地方院校電子信息類專業(yè)虛實融合實驗實訓教學模式的構建

何富運　朱紅艷　王勛

［摘 要］課題組針對地方院校電子信息類專業(yè)實驗實訓教學存在的問題，以應用型電子信息類人才培養(yǎng)為目標，將新一代信息技術、虛擬現(xiàn)實技術、人工智能技術引入電子信息學實驗實訓教學中，構建了“虛實融合、虛實互補”的實驗實訓課程體系，打造了智能化、信息化與工程教育高度融合的實驗實訓平臺，強化了電子信息類專業(yè)學生的創(chuàng)新思維和工程實踐能力訓練，以推進“學生為主、教師引導”的多元化電子信息學實驗實訓教學理念、教學模式、考核模式、評價模式的改革，為電子信息學智慧實驗實訓教學模式的構建及應用提供了可供參考的實踐途徑。

［關鍵詞］地方院校；電子信息；實驗實訓；虛實融合；學生為主

［中圖分類號］ G642 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）16-0023-04

為了應對經濟社會發(fā)展中不斷涌現(xiàn)的新產業(yè)、新業(yè)態(tài)和新技術所帶來的新一輪變革，國家開始大力探索和發(fā)展新工科[1]，特別是教育部在新工科的高等教育建設上不斷持續(xù)發(fā)力，積極探索以新思想引領新工科發(fā)展，發(fā)展新興工科專業(yè)[2]，目的在于不斷深化工程教育改革，把我國從工程教育大國建設成為工程教育強國。新工科建設所引發(fā)的工程教育模式改革、學科交叉融合、專業(yè)建設與升級、教學方法創(chuàng)新、產學研協(xié)同育人等已成為我國高等教育改革的焦點，為創(chuàng)新型、復合型、應用型工程人才培養(yǎng)帶來了重大變革[3]。

實驗實訓是培養(yǎng)電子信息類專業(yè)學生實踐技能、創(chuàng)新意識和科學思維的重要途徑[4]。受傳統(tǒng)實驗實訓教學條件和方式、優(yōu)質師資力量緊缺、辦學經費相對有限等多方面因素的影響，目前地方院校電子信息類專業(yè)的實驗實訓教學存在實驗時間不足、生均實驗儀器及設備配比低、學生動手能力不強等問題，從而導致部分地方院校電子信息類專業(yè)應用型人才的職業(yè)素養(yǎng)不高、創(chuàng)新思維欠缺、實踐能力不強。

《教育部2019年工作要點》明確提出實施教育信息化2.0行動計劃，推進信息技術與教育教學深度融合，系統(tǒng)推進國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作，強調在加強教育信息化硬件基礎建設的同時，加快信息技術在教育教學改革中的應用[5]。我國的教育信息化建設是從2008年開始的，經過十余年的建設，我國的教育信息化歷經了開放教學、虛擬仿真教學、移動教學等多維度發(fā)展。將虛實融合的教育理念、新一代信息技術、人工智能技術等引入電子信息類專業(yè)實驗實訓教學平臺建設，平臺的建成將為實踐教學活動的組織賦予更多的創(chuàng)造性，對實驗實訓教學更深入化的改革起到至關重要的作用。

目前，傳統(tǒng)的基于實體平臺的電子信息類專業(yè)實驗實訓教學模式存在著諸多問題，制約了應用型人才培養(yǎng)質量的提升。因此，以培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和工程素養(yǎng)的高級應用型人才為根本出發(fā)點，在目前電子信息類專業(yè)全體學生參加專業(yè)認知實習、生產實習、專業(yè)實習、畢業(yè)設計等各個工程實踐環(huán)節(jié)已經趨于飽和的情況下，非常有必要從虛擬仿真的角度補充新的教學資源、提供新的支撐?；诖耍n題組圍繞電子信息類專業(yè)人才培養(yǎng)所必備的綜合應用能力、工程實踐能力、創(chuàng)新能力，開展了“虛實融合、虛實互補”的實驗實訓教學模式的研究與應用。

