“虛實結合”實驗教學改革探索

內容摘要：隨著虛擬實驗技術的日趨成熟，虛擬實驗室在電氣、核科學、化學等高危或高成本學科為高校學生提供了更多動手實踐的機會。但虛擬實驗室在真實的視覺、觸覺等感官方面依然無法獲得共鳴，且虛擬實驗不能展現真實實驗中不可測的復雜性。通過“虛實結合”，改變實驗教師傳統定位，從實驗內容設置、實驗教學模式等方面進行改革，能充分發揮虛擬實驗室和傳統實驗室的優勢，對提高學生主體能動性和創新能力有很好的效果。

關鍵詞：虛擬實驗室 虛實結合 創新實踐能力 主體能動性

隨著信息化時代和學習型社會的到來，培養具有創新意識和實踐能力的人才成為高等教育發展的重要目標。但通信、電力、核科學、化學等涉及高危、高成本的學科，依靠高校實驗室不具備或難以完成教學功能，學生動手實踐機會少，成為制約高等教育創新人才培養的瓶頸。隨著虛擬現實技術、多媒體、數據庫和網絡通訊等技術的迅速發展，虛擬實驗技術日趨成熟。國家教育部力推國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作，許多高校開始建設并使用虛擬實驗室進行實驗教學。虛擬實驗室既可節省資源又可突破傳統實驗室在時間、空間上的限制，使學生隨時隨地開展實驗。但虛擬實驗室并不能完全替代傳統實驗室。如何“虛實結合”，有效提高學生的創新實踐能力是高校實驗教學工作者正在深入探索的課題。

1.傳統實驗室教學模式分析

一般情況下，教師提前為學生編寫或指定了實驗指導書，寫明了實驗內容、實驗步驟、實驗測試數據等。實驗課上，教師先講述實驗原理、實驗儀器設備操作注意事項、實驗步驟、需要注意的問題，然后學生按步驟在實驗設備上進行實際操作，記錄實驗數據，最后在實驗報告進行數據分析。

傳統實驗室教學的優勢：學生可以實際操作儀器、儀表，辨識元器件；教師的講解能引導學生按步驟完成實驗。但其存在的缺陷也是明顯的：實驗原理、步驟都有教師引導，對于“為什么要設置這個實驗項目？實驗步驟為什么這樣設置？為什么要選用這些測試或實驗儀器？為什么選用這些測試數據？”，學生缺少獨立思考的時間。所以，當實際工作中遇到問題時，學生并不知道該如何設計測試方案，也不能很好的選用儀器設備。

現在我們來思考這個問題：“為什么教師提前設置好了項目、步驟、選好了儀器設備、測試數據呢？”最根本的原因是實驗室設備、耗材、安全等因素的影響，現有的實驗室資源不能完全滿足學生自主設計實驗的需要，加上課時的限制也無法為學生提供足夠的探索時間。

2.虛擬仿真實驗室分析

虛擬仿真實驗室提供了虛擬的實驗設備、測試儀器，虛擬儀器突破了傳統實驗設備臺套數的限制，這個優勢在大型貴重設備中尤其明顯，普通高校投入大型設備臺套數較少，一般還需要專業的操作人員操作，使用時要預約，有的還需收費。虛擬實驗室為大型貴重設備的共享提供了廣闊的空間。

通常情況下，高校實驗室都不能做到24小時開放，除用于實驗教學的時間外，開放時間較少，且開放時無專業教師指導，虛擬實驗室利用校園網絡和計算機提供的虛擬儀器，可以為學生提供仿真的實驗室學習環境，學生可以隨時通過虛擬實驗室使用虛擬儀器和設備，并調試自己設計的實驗方案。

雖然學生能在虛擬實驗室操作虛擬儀器，但在真實的視覺、觸覺等感官共鳴方面依然無法獲得共鳴，且虛擬實驗無法模擬真實實驗中不可測的復雜性。

從以上分析可以看到，兩種實驗室在提高實驗效率、學生實踐能力等方面存在很大的互補性。有效的“虛實結合，優勢互補”有利于節約實驗教學資源，激發學生興趣和積極性，最終提高學生主體能動性和創新實踐能力。

3.“虛實結合，優勢互補”實驗教學模式探索

（1）“虛實結合”，改變實驗教師傳統定位，提高學生主體能動性。

一般意義上，高校的實驗課程、實驗項目的設置均由實驗教師主導，學生并不清楚為什么要進行該項目的實驗？在虛擬實驗室環境下，儀器設備、實驗時間都不再受限制，因此，實驗內容的設置可以由學生根據學習情況提出。教師將由傳統的主導者轉換為指導、答疑、評價者。教師對學生提出的實驗方案進行評價，指導學生對實驗方案進行完善，對學生實驗過程遇到的問題進行答疑，指導學生在虛擬實驗室進行實驗方案的試運行，對實驗方案在真實實驗平臺的運行安全性進行評價等，讓學生成為整個實驗過程的主導者。學生對為什么進行該實驗？實驗步驟，實驗設備選用等能力將大為提高。改變后的實驗過程如下圖所示。

（2）“虛實結合”，融實際工程于實驗項目，提高學生創新實踐能力

傳統的實驗教學中，實驗項目設置往往無法結合實際使用，學生在做完實驗后，遇到實際工程項目不知道該如何應用所學知識。融實際工程與實驗項目主要在以下幾方面著手：分割實際工程項目，結合課程內容，引導學生走進工程實際；注重實驗測試，使用實際工程數據，加強實驗結果分析；工業化儀器設備的使用過程、實際工程的測試過程可以利用虛擬實驗室進行仿真。

4.結束語

教育部著力推進虛擬實驗室建設，但虛擬仿真實驗涉及的學科門類還不夠豐富，虛擬實驗教學資源相對缺乏。利用現有虛擬實驗室資源，改善實驗教學環境，擴大實驗教學承載能力，改進實驗教學模式為學生提供更多實驗資源和機會，有利于培養鍛煉學生創新精神和實踐能力。

參考文獻

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（作者介紹：王宇英，桂林電子科技大學電子工程與自動化學院高級實驗師）