基于“虛實結合”的電路實驗混合式教學探索與實踐

鄧炯 何偉強 衛(wèi)樹花

摘 要：隨著信息技術和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，實驗教學中的虛實結合混合式教學模式正逐漸成為高校教學的改革新方向。為解決傳統(tǒng)電路實驗課堂中存在的缺少創(chuàng)新、形式單一、受時空限制大等問題，引入虛擬仿真實驗開展虛實結合的線上線下混合式教學。構建仿真實驗項目，思考線上線下互補融合的方式提升教學質量。從課前、課中、課后三個方面考察學生的學習效果，實現(xiàn)課程考核的多元化和過程化。通過實踐，該模式能有效增強學生的學習內驅力和實踐創(chuàng)新能力。

關鍵詞：虛實結合 仿真實驗 混合式教學 電路實驗

1 引言

“電路實驗”是為智能控制技術專業(yè)學生開設的一年級專業(yè)必修實驗課程，課程目的是提高學生基礎實驗技能、培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和發(fā)展學科素養(yǎng)。傳統(tǒng)實驗教學模式雖然能提供真實的操作體驗，但也存在諸多弊端，比如，驗證性實驗多，設計類實驗少，學生缺乏創(chuàng)新啟發(fā)環(huán)境; 考核方式往往以實驗報告為準，形式單一化;學生人數(shù)多，課堂上教師難以顧及每位學生; 學生實操受設備、時間和空間的限制多。隨著仿真技術和信息技術發(fā)展，融合線上線下優(yōu)勢的混合式實驗教學正在迅速發(fā)展，逐步改變傳統(tǒng)的實驗教學模式?！半娐穼嶒灐闭n程引入混合式教學，建設線上課程資源、開展仿真實驗教學、促進線上線下互補融合的教學模式成為高校開展電路實驗教學的優(yōu)選選項，借此介紹虛實結合的混合式實驗教學實踐，以期為相關實驗課程建設提供借鑒。

2 虛實融合的實驗項目構建

如何實現(xiàn)傳統(tǒng)實驗和仿真實驗的良性互補、提高實驗教學質量，首要任務就是開發(fā)適合的實驗項目，這是電路實驗課程建設最基本的問題，概況為以下四種。

第一種是課前預備實驗項目。利用仿真技術不受時空限制的特點，課前由學生自主完成一些仿真預備小實驗，幫助學生掌握基本實驗技能、加深對電路基本原理的理解，從而保證線下實驗室教學的效率。

第二種是虛實結合的實驗項目。首先使用虛擬實驗方式，讓學生了解實驗的基本原理和流程，然后再通過實操實驗進行驗證。通過實操實驗和仿真實驗的對比，增強學生對實驗內容和其中的理論知識的理解。

第三種是單獨的仿真實驗項目。學校實驗室不具備開展一些實驗的條件，此類實驗采用仿真實驗替代。由于仿真實驗的設備不受限制，也不用考慮安全原因，所以能實現(xiàn)的實驗項目非常豐富。

第四種是利用仿真平臺開發(fā)的設計類項目。首先由教師提出問題，然后學生自行設計實驗方案和步驟解決問題。通過學生主動性的參與，培養(yǎng)學生的實踐動手能力和工程創(chuàng)新能力。

課程的仿真平臺采用Multisim軟件。它是由美國NI公司開發(fā)的一種電路設計和分析工具。Multisim具有簡潔的頁面，提供大量的元件和設備庫，用戶可以方便的在計算機上創(chuàng)建、模擬和分析各類電路。該平臺還包含了各種模擬器和分析工具，可以幫助學生更好地理解電路的行為，并快速有效地進行實驗驗證。

實操平臺采用DVCC電工試驗箱，箱內集成各類電路基礎元件和儀表，學生可通過面板上的插孔進行接線，并開展相關實驗測量。試驗箱共提供29個驗證性實驗項目，試驗箱見圖1。

最后綜合考慮學校硬件條件和課時情況，設置電路課程開展的實驗項目見表1：

3 在線課程建設

選擇一個好的網(wǎng)絡教學平臺和建設豐富的教學資源對于開展混合式教學非常重要。電路實驗課程選擇超星學習平臺，其優(yōu)勢在于全面性和細致性，包括各種教學資源的覆蓋率和完整度，以及對于教學信息具有強大的統(tǒng)計反饋能力。學校電路實驗在線課程從2022年開始建課，每年春季開課，已開課2個學習，累計選課600多人，累計學習次數(shù)2萬多次。課程按照一個實驗一個章節(jié)方式設置，每個實驗包括預習、指導書、課件、視頻、仿真教學、預習測試等內容。課程配套資料包括電路基本知識、仿真軟件、電路常用儀表、元器件的介紹和教學視頻、文檔等。

4 混合式教學設計

隨著信息技術不斷發(fā)展，混合式教學已經(jīng)成為現(xiàn)代教育的趨勢之一。課前利用線上平臺可以方便的對學生預習活動進行組織和跟蹤。課中會有更多的時間能用于靈活多樣的參與式學習，充分提高學生的積極性和思政素養(yǎng)。課后利用作業(yè)和討論檢驗學生的興趣度、知識掌握、價值形成等綜合情況。通過引導啟發(fā)式的線上線下相結合的授課方式，采取預習任務、小組交流互動等活動，以及利用線上和線下資源進行教學優(yōu)化設計，從而提高學生的學習效果和提升他們的自主學習能力。最終實現(xiàn)課堂教學“以教師為中心”到“以學生為中心”的轉變。具體教學模式見圖2。

