基于三學(xué)期教學(xué)改革的多模式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建

張姍姍 信海輝 譚克俊 呂銳武

摘要：三學(xué)期的教學(xué)改革鍛煉提升了學(xué)生的自學(xué)能力和學(xué)習(xí)效率，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在改革中得到重視，在教學(xué)中加大了實(shí)驗(yàn)課時(shí)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建，作為傳統(tǒng)模式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充，輔助實(shí)現(xiàn)了學(xué)生課外的直觀形象的預(yù)習(xí)、操作，節(jié)省了課時(shí)內(nèi)的操作時(shí)間，有效地提高了教學(xué)質(zhì)量和儀器的使用效率。虛擬仿真平臺(tái)和“雨課堂”的結(jié)合，跟實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)教學(xué)相輔相成，豐富了教學(xué)內(nèi)容，滿足了創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)需求。

關(guān)鍵詞：三學(xué)期;虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué);多模式

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2020）11-0391-02

2018年9月，教育部《關(guān)于狠抓新時(shí)代全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議精神落實(shí)的通知》要求各高校全面梳理各門課程的教學(xué)內(nèi)容，淘汰“水課”、打造“金課”。慕課、開放課等構(gòu)成金課體系;線下金課、線上金課、線上線下混合式金課、虛擬仿真金課、社會(huì)實(shí)踐金課構(gòu)成五大金課類型?？梢姡鹫n體系是建立在教育信息化的基礎(chǔ)上的，而實(shí)驗(yàn)課的高水平金課離不開虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)。

“中國(guó)制造2025”是我國(guó)政府實(shí)施強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的第一個(gè)十年行動(dòng)綱領(lǐng)。電子技術(shù)是工業(yè)制造2025不可或缺的基礎(chǔ)課程，是學(xué)生邁向電子世界的一道門檻。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)中，設(shè)計(jì)、制作仿真實(shí)訓(xùn)軟件;在教學(xué)科研中，設(shè)計(jì)、創(chuàng)造新的虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)裝備，實(shí)現(xiàn)用現(xiàn)代信息技術(shù)改造傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健?/p>

一、三學(xué)期教改中實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

為了促使教學(xué)內(nèi)容得到精簡(jiǎn)，尋求更適合的教學(xué)模式，并鍛煉提升學(xué)生的自學(xué)能力和學(xué)習(xí)效率，我院進(jìn)行了三學(xué)期制的教學(xué)改革。在改革中，增加實(shí)驗(yàn)課的課時(shí)，集中實(shí)踐類課程的上課時(shí)間，以便提高資源的利用率。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，學(xué)生只能根據(jù)電路原理圖和文字進(jìn)行預(yù)習(xí)，無法想象實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，大量的時(shí)間用于對(duì)儀器的熟悉對(duì)實(shí)驗(yàn)線路的連接，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程就是機(jī)械性的積木堆疊的過程。由于操作不熟練造成的過流過壓等現(xiàn)象，使儀器設(shè)備損壞率較高。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象分析等也都是憑借回憶想象來完成的。這讓實(shí)驗(yàn)教學(xué)很難達(dá)到對(duì)理論知識(shí)進(jìn)一步鞏固理解的目的。

三學(xué)期教學(xué)改革后實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的集中，同一時(shí)段上課的學(xué)生人數(shù)驟增，實(shí)驗(yàn)臺(tái)套數(shù)設(shè)備的短暫緊缺，損壞的儀器無法及時(shí)維修，這大大降低了教學(xué)質(zhì)量。學(xué)生走馬觀花式地完成實(shí)驗(yàn)，無法系統(tǒng)了解各實(shí)驗(yàn)的原理。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在的問題日益突出。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以讓學(xué)生隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，能夠更加直觀地視覺化立體化地掌握所學(xué)知識(shí)。利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)預(yù)習(xí)鞏固與真實(shí)操作相結(jié)合，多模式融合進(jìn)行教學(xué)，開創(chuàng)教改新方向。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建

電工電子國(guó)家級(jí)示范實(shí)驗(yàn)中心網(wǎng)站，始建于2011年。網(wǎng)站承載著實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻的查閱、授課信息的發(fā)布、課程設(shè)置的公布以及新聞動(dòng)態(tài)的發(fā)布等功能。同時(shí)，網(wǎng)站設(shè)置登錄窗口，與實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)相連接，方便學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程的查閱與開放實(shí)驗(yàn)室的管理。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助手段，依托實(shí)驗(yàn)中心的網(wǎng)站，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行構(gòu)建。

1.儀器的使用說明。虛擬仿真項(xiàng)目中，仿真界面和常用的儀器設(shè)備真實(shí)的面板一樣。通過三維立體的展示與操作，讓學(xué)生熟悉設(shè)備使用中的前后順序，以及各種現(xiàn)象結(jié)果。同時(shí)，設(shè)置考核點(diǎn)，對(duì)使用操作進(jìn)行驗(yàn)證，操作失誤后出現(xiàn)危險(xiǎn)警示畫面，達(dá)到熟悉儀器設(shè)備的目的。減少因?qū)υO(shè)備的不熟悉造成的時(shí)間浪費(fèi)，降低不正當(dāng)操作引起的失誤，從而提高儀器設(shè)備的安全使用率。

