虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索與實(shí)踐

李紅嶺，高曉陽，賈尚云，楊 梅，牟佳偉，齊 瑤

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

0 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，信息技術(shù)以及一些新興虛擬仿真平臺逐步登上了新時(shí)代的舞臺[1]，雖然一些高校已經(jīng)或者正在實(shí)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革去應(yīng)用新的教學(xué)資源來實(shí)現(xiàn)線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)[2-5]，但是并未完全普及，一些偏遠(yuǎn)地區(qū)的高校改革進(jìn)程緩慢。2020 年年初，新冠肺炎席卷全球，為實(shí)現(xiàn)“停課不停教、停課不停學(xué)”的目標(biāo)，各個(gè)高校采取不同的措施，共同實(shí)施并保障高校在線教學(xué)，極大地促進(jìn)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革進(jìn)程[6-9]。我校也積極參與其中，遵循“厚基礎(chǔ)、重實(shí)踐、求創(chuàng)新、高素質(zhì)”的辦學(xué)定位目標(biāo)和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)宗旨，鼓勵(lì)教師摒棄傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)模式單一、實(shí)驗(yàn)設(shè)備高成本、實(shí)驗(yàn)過程高消耗、考核體系不完善等問題，積極探索信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合、理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)協(xié)同、科學(xué)原理與工程應(yīng)用相結(jié)合，以學(xué)生為中心，注重過程與方法、提高素質(zhì)與能力、突出實(shí)踐與創(chuàng)新的教學(xué)理念與方法，推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革步伐[10,11]。

1 電子技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

1.1 電子技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作平臺

電子技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過虛擬仿真教學(xué)管理平臺在線設(shè)計(jì)操作實(shí)驗(yàn)，平臺設(shè)計(jì)以易用和實(shí)用為原則，綜合運(yùn)用了最新的設(shè)計(jì)思想和多種關(guān)鍵技術(shù)，使之在整體結(jié)構(gòu)、操作方式、圖形處理和界面設(shè)計(jì)等方面技術(shù)特色突出。用戶可以在實(shí)驗(yàn)平臺上自主選擇邏輯器件或者形象器件兩種形式來搭建實(shí)驗(yàn)，如圖1。系統(tǒng)所需元件與儀器均是3D模型，與真實(shí)器件一樣，學(xué)生可以自主實(shí)驗(yàn)，選擇相應(yīng)器件與參數(shù)，無需消耗類或易損類實(shí)驗(yàn)材料。該實(shí)驗(yàn)環(huán)境注重可視化、互動(dòng)性操作以充分激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)作靈感，使學(xué)生在該環(huán)境下可以根據(jù)各自的創(chuàng)意去構(gòu)思、驗(yàn)證各種個(gè)性化的設(shè)計(jì)方案，盡情感受學(xué)習(xí)的樂趣，自主完成實(shí)驗(yàn)的全過程。

圖1 實(shí)驗(yàn)操作平臺

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺交互性操作功能

電子技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程以“課前、課中、課后”為導(dǎo)向，在實(shí)驗(yàn)過程中，每個(gè)學(xué)生都參與進(jìn)去，與教師交流互動(dòng)，教師設(shè)計(jì)發(fā)布一些學(xué)生感興趣的任務(wù)并給出每個(gè)任務(wù)的目標(biāo)，學(xué)生可以先根據(jù)任務(wù)目標(biāo)查找資料、觀看視頻學(xué)習(xí)相關(guān)原理知識，了解實(shí)驗(yàn)相關(guān)儀器設(shè)備，并根據(jù)自己的興趣自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路，然后通過仿真平臺進(jìn)行繪制、仿真調(diào)試實(shí)驗(yàn)，獲取、分析并處理仿真結(jié)果等，這樣的過程充分發(fā)揮了學(xué)生的自主性，培養(yǎng)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、探索學(xué)習(xí)的能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺可自動(dòng)生成可追溯實(shí)驗(yàn)記錄供教師查看批閱，學(xué)生通過分析總結(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填寫并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，平臺可自動(dòng)批閱或教師手動(dòng)批閱，最后教師發(fā)布成績并將問題反饋給學(xué)生。主要功能如圖2。

圖2 交互性操作功能

2 電子技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)是我校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)機(jī)械化與自動(dòng)化和車輛工程專業(yè)課程教學(xué)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)方面旨在提高實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的靈活性、學(xué)生選擇自主性與創(chuàng)新性、實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性與規(guī)范性要求，使其達(dá)到理想化的教學(xué)效果[12]。具體內(nèi)容如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及學(xué)時(shí)安排

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程設(shè)計(jì)

