軟件類仿真實驗線上教學(xué)設(shè)計的研究和探討

李維雅

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

信息技術(shù)發(fā)展到今天，已經(jīng)深入到工作生活的方方面面，對社會、經(jīng)濟、思想、教育、文化等產(chǎn)生了巨大的影響[1,2]。信息時代的教育教學(xué)，也必然會受到信息技術(shù)的深刻影響。信息技術(shù)與教育教學(xué)不斷融合，催生了新的教學(xué)方法，線上教學(xué)就是融合信息技術(shù)和教育教學(xué)的一種教學(xué)方法。國家通過出臺一系列的政策推動著教育信息化的進程。2010年頒布了《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020)》[3]，2012年頒布了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2010)》[4],2016年頒布了《教育信息化“十三五”規(guī)劃》[5]，2018年頒布了《教育信息化2.0行動計劃》[6]。新冠疫情的到來，更是讓人們意識到線上教學(xué)的重要性和必要性，促進了線上教學(xué)的進一步深入和推廣。相比于理論教學(xué)，對儀器設(shè)備依賴性強的實驗教學(xué)是“線上”化的一個難點。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)必須在特定的實驗設(shè)備上完成，受設(shè)備數(shù)量、時間、地點約束。而有些實驗危險性高或者成本高、消耗大、周期長等，這些實驗教學(xué)都是很難完成的，虛擬仿真實驗就是為了解決這些問題而產(chǎn)生的。虛擬仿真實驗是信息技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，利用虛擬現(xiàn)實或?qū)嵨锓抡婕夹g(shù)創(chuàng)建、重構(gòu)或還原實驗教學(xué)場景，能夠很好地彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足，和傳統(tǒng)實驗教學(xué)相輔相成，一起完成實驗教學(xué)任務(wù)。教育部多次發(fā)文推動虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)[7-9]，首批國家級虛擬仿真實驗教學(xué)項目超過700項[10]。

虛擬仿真技術(shù)可以包含動畫技術(shù)、系統(tǒng)仿真技術(shù)、三維仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、增強現(xiàn)實技術(shù)、混合現(xiàn)實技術(shù)和影像現(xiàn)實技術(shù)[11]。很多虛擬仿真實驗需要搭建專門的平臺，在眾多的仿真實驗中，基于軟件的仿真實驗無須專門的虛擬仿真平臺支持，只需要計算機和相關(guān)軟件即可進行，因此這類仿真實驗開展最為廣泛，也正因如此，這類實驗教學(xué)“線上”化的過程也更易于實現(xiàn)。實驗一般可分為觀察性實驗、操作性實驗、分析性實驗、設(shè)計性實驗和綜合性實驗[12]?；谲浖姆抡鎸嶒炓话銓儆谠O(shè)計性實驗。設(shè)計性實驗通常要根據(jù)實驗?zāi)康?，學(xué)生自主或在教師指導(dǎo)下確定實驗方案，規(guī)劃實驗方法和步驟，操作完成實驗，分析實驗數(shù)據(jù)，撰寫實驗報告。這類設(shè)計性實驗往往個性化特征更強，不同的學(xué)生有不同的設(shè)計思路和完成方式。在線教學(xué)所有的教學(xué)活動都在線完成，這就使在線教學(xué)既可以利用教師掌握的教學(xué)資源，也可以利用網(wǎng)絡(luò)豐富的教學(xué)資源；但同時因為師生不是面對面，學(xué)生難免產(chǎn)生懈怠，導(dǎo)致教學(xué)質(zhì)量無法保證。仿真實驗的線上教學(xué)，既需要考慮設(shè)計性實驗的特征，又要融合線上教學(xué)的特點，讓學(xué)生即使不能和教師面對面，也可以通過“學(xué)中做”“做中學(xué)”的仿真實驗教學(xué)，掌握知識，提高能力。

本文針對軟件類仿真實驗的教學(xué)特點，對這類實驗教學(xué)在線上如何開展進行了較系統(tǒng)的研究和實踐，給出了易于實施的“線上”化的操作方法，探討了該類實驗線上教學(xué)的教學(xué)設(shè)計方案，為軟件類仿真實驗教學(xué)的線上教學(xué)提供切實可行的參考。