一、電子信息類專業(yè)實驗實訓教學模式的改革目標

目前，在新工科背景下，國內外高校將信息技術應用于實驗實訓教學方面都取得了較好的進展，虛實融合的教學案例較多，應用也比較成熟，但是尚未形成有機的、系統(tǒng)的、結構清晰的虛實融合的實驗實訓教學模式[6]，同時在基于大數(shù)據技術的教學管理、反饋和評價等方面還需要進一步建設和完善。地方院校一般受限于對教學理念認知不夠、師資力量相對較弱、高端儀器設備投入不足等因素，在新信息技術應用于實驗實訓教學方面是相對滯后的[7]。

課題組聚焦地方院校融合現(xiàn)代信息技術于教育教學的迫切需求，以廣西師范大學電子信息類專業(yè)虛實融合的實驗實訓教學模式改革為例，探索在關聯(lián)主義學習理論、隨機通達教學理論、模擬教學法等教學理論和方法支撐下的實驗實訓教學理念創(chuàng)新，結合已有的電子信息實驗教學中心的實體教學平臺，建設基于可視化技術、虛擬現(xiàn)實技術、大數(shù)據技術、云計算技術的虛擬仿真實驗實訓教學平臺，以實現(xiàn)現(xiàn)代信息技術和實驗實訓教學深度融合的新教學模式。

虛實融合教學模式可加速地方院校理工科類專業(yè)的實驗實訓教學轉型；可大量減少實驗實訓教學儀器及設備改造、升級的成本；可突破時間和空間上的限制，提升教學的開放性和交互性；可虛擬化升級實驗實訓教學儀器及設備，提高教學質量[8]。電子信息類專業(yè)有代表性的實驗實訓虛擬仿真平臺的開發(fā)，充分和有效地發(fā)揮了虛擬現(xiàn)實技術的臨場性、構想性、沉浸性和交互性特征優(yōu)勢。虛擬仿真系統(tǒng)在教學過程中能創(chuàng)設“真實”教學環(huán)境，改善教學條件；突顯教師教學個性，提升學生思維品質；豐富學生認知方式，增強學習主體體驗；轉換師生角色，展示德性教育。

二、虛實融合實驗實訓教學的理論基礎分析

（一）基于建構主義學習理論

虛實融合實驗實訓教學提供給學生主動參與、實踐和探索的機會，使學生能夠通過親身經歷和實踐，自主建構知識和技能，從而提高學習效果和深度。

（二）基于情景學習理論

虛實融合實驗實訓教學通過模擬真實情境，使用虛擬現(xiàn)實技術和實物實驗設備，幫助學生身臨其境地體驗和解決真實問題，從而促進學生產生學習的沉浸感和應用能力的培養(yǎng)。

（三）基于深度學習理論

虛實融合實驗實訓教學通過創(chuàng)設情境、提供復雜的任務和問題，激勵學生思考和探索，培養(yǎng)學生的批判性思維、問題解決能力和跨學科的綜合思維。

（四）基于社會認知理論

虛實融合實驗實訓教學倡導學生之間的合作與團隊精神，通過合作實驗、團隊項目等活動，促進學生之間的互動與協(xié)作，培養(yǎng)學生的溝通能力和團隊合作精神。

三、虛實融合實驗實訓教學的基本屬性分析

（一）虛擬與現(xiàn)實融合

通過虛擬場景的模擬和真實設備的操作，學生在虛擬場景中進行實驗操作，能夠更好地感受到真實性和沉浸感。

（二）實踐與探索導向

學生通過實驗操作和探索，親身體驗和解決真實問題，積極參與學習過程，從而建構知識、掌握技能。

（三）情景化與情境化

學生可以在虛擬現(xiàn)實場景中進行實驗操作，面對各種情境化的問題和挑戰(zhàn)，在真實場景下提高適應能力和應用能力。

（四）合作與交流

學生可以在團隊中合作實驗、共同解決問題，從而促進彼此的學習和成長，提高溝通能力和團隊協(xié)作精神。

（五）強化學習與反饋

學生在實驗過程中可以獲得實時的數(shù)據和反饋、了解自己的表現(xiàn)和進步情況。教師也可以根據學生的表現(xiàn)和反饋，及時調整教學策略和指導學生的學習方向。

