基于虛擬仿真軟件的實(shí)驗(yàn)教學(xué)滿意度調(diào)查及教學(xué)探索
——以氣象雷達(dá)原理課程為例

唐順仙，李 睿，史 朝

（成都信息工程大學(xué)電子工程學(xué)院，四川 成都 610225）

0 引言

氣象雷達(dá)原理是我校大氣探測(cè)專業(yè)學(xué)生的必修課程，是培養(yǎng)學(xué)生具備氣象雷達(dá)裝備研發(fā)、性能評(píng)估、故障檢測(cè)與維修等能力不可或缺的環(huán)節(jié)，此課程相關(guān)的實(shí)驗(yàn)經(jīng)常會(huì)用到一些精密度高、易損耗且價(jià)格昂貴的設(shè)備與儀器。然而在平時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中這些設(shè)備和儀器不可能做到人手一套，故常采用線下集中教學(xué)演示和分組操作的教學(xué)模式。為節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本及緩解實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足，基于虛擬仿真技術(shù)開(kāi)發(fā)的軟件逐漸被應(yīng)用到氣象雷達(dá)類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，特別是在突發(fā)公共衛(wèi)生事件防控期間，這種基于仿真軟件的線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式得到了越來(lái)越廣泛的發(fā)展[1-2]。相比于傳統(tǒng)面對(duì)面授課模式，線上授課模式打破了時(shí)空局限性，讓每位學(xué)生都有機(jī)會(huì)在軟件界面上采用直接拖拽的形式親自完成實(shí)驗(yàn)方案的搭建和信號(hào)測(cè)試，使原來(lái)只能以小組參與形式完成的實(shí)驗(yàn)操作課程變得更加便捷、靈活和有趣。為進(jìn)一步了解學(xué)生對(duì)線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的接受度和線上教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)的滿意程度，我們對(duì)2017級(jí)和2018級(jí)的部分本科生采用了線上問(wèn)卷的形式進(jìn)行了調(diào)查，并開(kāi)展了氣象類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革思路的探討。

1 調(diào)查結(jié)果與分析

1.1 線上教學(xué)方式的接受度

在對(duì)基于虛擬仿真軟件的線上實(shí)驗(yàn)授課模式的接受度調(diào)查中，44.0%的學(xué)生認(rèn)為是激動(dòng)愉悅，28.2%的學(xué)生認(rèn)為是緊張，27.8%的學(xué)生認(rèn)為無(wú)所謂。該項(xiàng)調(diào)查結(jié)果表明，大部分學(xué)生對(duì)于利用虛擬仿真軟件完成實(shí)驗(yàn)操作是抱有期待的。實(shí)驗(yàn)授課的模式中包括錄播視頻演示和線上直播操作兩種方式，學(xué)生較滿意的方式是線上直播操作（88.9%），而對(duì)錄播視頻演示且不進(jìn)行直播講解的教學(xué)方式表示比較反感。接受度模塊的調(diào)查結(jié)果顯示，學(xué)生對(duì)基于虛擬仿真軟件的線上直播授課是持支持和理解的態(tài)度，這也督促教師進(jìn)一步思考，如何借助信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，將直播授課與傳統(tǒng)線下實(shí)驗(yàn)操作模式的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行互補(bǔ)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高校課程的開(kāi)放化和信息化。

1.2 線上教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)的滿意度

為了確保學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)操作而不受到網(wǎng)絡(luò)硬件和軟件等條件的影響，任課教師在授課前需為學(xué)生提供與本次實(shí)驗(yàn)相關(guān)的教學(xué)視頻作為備播資料及預(yù)習(xí)資料。同時(shí)可利用虛擬仿真軟件自帶的打卡簽到、隨堂測(cè)驗(yàn)和測(cè)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析等功能及時(shí)掌握學(xué)生考勤和學(xué)習(xí)情況，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

1.2.1 預(yù)發(fā)資料對(duì)教學(xué)效果的影響

在調(diào)查預(yù)發(fā)視頻資料對(duì)教學(xué)效果的影響調(diào)查中，36.8%的學(xué)生認(rèn)為預(yù)發(fā)視頻資料對(duì)提高實(shí)驗(yàn)操作效果很有幫助，60.8%的學(xué)生認(rèn)為有一些幫助，僅2.4%的學(xué)生認(rèn)為沒(méi)有幫助。這表明通過(guò)預(yù)發(fā)視頻資料的預(yù)習(xí)方式，能促使部分學(xué)生在課前主動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的預(yù)習(xí)，這種方式也使得任課教師授課和學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程變得更加輕松。但同時(shí)也注意到一些學(xué)生過(guò)度依賴回放視頻來(lái)完成實(shí)驗(yàn)操作，這將使其學(xué)習(xí)效率變差，無(wú)法達(dá)到學(xué)習(xí)效果及有效地完成學(xué)習(xí)任務(wù)。針對(duì)這部分學(xué)生，任課教師需要及時(shí)地提醒他們克服懶惰心理，注重提高平時(shí)課堂的學(xué)習(xí)效率。