在線教學(xué)設(shè)計：教學(xué)設(shè)計一般指根據(jù)教學(xué)對象和教學(xué)目標(biāo)，確定合適的教學(xué)起點和教學(xué)終點，將教學(xué)要素有序、優(yōu)化地安排，通過教學(xué)評價來檢驗方案實施效果，并修訂完善方案，以優(yōu)化教學(xué)、幫助學(xué)生獲得知識、提高能力、促進發(fā)展為目的的一種規(guī)劃過程[13]。教學(xué)設(shè)計一般包含前期分析、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)評價等環(huán)節(jié)，是教學(xué)開展的依據(jù)。

一、開展教學(xué)前期分析，為課程開展做好準(zhǔn)備

教學(xué)前期分析是在正式開課之前，教師所需要做的準(zhǔn)備工作。一般包括自我能力分析、學(xué)情分析和教學(xué)資源分析。

(一)分析自我能力，及時彌補教學(xué)短板

從傳統(tǒng)的課堂教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)樵诰€教學(xué)，教師需要具備應(yīng)對不同的教學(xué)方式的能力，研究新的教學(xué)法的能力，應(yīng)用信息技術(shù)的能力，適應(yīng)線上教學(xué)的師生溝通的能力以及對各個教學(xué)環(huán)節(jié)重新設(shè)計和實施的能力[14]。比如，針對在線教學(xué)不能和學(xué)生面對面，學(xué)生的注意力下降很快的特點，在教學(xué)內(nèi)容的組織上，盡量避免長時間的講解，可以采用知識點碎片化的方法，盡可能短地講清一個知識點，把控教學(xué)節(jié)奏，引導(dǎo)學(xué)生快速、精準(zhǔn)掌握重點、突破難點，即需要準(zhǔn)備新的教學(xué)方法和教學(xué)策略。

教學(xué)前期的自我能力分析除了能為教學(xué)做好充分的準(zhǔn)備，也有助于教師提前發(fā)現(xiàn)教學(xué)過程中可能存在的短板，并及時彌補。

(二)分析教學(xué)情況，為制定教學(xué)方法提供依據(jù)

學(xué)情分析一般包括教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)對象的分析。教學(xué)內(nèi)容的分析是組織教學(xué)內(nèi)容和制定教學(xué)策略的依據(jù)。由于軟件類仿真實驗通常屬于設(shè)計類實驗，一般沒有嚴(yán)格的實驗步驟而是更強調(diào)自主性和創(chuàng)新性。通常學(xué)生可以根據(jù)實驗?zāi)康?，自主或在教師指?dǎo)下確定實驗方案，設(shè)計實驗方法和步驟，操作完成實驗，分析實驗數(shù)據(jù)，撰寫實驗報告。在設(shè)計實驗方案和實驗操作的過程中，更強調(diào)突出學(xué)生的主觀能動性，使學(xué)生通過積極思考，創(chuàng)造出不同的技術(shù)路線實現(xiàn)實驗?zāi)康?，不僅達到“做中學(xué)”的實驗?zāi)康?，也鍛煉學(xué)生分析和解決問題的能力。教學(xué)內(nèi)容的分析，為教學(xué)方法和教學(xué)策略的制定提供了依據(jù)。

教學(xué)對象的分析一般是對學(xué)習(xí)者進行提前分析，從而獲得學(xué)習(xí)者的起點水平、學(xué)習(xí)狀態(tài)和學(xué)習(xí)風(fēng)格，這些可以通過調(diào)查問卷的方法獲得。比如，課程開始前，可以給學(xué)習(xí)者出一份本課程學(xué)習(xí)需要的基礎(chǔ)知識的試卷，通過試卷的答題程度，可以獲得學(xué)習(xí)者對本門課程知識的了解程度，從而調(diào)整課程的內(nèi)容和授課節(jié)奏。

(三)分析教學(xué)資源，為課程開展提供平臺和保障

教學(xué)資源分析一般包括軟件和硬件兩方面的分析。硬件就是在線教學(xué)所需要的設(shè)備，教師端通常需要電腦、網(wǎng)絡(luò)、麥克、攝像頭、手寫輸入設(shè)備等，學(xué)生端通常需要電腦、手機、網(wǎng)絡(luò)、麥克等。調(diào)查顯示，教師端的硬件條件基本可以滿足線上教學(xué)的需要，而學(xué)生端的硬件條件則參差不齊；網(wǎng)絡(luò)方面，多數(shù)學(xué)生有wifi環(huán)境，但也有小部分學(xué)生只有移動網(wǎng)絡(luò)，只能使用手機流量；終端方面，幾乎所有的學(xué)生備有智能手機，多數(shù)的學(xué)生有電腦設(shè)備[15]。介于目前仿真實驗所依托的軟件大部分只能在電腦端運行，不支持手機端運行，因此需要對學(xué)生是否有電腦的情況，采取不同的教學(xué)策略。

