhuǎn)變。

3 基于虛擬仿真實驗的信息化教學(xué)模式研究

為深入推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育實驗教學(xué)的深度融合，教育部于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作，推動高校積極探索線上線下教學(xué)相結(jié)合的個性化、智能化、泛在化實驗教學(xué)新模式，支撐高等教育教學(xué)質(zhì)量全面提高。[7]

本研究以電工電子課程為例，構(gòu)建基于虛擬仿真實驗教學(xué)，結(jié)合微課、在線開放課程和翻轉(zhuǎn)課堂等信息化教學(xué)手段的教學(xué)模式，如圖1所示。

教師作為資源構(gòu)建、教學(xué)活動組織的主體，在教學(xué)過程中起引導(dǎo)作用。教學(xué)資源建設(shè)是整個教學(xué)系統(tǒng)的核心，是基于現(xiàn)代信息技術(shù)建設(shè)的，主要包括文檔、圖片、多媒體課件、動畫、視頻、題庫等數(shù)字教學(xué)資源和實驗設(shè)備模型、元器件模型、電路仿真模型、仿真動畫、虛擬仿真軟件等虛擬仿真實驗資源，通過虛擬仿真實驗平臺和信息化教學(xué)平臺呈現(xiàn)。教師的教學(xué)活動是基于教學(xué)資源而進(jìn)行的有效組織，主要通過在線開放課程等信息化教學(xué)平臺要求學(xué)生進(jìn)行線上自主學(xué)習(xí)，并且通過虛擬仿真實驗平臺自主完成虛擬仿真實驗，面授課堂以解決問題為主，而實驗環(huán)節(jié)結(jié)合線上學(xué)習(xí)情況和虛擬仿真實驗情況有選擇性地進(jìn)行，最大效率地利用實驗室的時間和場地。理論教學(xué)、實驗教學(xué)與虛擬仿真教學(xué)之間相輔相成，理論教學(xué)是實驗教學(xué)和仿真教學(xué)的基礎(chǔ)，仿真教學(xué)可輔助實驗操作，和實驗教學(xué)共同作用，加深對理論知識的鞏固和靈活運用。虛擬仿真實驗教學(xué)是對傳統(tǒng)實驗教學(xué)的補(bǔ)充和延伸，即可完成傳統(tǒng)的驗證性實驗，也可引導(dǎo)學(xué)生在虛擬仿真實驗平臺進(jìn)行創(chuàng)造性的實驗，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力，對于改進(jìn)實驗教學(xué)方法和模式具有積極的促進(jìn)作用。理論教學(xué)、實驗教學(xué)和仿真教學(xué)的相互作用關(guān)系如圖2所示。

學(xué)生的學(xué)習(xí)過程以自主性學(xué)習(xí)為主，通過在線開放課程等信息化教學(xué)平臺，自主安排學(xué)習(xí)進(jìn)度和學(xué)習(xí)時間。信息化教學(xué)平臺的多媒體課件、教學(xué)視頻等系統(tǒng)完整的呈現(xiàn)課程的內(nèi)容，進(jìn)行理論知識的學(xué)習(xí)并可以測試對所學(xué)內(nèi)容的掌握程度。通過虛擬仿真實驗平臺進(jìn)行虛擬仿真實驗，對所學(xué)知識進(jìn)行驗證，并模擬實際實驗電路，為實驗教學(xué)進(jìn)行預(yù)習(xí)。對學(xué)生的學(xué)習(xí)要求面授課堂學(xué)習(xí)前須完成線上相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)與測試，實驗教學(xué)開始前須完成虛擬仿真實驗平臺的學(xué)習(xí)與操作，方可最大限度地利用線上資源和虛擬仿真平臺與課堂和實驗教學(xué)進(jìn)行深度融合，提高效率。課堂教學(xué)引入移動信息化教學(xué)手段，以解決問題為主，學(xué)生作為主體參與到教學(xué)過程，充分調(diào)動學(xué)生的積極性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)。

4 結(jié)束語

虛擬仿真實驗技術(shù)和信息化教學(xué)的深度融合利用，高效率地解決學(xué)生課余自主學(xué)習(xí)、知識重構(gòu)、實驗實踐的困境。教學(xué)過程引入虛擬仿真技術(shù)并結(jié)合信息化教學(xué)手段進(jìn)行靈活組織，學(xué)生在開放、交互的環(huán)境中進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和虛擬實驗的設(shè)計與操作，與傳統(tǒng)教學(xué)相比，更有利于教育資源的優(yōu)化、整合、利用與共享，在一定程度上解決實驗室建設(shè)周期長、經(jīng)費不足、安全無保障等問題，對提升教育質(zhì)量和深化教學(xué)改革產(chǎn)生一定的作用。

參考文獻(xiàn)

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[7] 教育部辦公廳關(guān)于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201707/t20170721_309819.html，2017-07-13