教師采用教問式、互動(dòng)式、任務(wù)驅(qū)動(dòng)式的引導(dǎo)教學(xué)方法，構(gòu)建課前、課中、課后過程性評價(jià)體系，全面地考查學(xué)生對知識的理解、掌握程度以及靈活運(yùn)用知識解決問題的能力。具體有課前準(zhǔn)備：老師發(fā)布任務(wù)單、準(zhǔn)備教學(xué)資源、學(xué)生預(yù)習(xí)了解實(shí)驗(yàn)任務(wù)及相關(guān)原理知識等；課中實(shí)踐：老師講解實(shí)驗(yàn)原理、老師答疑討論和學(xué)生設(shè)計(jì)方案完成仿真操作任務(wù)等；課后總結(jié)：學(xué)生總結(jié)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告、老師評定并總結(jié)反饋等。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

如圖3，實(shí)驗(yàn)分為設(shè)備認(rèn)知、原理分析、電路模塊設(shè)計(jì)、綜合仿真運(yùn)行四個(gè)模塊，考查四個(gè)層次的能力，先后有機(jī)銜接，進(jìn)行層次化、模塊化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，構(gòu)建課前、課中、課后過程性評價(jià)體系，全面考查學(xué)生對知識的理解、掌握程度以及靈活運(yùn)用知識解決問題的能力。

圖3 實(shí)驗(yàn)方法

3 課程評價(jià)與改革成效

3.1 課程評價(jià)

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐過程中不斷地改進(jìn)考核方式，增加過程性考核的占比，逐步構(gòu)建完善的課前、課中、課后過程性評價(jià)體系，全面的考查學(xué)生對知識的理解、掌握程度以及靈活運(yùn)用知識解決問題的能力。具體用完成度考核（占比40%）、實(shí)驗(yàn)結(jié)果考核（占比60%）兩種形式進(jìn)行考核。

（1）完成度考核：主要考核學(xué)生對實(shí)驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié)任務(wù)的完成情況，具體包括理論知識及元器件的預(yù)習(xí)、組成實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)方案合理性與正確性、團(tuán)隊(duì)協(xié)作及完成進(jìn)度的考核。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果考核：主要包括學(xué)生在進(jìn)行模擬運(yùn)行實(shí)驗(yàn)過程的電路的搭建與仿真結(jié)果，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取、記錄與分析，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫等實(shí)驗(yàn)結(jié)果的完整性考核。

3.2 改革成效

經(jīng)過電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施，課程教學(xué)取得了良好的效果，集中體現(xiàn)在學(xué)生層面和教師層面。

（1）學(xué)生層面。相比于傳統(tǒng)線下實(shí)驗(yàn)，學(xué)生普遍對新的在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)更感興趣，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在時(shí)間與空間上更自由，學(xué)生能夠在虛擬環(huán)境中自由設(shè)計(jì)并驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)自己的思路，而不用擔(dān)心實(shí)驗(yàn)過程中由于失誤造成儀器設(shè)備損壞。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)使學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識有了顯著的提升，取得了良好的效果[13]。圖4 為17 機(jī)制2 班48 人的線下實(shí)驗(yàn)與18 機(jī)制2 班54 人線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的各分?jǐn)?shù)段成績對比。分析圖4 可知，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平均成績比線下平均實(shí)驗(yàn)成績高了5.86 分，80 分以上的學(xué)生比例提高了近26%。

圖4 線下實(shí)驗(yàn)與線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)各分?jǐn)?shù)段成績對比

（2）教師層面。教學(xué)模式和組織設(shè)計(jì)具有一定的科學(xué)合理性，很大程度上減少了師資投入，實(shí)踐教學(xué)效果良好。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)解決了傳統(tǒng)線下實(shí)驗(yàn)由于儀器設(shè)備的欠缺而無法完成一些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及只靠教師口頭講解的問題，在教學(xué)過程中教師的教學(xué)任務(wù)得到明顯減輕，授課效率明顯提高。新的教學(xué)模式以學(xué)生為中心，受到學(xué)校督導(dǎo)及教師的廣泛好評。

4 結(jié)語

在我國新冠肺炎疫情進(jìn)入常態(tài)化防控過程中，新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念也發(fā)生了很大轉(zhuǎn)變，在電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索與實(shí)踐過程中，應(yīng)當(dāng)重視傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)代信息手段的結(jié)合，進(jìn)行理論教學(xué)改革的同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式與手段等方面也要做積極探索，構(gòu)筑全方位多視角的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式作為特殊時(shí)期出現(xiàn)的特殊實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，引入了大量的新技術(shù)、新概念和新方法，需要教師在實(shí)踐探索中充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，不斷豐富與改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容與方法，真正實(shí)現(xiàn)從“教學(xué)實(shí)驗(yàn)”向“實(shí)驗(yàn)教學(xué)”的轉(zhuǎn)變[14,15]。