針對(duì)不同的儀器設(shè)備，設(shè)立單獨(dú)的虛擬三維立體仿真項(xiàng)目。每個(gè)儀器可通過二維碼標(biāo)識(shí)等與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相連接，學(xué)生在課前預(yù)習(xí)時(shí)可通過中心網(wǎng)站進(jìn)行學(xué)習(xí)，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，可通過掃碼得到小視頻，聯(lián)系實(shí)際操作，更深入熟悉儀器的使用。

2.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的虛擬仿真。通過虛擬仿真，將實(shí)驗(yàn)課程中所用的實(shí)驗(yàn)箱面板進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，針對(duì)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，先進(jìn)行視頻微課講解，然后，學(xué)生可在虛擬仿真平臺(tái)中自己連線搭建電路，連線正確后測(cè)出該線路下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，連線錯(cuò)誤給予提示敦促改正。最后，學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際操作，基于之前的仿真練習(xí)節(jié)省了課堂時(shí)間，使實(shí)際操作的效率大大提高，驗(yàn)證基本功能后，學(xué)生可以根據(jù)自己對(duì)功能模塊的理解，進(jìn)行探索性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，深入理解所學(xué)內(nèi)容。

3.實(shí)踐實(shí)習(xí)的虛擬仿真。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以提供三維立體化的視覺與操作。將電子工藝實(shí)習(xí)，電子線路課程設(shè)計(jì)等課程的內(nèi)容，通過虛擬仿真的方式展示出來，讓學(xué)生更加直觀立體地了解我要做什么，我該怎么做，做的過程中注意什么，操作失誤后會(huì)出現(xiàn)什么樣的危險(xiǎn)，遇到危險(xiǎn)后應(yīng)該怎樣處理等。將實(shí)驗(yàn)過程中的安全隱患以及可能對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行的損壞提前指出。

4.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件需求。電工電子實(shí)驗(yàn)中心的網(wǎng)站有自己專屬的服務(wù)器，能保證一個(gè)行政班的學(xué)生同時(shí)在線學(xué)習(xí)。隨著各仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的完善，學(xué)生對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的日?；褂妙l率提高，同時(shí)在線的學(xué)生人數(shù)會(huì)有所增加。當(dāng)服務(wù)器接近滿負(fù)荷時(shí)，會(huì)提前給出預(yù)警提示，我們可以再增加服務(wù)器，對(duì)后臺(tái)進(jìn)行擴(kuò)容，保證虛擬仿真平臺(tái)的順利使用。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立，可以達(dá)到無疲勞指導(dǎo)，用人工智能技術(shù)解放實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師;無紙化辦公，物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)電子實(shí)驗(yàn)報(bào)告，公平公正;無時(shí)空限制，互聯(lián)網(wǎng)讓實(shí)驗(yàn)無處不在無時(shí)不在;無障礙實(shí)驗(yàn)，三維可視化虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)讓實(shí)驗(yàn)不再陌生。

三、多模式融合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用，可以有效提高現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)操作的效率。學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握也可以借助“雨課堂”來進(jìn)行考核。通過“雨課堂”，教師將線上與線下、虛擬與現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)方式有效整合，巧妙地安排課堂內(nèi)的教學(xué)活動(dòng)，合理地將一些考核等教學(xué)活動(dòng)安排在課堂外，使得教學(xué)設(shè)計(jì)更加開放機(jī)動(dòng)。學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性被極大激發(fā)，有助于打造“以學(xué)生為中心”的課堂，實(shí)現(xiàn)價(jià)值塑造、能力培養(yǎng)、知識(shí)傳授“三位一體”的教育。課前預(yù)習(xí)+仿真練習(xí)+實(shí)時(shí)課堂+課后考卷全程教學(xué)活動(dòng)的數(shù)據(jù)采集，幫助教師教學(xué)從經(jīng)驗(yàn)主義向數(shù)據(jù)主義轉(zhuǎn)換，以全周期、全程的量化數(shù)據(jù)輔助教師判斷分析學(xué)生學(xué)習(xí)情況，以便調(diào)整教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)節(jié)奏，做到教學(xué)過程可視可控。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與“雨課堂”的組合使用，作為實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)授課的輔助與補(bǔ)充手段，靈活的授課方式，讓師生教學(xué)融合更緊密，教學(xué)相長(zhǎng)。

四、總結(jié)

三學(xué)期的教學(xué)改革，給學(xué)生帶來了更多自主學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，教學(xué)內(nèi)容為順應(yīng)其發(fā)展應(yīng)及時(shí)調(diào)整。實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)學(xué)習(xí)的必經(jīng)途徑，真正的動(dòng)手能力與技能必須在現(xiàn)實(shí)情境中獲得，把虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的完善與補(bǔ)充，更大限度地?cái)U(kuò)展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，將計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬仿真等技術(shù)有機(jī)融合為一體，在三學(xué)期的教學(xué)改革中添磚助力，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和信息資源等各項(xiàng)虛擬仿真服務(wù)。我們要結(jié)合先進(jìn)的多媒體技術(shù)，將多種方式相結(jié)合，把電工電子實(shí)驗(yàn)中心網(wǎng)站體系建成具有學(xué)科特色的教學(xué)與管理一體化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

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