基于虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，開展參與式教學(xué)
——以“電路制作實訓(xùn)”課程為例

張琥石 陳 妮 梁 妮 林偉龍 覃茂昌 何婷婷

廣西醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系 廣西南寧 530021

1 研究背景

“電路制作實訓(xùn)”為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)于2013年開設(shè)至今的一門實訓(xùn)課程，授課對象為大一上學(xué)期的新生。此門課程為實訓(xùn)課，36課時全部為實驗課，教師每節(jié)課布置一個實訓(xùn)項目，學(xué)生用8個學(xué)時的時間親自動手完成。旨在使學(xué)生通過完成實訓(xùn)項目，掌握電路焊接的基本技巧以及常用電路元器件的識別方法，這些技能可以稱得上生工專業(yè)的“看家本領(lǐng)”，因此，學(xué)生對該門課程知識的掌握程度不僅會直接影響后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，還會對學(xué)生今后的就業(yè)和工作產(chǎn)生重要影響。

然而在實際教學(xué)中，卻存在以下幾點問題：

(1)傳統(tǒng)教授方式不能滿足課程實際需求?，F(xiàn)階段“電路制作實訓(xùn)”課程的授課方式仍以傳統(tǒng)的教師授課為主，結(jié)合板書與PPT。而實訓(xùn)課有大量操作內(nèi)容，傳統(tǒng)的授課方式不能很好地重現(xiàn)這些操作步驟，學(xué)生理解困難

(2)實驗所用元件細(xì)小，學(xué)生難于觀察，老師難于展示。實訓(xùn)課用到的各類電子元件大部分體積都很小，當(dāng)面對一個50名學(xué)生的自然班時，老師用傳統(tǒng)的教學(xué)方法很難將微小元件的結(jié)構(gòu)展示給全部同學(xué)，而學(xué)生很難清晰地進行觀察與學(xué)習(xí)。

(3)學(xué)生基礎(chǔ)薄弱，理解困難。授課對象是大一新生，這些新生剛剛步入大學(xué)校門，還不適應(yīng)大學(xué)的生活和學(xué)習(xí)，對于實訓(xùn)課這種全新教學(xué)模式感到不適應(yīng)。

(4)學(xué)生難以開展預(yù)習(xí)。實訓(xùn)課全部課時都為實訓(xùn)課，需要在實驗室展開實操，而實驗室只在上課時才開放，學(xué)生離開實驗室就很難開展預(yù)習(xí)活動。以上這些問題直接影響了本門課程的教學(xué)效果與學(xué)生對于知識點的理解。

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的到來，“虛擬仿真實驗”走進我們的視野，虛擬仿真實驗是指利用計算機系統(tǒng)，依托計算機軟件和硬件，通過多種虛擬仿真技術(shù)模擬真實的實驗環(huán)境，讓操作者能夠在虛擬的環(huán)境中以接近真實的感受完成預(yù)定的實驗項目[1]，它是虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到實驗教學(xué)的重要表現(xiàn)。虛擬仿真實驗具有成本低廉、可集成多種多媒體技術(shù)、表現(xiàn)能力強、能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣[2]的優(yōu)勢，同時學(xué)生不在實驗室也可以進行實驗課的操作練習(xí)，極大地拓展了課程的深度與廣度，是線下實驗的有力補充[3]。

基于虛擬仿真實驗的特點與優(yōu)勢，我們可以將虛擬仿真實驗平臺運用于“電路制作實訓(xùn)”課程的日常教學(xué)中，讓學(xué)生即使不在實驗室也可以開展學(xué)習(xí)，也可以利用碎片時間進行自主學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，解決目前教學(xué)中出現(xiàn)的問題。

2 平臺介紹

我們使用Flash語言編寫虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，運用2D動畫來展示實驗過程，采用B/S架構(gòu)，具有跨平臺部署能力，學(xué)生無論是用電腦、平板,還是手機，只要打開瀏覽器就可登錄本平臺，進而開展線上學(xué)習(xí)。

我們篩選“電路制作實訓(xùn)”課程中適用于開展虛擬仿真教學(xué)的知識點，設(shè)置四個虛擬仿真項目，分別是電子門鈴、電源的使用、信號發(fā)生器的使用和示波器的使用。虛擬仿真項目涵蓋以下四個知識點：焊接的基本原理、常用元器件的識別、焊接技巧、常用元器件的工作原理。通過完成虛擬仿真實驗，學(xué)生可以將碎片化的電子信息知識連接起來，構(gòu)建相對完善的電子理論體系。