厘清虛實融合實驗實訓教學的基本屬性，便于有的放矢地對虛實融合實驗實訓教學進行研究分析，探索虛實融合實驗實訓教學的可行性措施。

四、虛實融合實驗實訓教學組織形式設計及教學平臺設計

（一）教學組織形式設計

1.前期虛擬學習：在實驗實訓之前，學生可以先熟悉相關的理論知識和操作流程。通過虛擬場景的模擬和電子教材的輔助，學生可以在虛擬環(huán)境中進行模擬實驗操作，掌握實驗步驟和操作技巧。

2.實際實驗操作：學生在經歷前期虛擬學習階段后，進入實際實驗操作階段。此時，因為學生上一階段已經在虛擬環(huán)境中掌握了一定的理論和操作知識，所以能夠更加有效地在真實的實驗室或實訓場所中使用實物實驗設備進行實驗操作和探索。

3.虛實融合模擬：在實際實驗操作過程中，學生同時可以通過虛擬現(xiàn)實技術進行模擬，感受真實性和沉浸感，同時獲得更多的學習資源和支持。

（二）教學平臺設計

以虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的微納電子器件與工藝實訓為研究案例，設計可與目前實體實驗實訓教學平臺互為融合、互為補充的虛擬仿真實驗平臺，具體分析所構建的虛擬仿真實驗平臺的教學目標、組織形式、教學過程設計等，并分析有關的實驗結論。

五、建設虛實融合、開放共享的實驗實訓平臺

緊密結合地方院校應用型人才培養(yǎng)的目標和要求，以完整的電子信息類專業(yè)實驗實訓教學內容為基礎，在目前已有的線下實體實驗實訓教學平臺的基礎上，分層次、分階段建設涵蓋實驗實訓教學各個環(huán)節(jié)的虛擬仿真教學平臺，著力推進現(xiàn)代信息技術與實驗實訓教學的深度融合，從而拓展相關教學內容的廣度和深度、延伸實驗實訓教學的時間和空間，借助“互聯(lián)網+”、人工智能、大數(shù)據、虛擬現(xiàn)實等技術實現(xiàn)實驗實訓平臺的開放共享。平臺建設的框架如圖1所示。

理工科的理論教學環(huán)節(jié)和實驗實訓教學環(huán)節(jié)是相輔相成的，共同承擔著培養(yǎng)學生綜合素質、實踐能力與創(chuàng)新精神的重要使命。各學科的理論知識只有通過實驗實訓教學環(huán)節(jié)的親身實踐，才能使學生的工程綜合素質、應用創(chuàng)新能力得到鍛煉與提升。課題組通過查閱相關文獻資料、實地調研，研究學習虛實融合相關教學理論及方法，吸收已有實踐教學成果，借鑒其他院校虛實融合實驗實訓教學模式的建設與運行經驗，結合地方院校應用型人才培養(yǎng)的目標和要求，在已有的線下實體實驗實訓平臺和資源的基礎上，整合現(xiàn)有教學資源，攻關關鍵技術進行虛擬仿真教學平臺建設，完成了相關教學內容設計和現(xiàn)有實體平臺的融合對接，指導學生在虛實融合的教學環(huán)境中學習實驗實訓類課程，并根據學習成效和反饋，論證教學過程設計的有效性。

六、構建虛實融合、服務學生的課程體系及教學方法

課題組將教學過程的互動和實踐始終貫穿于理論與實驗實訓教學的各個環(huán)節(jié)，優(yōu)化課程結構，增加實訓和技能培養(yǎng)的比重，合理安排實驗實訓環(huán)節(jié)的虛實比例，本著“虛實互補，能實不虛”的原則，將實驗實訓教學的線上虛擬仿真與線下實體教學相結合，形成了理論教學→線下實體→線上虛擬的循環(huán)式交互式教學模式，從而實現(xiàn)多元化的“虛實融合”，如圖2所示。