軟件是在線教學(xué)需要的學(xué)習(xí)資料和學(xué)習(xí)環(huán)境。比如電子教材、電子課件、教學(xué)視頻和在線教學(xué)平臺。在線教學(xué)平臺是在線教學(xué)的依托，其功能和穩(wěn)定性對教學(xué)效果有很大影響。在線教學(xué)雖然不是簡單地把線下課堂搬到線上，但是更不能使線上教學(xué)等于看視頻，因此依托各個教學(xué)平臺的直播課是在線教學(xué)的主要模式[16]。經(jīng)過疫情期間線上教學(xué)實際檢驗，騰訊課堂、騰訊會議、QQ、釘釘、雨課堂等教學(xué)平臺由于其強大的功能和穩(wěn)定性，成為被廣泛使用的教學(xué)平臺[16]。但這些平臺或多或少缺少一些功能，不能完全滿足課程要求，建議使用兩個或多個平臺配合使用。比如“優(yōu)慕課+QQ群”的形式。慕課功能全面，幾乎涵蓋了除直播課的所有教學(xué)環(huán)節(jié)，還可以與教務(wù)系統(tǒng)對接，導(dǎo)入學(xué)生名單，支持課程復(fù)制。直播課可以利用QQ群屏幕共享配合語音講解實現(xiàn)。這樣的處理，使學(xué)生處于一個熟悉的“班級+教室”的學(xué)習(xí)氛圍中，可以邊聽教師的講解，邊看實驗操作步驟，還可以通過語音和文字實時與教師及同學(xué)們互動交流，減小教學(xué)方式改變帶來的不適應(yīng)，使學(xué)生盡快適應(yīng)線上教學(xué)方式。

二、設(shè)置合理的教學(xué)目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神

教學(xué)目標(biāo)是指教學(xué)活動的實施方向和預(yù)期達到的成果，一般包含知識、技能和情感三個維度[17]。線上教學(xué)和課堂教學(xué)的教學(xué)形式不同，但他們所要達成的教學(xué)目標(biāo)應(yīng)該是一致的。根據(jù)仿真實驗類課程的具體情況，制定相應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)即可。比如數(shù)字圖像處理實驗課程中數(shù)字圖像灰度變換一節(jié)的教學(xué)目標(biāo)可表述為，學(xué)生在MATLAB軟件中，能利用MATLAB基本函數(shù)和數(shù)字圖像處理工具箱中的基本函數(shù)，編寫簡單程序，實現(xiàn)數(shù)字圖像的灰度變換；并在此過程中，解理圖像灰度變換的基本原理，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的科學(xué)精神。

三、設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，解決實際“問題”

課堂教學(xué)尤其是理論教學(xué)，課程的內(nèi)容邏輯性較強，前后章節(jié)聯(lián)系緊密，一般需要按照章節(jié)順序講解。而在線教學(xué)教師和學(xué)生時空分離，教師很難起到監(jiān)督的作用，學(xué)生容易懈怠。如果依然采用和課堂教學(xué)相同的內(nèi)容和節(jié)奏上課，不免產(chǎn)生教學(xué)疲憊，影響教學(xué)效果。因此，教學(xué)內(nèi)容需要重新組合，即需要針對線上教學(xué)的特點，采用合適的教學(xué)法，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。軟件類的仿真實驗課程一般是以設(shè)計開發(fā)為主的實踐性課程，可以使用面向“問題”的教學(xué)內(nèi)容組織教學(xué)。根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，把課程內(nèi)容分解為一個個的“問題”，以一個需要解決的“問題”為牽引，引導(dǎo)學(xué)生圍繞解決“問題”展開學(xué)習(xí)。教師需要做以下幾項工作：設(shè)計“問題”，組織活動，建設(shè)資源，提供工具。

四、優(yōu)化教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

教學(xué)方法是教學(xué)具體實施的規(guī)劃或方法，是與教學(xué)內(nèi)容相輔相成的。教學(xué)方法應(yīng)該是促進教學(xué)成為有效果、有效率和有效益的教學(xué)[18]。相比線下教學(xué)，線上教學(xué)還需要引導(dǎo)學(xué)生適應(yīng)從課堂到線上教學(xué)環(huán)境的變化、適應(yīng)師生溝通和互動方式的變化、適應(yīng)信息化技術(shù)手段的運用。