在虛擬仿真實驗項目的設(shè)置上，我們每個儀器都設(shè)置了一個小場景，比如示波器，我們虛擬一個用示波器測正弦波的小實驗，學(xué)生通過點擊鼠標(biāo)代替手指調(diào)整示波器的按鍵，隨著調(diào)整，顯示屏上的波形也會隨之變化，最終得到一個清晰完整的波形，完成這個虛擬實驗。通過這個實驗了解示波器的工作原理、各按鍵的作用，以及操作的注意事項。

電路焊接是電子類專業(yè)學(xué)生的一項基本功，其原理是通過電烙鐵融化焊錫。學(xué)生根據(jù)電路圖，將電路板上相應(yīng)的元器件用焊錫連接起來，焊接時一手拿電烙鐵，一手拿焊錫，將焊錫融化到焊盤上。

以電子門鈴實驗為例，介紹本虛擬仿真教學(xué)平臺。此實驗包括了元件識別與使用、原理介紹和虛擬實驗平臺三大模塊，集課程講授與模擬實驗操作于一身。

圖1 虛擬仿真實驗平臺設(shè)計示意圖

此次虛擬仿真實驗的流程圖如圖2所示。

圖2 電子門鈴虛擬仿真實驗的流程

在理論知識教學(xué)模塊，學(xué)生先學(xué)習(xí)此次實驗所用原件的工作原理，在該模塊中，我們將此次實驗所涉及的理論知識用微課、動畫等多媒體形式生動地展示給學(xué)生，力求做到生動活潑，言簡意賅，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生完成理論知識的學(xué)習(xí)。

在元件識別與使用模塊，學(xué)習(xí)所用原件的識別方法與管腳功能，然后系統(tǒng)以選擇題的形式給出多個選項，學(xué)生根據(jù)所學(xué)的知識從選項中選擇正確的原件放入電路中。

進入虛擬實驗?zāi)K，學(xué)生根據(jù)所學(xué)的知識從選項中選擇正確的原件放入電路板中。此時與鞏固模塊交聯(lián)，然后系統(tǒng)以選擇題的形式給出多個選項，學(xué)生根據(jù)所學(xué)的知識從選項中選擇正確的原件。

正確放置完元件后，進入下一個仿真項目。線下實驗需要學(xué)生使用電烙鐵和焊錫進行焊接。在本系統(tǒng)中學(xué)生可以用鼠標(biāo)模擬電烙鐵，在平臺上對元器件進行焊接，焊接完成后系統(tǒng)會自動檢測電路焊接是否正確。在遇到操作要點時，再次與鞏固模塊交聯(lián)，系統(tǒng)會提出一些問題來檢查學(xué)生對知識點的掌握程度。在系統(tǒng)的引導(dǎo)下，學(xué)生完成虛擬仿真實驗操作，從而熟悉了實驗的操作步驟以及知識點，為實際實驗操作打好了基礎(chǔ)。

最后，學(xué)生利用線上交流功能進行交流，向老師詢問問題，幫助其他學(xué)生更快更好地掌握知識

圖3 理論教學(xué)微課

圖4 元件放置界面

圖5 元件識別模塊界面

圖6 元虛擬焊接模塊界面

3 教學(xué)模式設(shè)計

引入虛擬仿真實驗教學(xué)，開展參與式教學(xué)。虛擬仿真教學(xué)平臺終究只是手段，目的是要把它運用到實際教學(xué)中，提升教學(xué)水平。本項目擬將依托虛擬仿真教學(xué)平臺，開展參與式教學(xué)。具體實施方法如圖7所示。

圖7 教學(xué)模式設(shè)計示意圖

在橫向上，依托虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，將一節(jié)實驗課分為“課前模塊”“課中模塊”和“課后模塊”三個模塊。在縱向上，將傳統(tǒng)的課堂教學(xué)與虛擬仿真實驗教學(xué)平臺相結(jié)合，開展參與式教學(xué)。

“課前模塊”：把學(xué)生分為2～3人一組，引導(dǎo)學(xué)生利用虛擬仿真實驗平臺進行仿真實驗操作與預(yù)習(xí)，通過虛擬實驗了解此次實驗的內(nèi)容和知識點，同時激發(fā)學(xué)生的思考，利用碎片時間閱讀參考資料，如有不明白的地方，可進行小組討論或?qū)⒁蓡枎胝n堂。讓學(xué)生提前對這節(jié)課要學(xué)的知識點進行思考，做到帶著問題進入課堂。

“課中模塊”：在參與式教學(xué)中，教師主要起引導(dǎo)作用，在上課前，先隨機抽取兩個組做PPT匯報，介紹自己的課前預(yù)習(xí)的心得與疑問，隨后組織學(xué)生展開交流與討論，強調(diào)實驗重點。根據(jù)討論的情況，找出學(xué)生在自學(xué)過程中遇到的問題，再有針對性地展開課程的講授，使學(xué)生有針對性地進行實驗操作，提升教學(xué)效果。

