基于三學期教學改革的多模式虛擬仿真實驗平臺的構建

張姍姍 信海輝 譚克俊 呂銳武

摘要：三學期的教學改革鍛煉提升了學生的自學能力和學習效率，實驗教學在改革中得到重視，在教學中加大了實驗課時。虛擬仿真實驗教學平臺的構建，作為傳統模式實驗教學的補充，輔助實現了學生課外的直觀形象的預習、操作，節省了課時內的操作時間，有效地提高了教學質量和儀器的使用效率。虛擬仿真平臺和“雨課堂”的結合，跟實際操作實驗教學相輔相成，豐富了教學內容，滿足了創新型人才的培養需求。

關鍵詞：三學期;虛擬仿真;實驗教學;多模式

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2020）11-0391-02

2018年9月，教育部《關于狠抓新時代全國高等學校本科教育工作會議精神落實的通知》要求各高校全面梳理各門課程的教學內容，淘汰“水課”、打造“金課”。慕課、開放課等構成金課體系;線下金課、線上金課、線上線下混合式金課、虛擬仿真金課、社會實踐金課構成五大金課類型。可見，金課體系是建立在教育信息化的基礎上的，而實驗課的高水平金課離不開虛擬仿真實驗平臺的建設。

“中國制造2025”是我國政府實施強國戰略的第一個十年行動綱領。電子技術是工業制造2025不可或缺的基礎課程，是學生邁向電子世界的一道門檻。我們在實驗教學中，設計、制作仿真實訓軟件;在教學科研中，設計、創造新的虛實結合實驗裝備，實現用現代信息技術改造傳統實驗模式。

一、三學期教改中實驗教學現狀

為了促使教學內容得到精簡，尋求更適合的教學模式，并鍛煉提升學生的自學能力和學習效率，我院進行了三學期制的教學改革。在改革中，增加實驗課的課時，集中實踐類課程的上課時間，以便提高資源的利用率。

傳統的實驗教學模式，學生只能根據電路原理圖和文字進行預習，無法想象實際的實驗操作。進入實驗室后，大量的時間用于對儀器的熟悉對實驗線路的連接，整個實驗過程就是機械性的積木堆疊的過程。由于操作不熟練造成的過流過壓等現象，使儀器設備損壞率較高。實驗結束后，對實驗的現象分析等也都是憑借回憶想象來完成的。這讓實驗教學很難達到對理論知識進一步鞏固理解的目的。

三學期教學改革后實驗學時的集中，同一時段上課的學生人數驟增，實驗臺套數設備的短暫緊缺，損壞的儀器無法及時維修，這大大降低了教學質量。學生走馬觀花式地完成實驗，無法系統了解各實驗的原理。傳統實驗教學模式存在的問題日益突出。

虛擬仿真實驗平臺，可以讓學生隨時隨地學習了解實驗內容，能夠更加直觀地視覺化立體化地掌握所學知識。利用虛擬仿真實驗平臺預習鞏固與真實操作相結合，多模式融合進行教學，開創教改新方向。

二、虛擬仿真實驗平臺的構建

電工電子國家級示范實驗中心網站，始建于2011年。網站承載著實驗教學視頻的查閱、授課信息的發布、課程設置的公布以及新聞動態的發布等功能。同時，網站設置登錄窗口，與實驗室管理系統相連接，方便學生實驗課程的查閱與開放實驗室的管理。

虛擬仿真實驗平臺作為傳統實驗教學的輔助手段，依托實驗中心的網站，主要從以下幾個方面進行構建。

1.儀器的使用說明。虛擬仿真項目中，仿真界面和常用的儀器設備真實的面板一樣。通過三維立體的展示與操作，讓學生熟悉設備使用中的前后順序，以及各種現象結果。同時，設置考核點，對使用操作進行驗證，操作失誤后出現危險警示畫面，達到熟悉儀器設備的目的。減少因對設備的不熟悉造成的時間浪費，降低不正當操作引起的失誤，從而提高儀器設備的安全使用率。