和面向“問題”的教學(xué)內(nèi)容相聯(lián)系的教學(xué)具體實施方法可以做以下描述。第一，把課程內(nèi)容分解成多個“問題”，把本次仿真實驗的“問題”通過教學(xué)平臺發(fā)布給學(xué)生。第二，給出本次實驗的預(yù)習(xí)提綱，開辟討論區(qū)分組討論。第三，給出問題相關(guān)的學(xué)術(shù)文獻、講授視頻和相關(guān)網(wǎng)站的鏈接。第四，提供仿真實驗所需軟件。“問題”發(fā)布以后，通過實驗提綱的預(yù)習(xí)，學(xué)生可以了解本次實驗的目的和意義以及實驗的基本原理；經(jīng)過相關(guān)學(xué)術(shù)文獻的閱讀和討論，可以獲得該“問題”的發(fā)展?fàn)顩r和基本的解決思路；再通過直播課和教學(xué)視頻，教師精講實驗原理、演示實驗方法。經(jīng)過這幾個教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生可以對本次實驗有較全面的了解，為自主開展仿真實驗提供前提和基礎(chǔ)。最后，為學(xué)生提供仿真實驗相關(guān)的專業(yè)軟件，并提供軟件的操作說明，保證仿真實驗的順利開展。經(jīng)過教學(xué)實踐，這樣的重新組織課程內(nèi)容的仿真實驗課程，以“問題”為中心，進行了更詳細的拆分，通過完成一個個小的任務(wù)，激發(fā)了學(xué)生的成就感和學(xué)習(xí)興趣，很大程度上避免了懈怠，使大多數(shù)學(xué)生真正參與到了教學(xué)當(dāng)中。

五、完善教學(xué)評價，合理評價學(xué)生成績

課程的考核評價一般分為三部分：診斷性評價、形成性評價和終結(jié)性評價[19]。診斷性評價一般在教學(xué)前期進行，可以通過問卷調(diào)查的形式，判斷學(xué)生的知識基礎(chǔ)、教學(xué)資源準(zhǔn)備等情況；形成性評價一般在學(xué)習(xí)過程中收集學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并為下階段的教學(xué)調(diào)整起到參考作用，以問卷調(diào)查、課堂和課后作業(yè)的完成情況、討論區(qū)討論情況等為依據(jù)，綜合作出評價；終結(jié)性評價是對學(xué)習(xí)結(jié)果做出全面的評價，一般需要以分?jǐn)?shù)的形式給學(xué)生評定最終成績。

軟件類仿真實驗的終結(jié)性評價可分為過程性評價和綜合性評價。設(shè)計性實驗中的過程性評價應(yīng)是評價的主體，占最終成績的多數(shù)分?jǐn)?shù)。仿真實驗可以用是否提出“問題”解決的方案、方案是否可行、方案是否被實現(xiàn)、方案實現(xiàn)的效率、實驗報告是否規(guī)范、實驗結(jié)果是否有創(chuàng)新性等方面為指標(biāo)，以分?jǐn)?shù)的形式給出每個實驗的評價，累計所有實驗評價的結(jié)果可給出最終成績的過程性評價分?jǐn)?shù)。課程結(jié)束，可以通過筆試，考查課程基本知識和基礎(chǔ)實驗方法的掌握程度，得到綜合性評價的分?jǐn)?shù)。結(jié)合過程性評價分?jǐn)?shù)和綜合性評價分?jǐn)?shù)，給予學(xué)生最終成績。

針對軟件類仿真實驗線上教學(xué)的特點，從教學(xué)前期分析、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)評價等方面討論了仿真實驗線上教學(xué)的教學(xué)設(shè)計方案。具體地給出了前期分析的內(nèi)容和方法、教學(xué)目標(biāo)制定的規(guī)律和方案、教學(xué)內(nèi)容的重構(gòu)方式、和教學(xué)內(nèi)容相配合的教學(xué)方法及其具體實施方案、教學(xué)評價的內(nèi)容和實施方法，并對線上教學(xué)中師生互動和信息技術(shù)與課程的關(guān)系做了簡單討論。經(jīng)過疫情期間的教學(xué)實踐，文中的教學(xué)設(shè)計易于實現(xiàn)和執(zhí)行，可以為軟件類仿真實驗教學(xué)的線上化提供切實可行的參考。