1.2.2 課堂互動(dòng)與討論

通過(guò)騰訊交流群、討論社區(qū)等方式進(jìn)行課堂互動(dòng)，這種方式看似更符合年輕人的喜好，但問(wèn)卷調(diào)查顯示45.9%的學(xué)生認(rèn)為線上授課方式對(duì)師生情感交流不利，且有43.5%的學(xué)生認(rèn)為自己在線上授課與傳統(tǒng)面對(duì)面授課時(shí)的課堂活躍度差別不大。但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，以網(wǎng)絡(luò)社交軟件作為工具的交流模式仍是年輕人更樂(lè)于接受的方式，61.7%的學(xué)生表示更愿意通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與教師互動(dòng)，73.7%的學(xué)生表示騰訊交流群的建立對(duì)與授課教師的溝通、討論、答疑有幫助。相比于傳統(tǒng)課堂的舉手提問(wèn)，55.5%的學(xué)生更喜歡用彈幕、群聊天等方式參與線上課堂的互動(dòng)。

1.2.3 隨堂測(cè)試環(huán)節(jié)

在線上授課過(guò)程中，當(dāng)學(xué)生完成了設(shè)定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后，我們會(huì)開(kāi)展隨堂測(cè)試環(huán)節(jié)，即隨機(jī)挑選幾個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)其進(jìn)行考查。通過(guò)在線教育綜合平臺(tái)發(fā)布隨堂測(cè)試時(shí)，54.5%的學(xué)生表示能獨(dú)立、自覺(jué)和誠(chéng)實(shí)地完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，42.6%的學(xué)生表示能完成部分測(cè)試任務(wù)，2.9%的學(xué)生則表示不能完成。該模塊的調(diào)查結(jié)果顯示，絕大部分學(xué)生在隨堂測(cè)試環(huán)節(jié)表現(xiàn)較好，而針對(duì)少部分學(xué)生在完成測(cè)試環(huán)節(jié)出現(xiàn)的困難，教師應(yīng)及時(shí)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整教學(xué)方向、進(jìn)度和節(jié)奏，使授課內(nèi)容更具針對(duì)性和實(shí)效性，從而達(dá)到提升教學(xué)質(zhì)量的目的。

2 虛擬仿真軟件在氣象雷達(dá)類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

在氣象雷達(dá)類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬仿真軟件，在打破時(shí)間和地域限制的同時(shí)，還可以減小儀器設(shè)備臺(tái)套數(shù)限制和節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本等[3]。此外，虛擬仿真軟件在教學(xué)工作中還具有如下優(yōu)勢(shì)：

2.1 滿足學(xué)生個(gè)性化發(fā)展的需求

氣象雷達(dá)是一個(gè)非常龐大且復(fù)雜的系統(tǒng)，學(xué)生要想提高自身的專業(yè)水平，就需要在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)不斷地訓(xùn)練自己，深入對(duì)硬件和軟件等方面的理解與認(rèn)識(shí)。在傳統(tǒng)線下分組實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，教師很難做到對(duì)每個(gè)學(xué)生都制定個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)方案及詳細(xì)的指導(dǎo)。然而虛擬仿真軟件的應(yīng)用，能夠讓學(xué)生自由地探索感興趣的知識(shí)，并允許教師針對(duì)學(xué)生某方面的不足，個(gè)性化地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，從而在提高學(xué)生專業(yè)水平的同時(shí)滿足學(xué)生個(gè)性化發(fā)展的需求。

2.2 教學(xué)內(nèi)容的擴(kuò)展和教學(xué)質(zhì)量的提高

線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)可利用虛擬仿真軟件模擬線下實(shí)驗(yàn)中不易創(chuàng)建的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。由于真實(shí)雷達(dá)系統(tǒng)中大部分的雷達(dá)部件及工作參數(shù)不能自由調(diào)整，這極大地限制了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的制定，也影響了學(xué)生對(duì)雷達(dá)核心部件構(gòu)造及性能的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。然而，虛擬仿真技術(shù)可以重現(xiàn)雷達(dá)核心部件且放大了對(duì)雷達(dá)所有參數(shù)的設(shè)置，而無(wú)須擔(dān)心由此可能造成的系統(tǒng)損壞或不可恢復(fù)等問(wèn)題。這種教學(xué)模式極大地方便了教學(xué)內(nèi)容的擴(kuò)展和保證了教學(xué)質(zhì)量的不斷提高。