4.1 線上課前預習

預習由學生自主在線上完成。首先由教師制作預習課件、任務單等資料或推薦的優(yōu)質MOOC資源給學生學習。然后學生在學習的基礎上，按照任務單給出的步驟完成預備實驗和虛實結合實驗的仿真，通過預習，學生可以建立感性認識，對實驗電路構造和原理進行了解，對實驗中可能產(chǎn)生的問題有所準備。最后教師針對實驗內容設置問題供學生思考和討論，提高學生的思維能力和自主學習能力。同時，教師可以通過后臺監(jiān)控功能，實時查看學生預習情況，根據(jù)情況給出相應分數(shù)，作為實驗成績的一部分。

其中課前的預備實驗項目是電路實驗課的重要特色，起到幫助學生增強實驗技能、提高線下實驗效率的作用。例如在線下KCL、KVL的驗證實驗中，需要用萬用表測量電路支路的電流、元件上的電壓，所以課前預習中，專門配套設計萬用表使用的仿真實驗，其仿真圖如圖2所示。讓學生使用Multisim軟件，采用萬用表與電阻串聯(lián)和并聯(lián)兩種接線方式，然后測量電阻里的電流，并通過與理論值做比較，判斷測電流時采用哪一種接線方式才正確。通過該課前仿真小實驗，幫助學生屬性萬用表的功能，又掌握了測電流時正確的接線方法。

4.2 線下實操教學

傳統(tǒng)實驗教學模式下，教師需要對實驗原理、實驗器材、操作步驟等多項內容做詳細的講解，對一些復雜的操作還需要手把手的指導學生。在有限的課時內，很難照顧到學生的自主學習能力和綜合應用能力的培養(yǎng)。而混合式模式中，學生通過課前預習已經(jīng)對實驗設備、元件、操作方法和注意事項有了一定了解，所以在實際操作時，教師可以直入主題，把更多的精力投放到實驗要點、學生課前預習中反映出的突出問題上。

課堂實際操作中，按照內容導向、任務驅動教學模式，設計符合專業(yè)特色及培養(yǎng)需求的教學標準和教學資源，實現(xiàn)“教、學、做”一體化的課堂教學。具體步驟如下：（1）教師首先提出問題。問題可以是預習中學生的疑問，也可以是本次實驗中特別要注意的難題。通過問題引導學生在實驗中探索，提高學生的專注力。例如“戴維寧定理驗證實驗”中，可以提問“用開路電壓、短路電流法測量等效電阻時，開路電壓、短路電流是否可以同時進行測量？”，然后引導學生通過實驗來判斷問題的答案。（2）教師簡短講解實驗注意事項后，由學生自主完成實驗，教師在旁邊有針對性的個別指導。（3）實驗過程中，教師還可以進一步提出問題，讓學生邊操作邊思考，從而加深學生對實驗電路的理解。例如測電壓時，提出問題“如果電壓表極性接反了，測量結果會怎么變化？”。（4）實驗結束后，對知識點進行總結，并對疑難問題和學生探討，加深學生對實驗理解的深度。

4.3 線上課后擴展

課后學生利用當次課掌握的知識，進一步完成擴展實驗，加強應用能力。例如在“基爾霍夫定律實驗”后，學習通平臺放出“電路故障分析實驗1”，要求學生通過測量判斷多盞串聯(lián)的小燈中的哪盞壞了，是短路故障還是開路故障。又如在“電阻的串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)實驗”后，學習通平臺配套安排“電路故障分析實驗2”，給出測量電路的正常電阻，然后要求學生實際測量，當測量電阻比正常電阻大或小時，要求學生判斷發(fā)生了何種故障。在以上實驗中，當學生用所學知識正確判斷后，能極大的獲得成就感，從而提高進一步提高他們對電路課程的熱愛。

最后，學生完成課后習題，并把實驗報告上傳學習通，同時在討論區(qū)回答教師提出的問題或自行發(fā)起討論。通過實驗報告的撰寫等來培養(yǎng)學生實驗操作能力、綜合分析問題和解決問題的能力，讓學生在專業(yè)技能上得到初步的訓練。

5 考核評價

電路實驗課程的成績包括學習通課前和課后綜合成績、實驗實操成績、實驗報告成績三部分。占比分別是40%、30%、30%。其中學習通成績由學習通自動統(tǒng)計功能確定，統(tǒng)計內容包括視頻和文檔的觀看情況、任務點的完成情況、預習測試結果、課后測試結果、討論區(qū)表現(xiàn)等。相比傳統(tǒng)的考核方式，混合式教學模式更注重過程性考核、多元化評價。

6 結論

充分利用現(xiàn)代信息技術，打造“線上線下、虛實互補、深度融合”的電路實驗課程，這是時代對電路實驗課程發(fā)展提出的要求。課程精心設計課前預習實驗、虛實結合實驗、課后擴展實驗，采用項目式、問題導向式的方法開展電路實驗教學。實踐證明，這種教學模式能有效提高學生的學習積極性，能夠通過豐富的虛實實驗幫助學生深入理解電路知識、提高課堂效率，實現(xiàn)學生自學能力和創(chuàng)新能力的雙提升。同時，利用線上平臺，可改變傳統(tǒng)實驗課程單一的考核方式，實現(xiàn)考核的過程性和多元化，為教學效果提供更準確的評估，幫助今后的實驗課程做優(yōu)化改善。

基金項目：2021年度廣西大學行健文理學院教育教學改革工程項目（Y2021JG12）。

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