針對不同的儀器設備，設立單獨的虛擬三維立體仿真項目。每個儀器可通過二維碼標識等與虛擬仿真實驗平臺相連接，學生在課前預習時可通過中心網站進行學習，進入實驗室后，可通過掃碼得到小視頻，聯系實際操作，更深入熟悉儀器的使用。

2.實驗項目的虛擬仿真。通過虛擬仿真，將實驗課程中所用的實驗箱面板進行復現，針對每一個實驗內容，先進行視頻微課講解，然后，學生可在虛擬仿真平臺中自己連線搭建電路，連線正確后測出該線路下的實驗結果，連線錯誤給予提示敦促改正。最后，學生進入實驗室進行實際操作，基于之前的仿真練習節省了課堂時間，使實際操作的效率大大提高，驗證基本功能后，學生可以根據自己對功能模塊的理解，進行探索性設計性實驗，深入理解所學內容。

3.實踐實習的虛擬仿真。虛擬仿真實驗平臺，可以提供三維立體化的視覺與操作。將電子工藝實習，電子線路課程設計等課程的內容，通過虛擬仿真的方式展示出來，讓學生更加直觀立體地了解我要做什么，我該怎么做，做的過程中注意什么，操作失誤后會出現什么樣的危險，遇到危險后應該怎樣處理等。將實驗過程中的安全隱患以及可能對儀器設備進行的損壞提前指出。

4.虛擬仿真實驗平臺的硬件需求。電工電子實驗中心的網站有自己專屬的服務器，能保證一個行政班的學生同時在線學習。隨著各仿真實驗項目的完善，學生對虛擬仿真實驗平臺的日常化使用頻率提高，同時在線的學生人數會有所增加。當服務器接近滿負荷時，會提前給出預警提示，我們可以再增加服務器，對后臺進行擴容，保證虛擬仿真平臺的順利使用。

虛擬仿真實驗平臺的建立，可以達到無疲勞指導，用人工智能技術解放實驗指導教師;無紙化辦公，物聯網大數據實現電子實驗報告，公平公正;無時空限制，互聯網讓實驗無處不在無時不在;無障礙實驗，三維可視化虛擬現實技術讓實驗不再陌生。

三、多模式融合的實驗教學

虛擬仿真實驗平臺的使用，可以有效提高現場實驗操作的效率。學生對實驗內容的掌握也可以借助“雨課堂”來進行考核。通過“雨課堂”，教師將線上與線下、虛擬與現實的學習方式有效整合，巧妙地安排課堂內的教學活動，合理地將一些考核等教學活動安排在課堂外，使得教學設計更加開放機動。學生的學習自主性被極大激發，有助于打造“以學生為中心”的課堂，實現價值塑造、能力培養、知識傳授“三位一體”的教育。課前預習+仿真練習+實時課堂+課后考卷全程教學活動的數據采集，幫助教師教學從經驗主義向數據主義轉換，以全周期、全程的量化數據輔助教師判斷分析學生學習情況，以便調整教學進度和教學節奏，做到教學過程可視可控。虛擬仿真實驗平臺與“雨課堂”的組合使用，作為實際現場實驗授課的輔助與補充手段，靈活的授課方式，讓師生教學融合更緊密，教學相長。

四、總結

三學期的教學改革，給學生帶來了更多自主學習的機會，教學內容為順應其發展應及時調整。實驗是檢驗學習的必經途徑，真正的動手能力與技能必須在現實情境中獲得，把虛擬仿真實驗作為傳統實驗教學的完善與補充，更大限度地擴展了實驗教學的時間和空間。虛擬仿真實驗教學平臺，將計算機技術、網絡技術和虛擬仿真等技術有機融合為一體，在三學期的教學改革中添磚助力，為實驗教學提供了實驗教學環境、實驗設備和信息資源等各項虛擬仿真服務。我們要結合先進的多媒體技術，將多種方式相結合，把電工電子實驗中心網站體系建成具有學科特色的教學與管理一體化的虛擬仿真實驗教學平臺。

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[4]學堂在線推出智慧教學工具——雨課堂.[2016-06-28].