經(jīng)過課前的獨立學(xué)習(xí)及課中的反復(fù)學(xué)習(xí)鞏固應(yīng)用，學(xué)生會對電路制作實訓(xùn)的內(nèi)容有一個整體性了解和掌握。學(xué)生“主動學(xué)習(xí)”為主，“被動接受”為輔；教師“引導(dǎo)教學(xué)”為主，“包攬教學(xué)”為輔，培養(yǎng)學(xué)生的主觀能動性，提升學(xué)生習(xí)熱情，為實際實驗操作打下堅實基礎(chǔ)。課后教學(xué)評價對教師的教學(xué)活動開展發(fā)揮著重要的導(dǎo)向作用，是促進課堂教學(xué)模式改革、提高課堂教學(xué)有效性的重要手段。

在課后，利用“課后模塊”，布置課后作業(yè)進行復(fù)習(xí)，并提供學(xué)習(xí)素材幫助學(xué)生進行拓展學(xué)習(xí)。利用在線學(xué)習(xí)平臺對學(xué)生的作業(yè)進行評分，并評估學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

通過這種教學(xué)，打破傳統(tǒng)的“課上—課下”教學(xué)模式時間和空間上的限制，構(gòu)筑“課前—課中—課后”三位一體的教學(xué)模式，做到課上課下相結(jié)合，線上線下相結(jié)合，虛擬和現(xiàn)實相結(jié)合，改變傳統(tǒng)的以老師主講的教學(xué)方式，充分利用線上資源實現(xiàn)多種教學(xué)方式相結(jié)合。

4 實施效果

選取“電子門鈴”這節(jié)課開展教學(xué)實驗，以20級生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生作為對照組，采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式進行教學(xué)。選取21級生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生作為觀察組，組織他們使用虛擬仿真實驗平臺，依托此移動教學(xué)平臺開展參與式教學(xué)。通過調(diào)查問卷以及課后作業(yè)成績對比，比較兩種教學(xué)方式的教學(xué)效果。

調(diào)查問卷主要包含“對本次課的教學(xué)方式滿意程度”“對本節(jié)課知識的掌握程度”以及對“本次課的課堂氛圍滿意程度”，選項5分為最滿意，1分為最不滿意，以下為調(diào)查結(jié)果。

圖8 教學(xué)滿意度問卷調(diào)查結(jié)果

圖9 課堂氣氛滿意度問卷調(diào)查結(jié)果

圖10 本節(jié)課知識點掌握程度問卷調(diào)查結(jié)果

從上面的統(tǒng)計可以看出，觀察組在三個調(diào)查中給出4分以上的人數(shù)比例增多，而2分以下的人數(shù)明顯減少。因此我們可以得出結(jié)論，通過引入虛擬仿真在線教學(xué)平臺，開展參與式教學(xué)，能夠活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生能更好地參與課堂活動，顯著提升學(xué)生課堂滿意度。

課堂教學(xué)完成后，給對照組和觀察組的學(xué)生布置了同樣的作業(yè)，通過對比作業(yè)的分?jǐn)?shù)來比較兩種教學(xué)方法下學(xué)生對知識的掌握程度。

兩組學(xué)生作業(yè)平均分比較表

從上表中可以看出，觀察組的學(xué)生成績比對照組的學(xué)生高出了6.8分。因此我們可以認(rèn)為，通過開展參與式教學(xué)，學(xué)生能夠更好地吸收和理解所教授的知識點，起到了提升課堂教學(xué)效果的作用。

結(jié)語

虛擬仿真實驗教學(xué)平臺提供了豐富的教學(xué)素材展示方式，對線下實驗課是有力的補充。依托該平臺，開展參與式教學(xué)，打破傳統(tǒng)教學(xué)時間與空間上的限制，將課前預(yù)習(xí)、課堂學(xué)習(xí)、課后復(fù)習(xí)三個學(xué)習(xí)階段整合成一個整體，構(gòu)筑“課前—課中—課后”三位一體的教學(xué)模式，拓展了學(xué)習(xí)的深度與廣度。經(jīng)過實踐后發(fā)現(xiàn)，較之傳統(tǒng)的教學(xué)方法，該教學(xué)模式能顯著提高學(xué)生的參與度與課堂滿意度，提升教學(xué)效果，能夠解決目前在“電路制作實訓(xùn)”課程教學(xué)中出現(xiàn)的實際問題，是一套行之可效的教學(xué)方法。