2.3 保障實(shí)驗(yàn)操作的安全

氣象雷達(dá)類(lèi)很多實(shí)驗(yàn)均涉及高頻高壓，具有較高的危險(xiǎn)性，線上操作則為實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行提供了安全保障。虛擬情景實(shí)驗(yàn)不僅能夠強(qiáng)化學(xué)生在仿真環(huán)境下規(guī)范操作的安全意識(shí)，同時(shí)又避免了高危實(shí)驗(yàn)潛在的危險(xiǎn)性。此外，初學(xué)者對(duì)雷達(dá)設(shè)備的不當(dāng)操作易造成設(shè)備的損壞，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可提供給學(xué)生充分的實(shí)驗(yàn)操作空間，而不用擔(dān)心設(shè)備因誤操作而損壞。這樣可以使學(xué)生以較放松的心態(tài)大膽的“試錯(cuò)”，從而培養(yǎng)其自信心和創(chuàng)新能力。

2.4 增加實(shí)驗(yàn)結(jié)果的直觀性

虛擬仿真軟件可以模擬典型天氣過(guò)程在不同地形條件、不同觀測(cè)模式下的回波特征，進(jìn)而為氣象雷達(dá)觀測(cè)提供很多在真實(shí)情況下“可遇不可求”的理想天氣過(guò)程。這將使學(xué)生能夠更加直觀地了解不同天氣過(guò)程在雷達(dá)回波圖中的特征，在激起學(xué)生興趣和好奇心的同時(shí)掌握更多天氣學(xué)的知識(shí)，有利于學(xué)生對(duì)理工結(jié)合類(lèi)知識(shí)的掌握。

3 基于虛擬仿真軟件的氣象類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革思路

3.1 繼續(xù)豐富虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的功能

在氣象類(lèi)實(shí)驗(yàn)課程中，涉及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是相當(dāng)豐富的，例如有雷達(dá)信號(hào)測(cè)試、性能優(yōu)化與分析、故障排查及定位、回波模擬及特征識(shí)別等。虛擬仿真軟件性能的提升及功能的豐富是提高軟件得到更多重視程度的根本。增加軟件自主調(diào)整功能，教師可以在軟件中設(shè)置很多故障點(diǎn)，讓學(xué)生利用軟件完成故障的定位及排除，這樣既可以鍛煉了學(xué)生動(dòng)手能力，也能保證每位學(xué)生都訓(xùn)練到位，提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

3.2 不斷提升教師虛擬仿真軟件操作的水平

教師對(duì)軟件的熟練掌握程度直接影響了其實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。對(duì)于初次接觸虛擬仿真軟件的教學(xué)人員，需施行導(dǎo)師制，即由軟件熟練操作人員對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的輔導(dǎo)。此外，鼓勵(lì)教師將此軟件引入到平時(shí)的科研項(xiàng)目研發(fā)中，在科研項(xiàng)目的推進(jìn)中盡早地提高軟件操作水平，進(jìn)而提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

3.3 重點(diǎn)引入教學(xué)與科研相互促進(jìn)的模式

從教師的科研項(xiàng)目中選取較好的成果，并將其轉(zhuǎn)化成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這樣極大豐富了虛擬仿真的教學(xué)內(nèi)容，調(diào)動(dòng)了學(xué)生利用軟件的積極性和創(chuàng)造性，并開(kāi)拓了學(xué)生的視野，從而有利于提高學(xué)生在工程實(shí)際應(yīng)用方面的能力。與此同時(shí)，教師在科研中廣泛的應(yīng)用虛擬仿真軟件，這也在一定程度是提升了其實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平[4]。

3.4 全面優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)大綱的質(zhì)量

現(xiàn)代化的虛擬仿真技術(shù)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的豐富和綜合性實(shí)驗(yàn)的增設(shè)提供了非常好的契機(jī)。在構(gòu)思新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)，編寫(xiě)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教材和課件是十分必要的。與此同時(shí)，教學(xué)大綱也需要根據(jù)新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和手段“與時(shí)俱進(jìn)”。新技術(shù)的引入和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的深化在豐富了學(xué)生的科學(xué)思想和創(chuàng)新能力的同時(shí)，也不斷提高了教師的教學(xué)水平和質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真教學(xué)軟件的出現(xiàn)突破了實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)客觀條件的諸多限制，在實(shí)驗(yàn)安全性和內(nèi)容擴(kuò)展方面也具有明顯的優(yōu)勢(shì)。此外，基于虛擬仿真軟件的線上教學(xué)模式增加課堂活躍性、形象逼真的展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果、激發(fā)學(xué)生積極性和提高教學(xué)效果等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)線下分組教學(xué)的模式。開(kāi)展對(duì)這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式滿意度的調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，絕大部分學(xué)生對(duì)這種教學(xué)方式是接受的并且對(duì)教學(xué)效果是滿意的。通過(guò)對(duì)這種教學(xué)模式改革的思考，在不斷地豐富軟件功能、提升教學(xué)水平、引入教學(xué)科研相互促進(jìn)的模式和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的前提下，這種教學(xué)模式才能夠真正激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)潛能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)按需學(xué)習(xí)、有效學(xué)習(xí)和精準(zhǔn)學(xué)習(xí)，進(jìn)一步幫助學(xué)生達(dá)到“學(xué)有所思、學(xué)有所悟、學(xué)以致用”的教育目標(biāo)。