課題組以廣西高校重點創(chuàng)新平臺——太陽能光伏發(fā)電工程研究中心、 區(qū)級協(xié)同育人平臺——電子信息創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)育人平臺、電子信息實驗教學區(qū)級示范中心作為線下教學基礎，與實驗實訓教學虛擬仿真平臺相結合，形成入門級認知、基礎知識實驗、專業(yè)技能實訓、綜合能力創(chuàng)新的遞進式、層次化的教學體系，實現(xiàn)虛實融合的個性化、智能化、泛在化實驗實訓教學新模式，如圖3所示。

七、建立以能力評估為中心的教學評估體系

目前，實驗實訓教學評估體系多數(shù)從學生角度出發(fā)，以最終結果作為唯一參考標準，這樣的評估方式相對單一。隨著實驗實訓教學內容不斷向虛實融合、多元化、層次化發(fā)展，高校需要建立以能力評估為中心的教學評估體系，從學校、學院、教師和學生這四個維度，對評估內容、評估尺度、評估標準、評估方式等進行相應的改革。如加大過程評估的比重，使評估尺度更寬松、不同評估標準權重化，實現(xiàn)現(xiàn)場考核和觀察考核相結合，從學生創(chuàng)新意識、工程思維、實踐技能、成果質量等方面，全方位考查與評估學生的實踐能力、綜合應用及創(chuàng)新能力。

八、虛實融合電子信息類專業(yè)實驗實訓教學模式的實施方案

實施過程分為“基礎分析→教學設計→案例應用”三個階段，具體實施方案如圖4所示。

九、結語

通過打造智能化、信息化與工程教育高度融合的電子信息類專業(yè)一體化綜合實驗實訓平臺，使得一些原來無法開設的實驗實訓課程得以順利開展，同時將虛擬儀器設備與現(xiàn)有設備相結合，通過分階段融合的方式使學生的創(chuàng)新思維得到了培養(yǎng)，在工程實踐能力、專業(yè)綜合素質等方面也得到了明顯提高，有力提升了實驗實訓的成效。新一代信息技術、人工智能技術與電子信息學工程教育相融合，有利于優(yōu)化資源配置，推進電子信息學實驗實訓平臺的智能化管理；有利于理論基礎與工程實踐融通，不斷提升電子信息類專業(yè)學生解決工程實際問題的能力；有利于創(chuàng)建智能化的學習空間，推進電子信息類專業(yè)實驗實訓教學模式的“學生為主、教師引導”多元化改革，以培養(yǎng)高素質復合應用型電子信息類專業(yè)人才為目標，從而不斷提高學生的創(chuàng)新思維和工程實踐能力。

［ 參 考 文 獻 ］

[1］ 閻躍觀， 劉吉波， 郭俊廷，等. 新工科背景下工科類高校協(xié)同育人與實踐基地共建模式[J]. 測繪通報， 2021（11）：155-160.

[2］ 李春江， 馬曉君， 王欣欣. 地方高校新工科建設的路徑與方法探索[J]. 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理論研究與實踐， 2021，4（4）：139-141.

[3] 趙彥玲， 劉廣起， 韓冰. 新工科背景下專業(yè)課程建設與實施探究[J]. 教育教學論壇， 2023（4）：145-148.

[4] 黃中華， 孫秀云， 李健生，等. 依托實驗教學與實踐教育中心培養(yǎng)學生工程技術能力[J]. 大學教育， 2018（8）：142-144.

[5］ 王珠珠. 教育信息化2.0：核心要義與實施建議[J]. 中國遠程教育， 2018（7）：5-8.

[6］ 哈聰穎， 張玉璽， 王俊，等. 電子信息類實驗教學對學生關聯(lián)力培養(yǎng)的研究[J]. 高等工程教育研究， 2020（6）：182-187.

[7] 李大雙， 彭建盛， 何奇文，等. 地方本科高校工科專業(yè)創(chuàng)新能力培養(yǎng)探索與思考[J]. 河池學院學報，2020，40（1）：75-80.

[8］ 莊榕霞， 楊俊鋒， 黃榮懷. 5G時代教育面臨的新機遇新挑戰(zhàn)[J]. 中國電化教育， 2020（12）：1-8.

［責任編輯：鐘 嵐］