中職電子專業混合型仿真實驗教學的實踐與探究

黃凌

摘? ?要：以建構主義、翻轉課堂為教育教學理論依據，結合Flash仿真技術和云平臺應用的信息化教學構建出線上、線下虛實結合的混合型仿真教學模式。同時按照高素質技能人才培養要求，結合中職生的特點，以信息技術為依托，以實驗教學內容重難點為指向，建設仿真實驗教學項目。本文以中職電子專業《電冰箱原理與維修》課程中的電冰箱“電子溫控電路”為例，就仿真實驗概念及優缺點、混合型仿真教學模式、混合型仿真實驗教學流程、仿真技術和云平臺的應用四個方面展開探究混合型仿真實驗教學。

關鍵詞：仿真實驗;混合型教學;Flash技術;虛實結合;線上線下

1? 引言

隨著教育改革的逐步深化，中職的實驗教學取得了一定的發展，但受到傳統教育觀念的影響，使得實驗教學依舊存在缺陷，實驗教學無法有實質性的突破。其中實驗室使用時間短，實驗室設備器材不足，維護時間長， 實驗教材無法突破學生對抽象概念和復雜原理的理解等原因， 極大地影響了學生學習積極性。這是當前實驗教學面臨的主要矛盾， 也是教育改革中一個迫切需要解決的問題。

2017年開始教育部大力開展仿真實驗項目建設，全面推進信息技術與實驗教學的融合。近年來，隨著信息技術的不斷發展，虛擬仿真技術引入到實驗教學中，中職校的實驗教學改革有了一定程度的推進。學生可利用虛擬儀器、虛擬實驗環境完成仿真實驗，營造出自主學習的環境;同時仿真實驗在預習和復習環節對提高實驗教學效率發揮著重要作用。隨著網絡技術的發展，將仿真實驗融合云平臺，建構混合型教學模式，成為中職實驗教學發展的新方向。

但是，專業仿真實驗開發難度大且價格昂貴， 非教師開發的仿真實驗大多不適合教學需求，難以在中職校普及。筆者通過對仿真開發軟件的對比，Flash軟件制作仿真教學資源教師較易掌握，因此筆者選擇Flash軟件作為教師開發仿真教學資源的工具，并結合混合型信息化教學理念構建出中職校電子專業實驗仿真教學模型，對實現“互聯網+仿真+實驗”的教學發展要求向前邁進了一步。本文以中職電子專業《電冰箱原理與維修》課程中的電冰箱“電子溫控電路”為例，就仿真實驗概念及優缺點、混合型仿真教學模式、混合型仿真實驗教學流程、仿真技術和云平臺的應用四個方面展開探究。

2? 仿真實驗概念及優缺點

2.1? 仿真實驗概念

仿真實驗是利用計算機技術，以實驗對象、實驗工具、實驗儀表圖形建模，通過操控虛擬儀表、工具進行仿真實驗，觀測仿真實驗結果，分析數據和探究原理的新型實驗手段。因此仿真實驗流程首先是教師利用仿真軟件建立仿真實驗情境，然后學生再利用軟件資源進行仿真實驗、觀察現象和數據分析，與此同時有機地融合實驗微課指導和教師指導，形成仿真實驗教學體系。仿真實驗資源盡可能做到“交互式”“游戲化”，構建生動多彩的虛擬操作環境，使抽象的電路原理變得形象直觀，有趣味性，能互動，學生在樂學的情緒下進行實驗學習，更適合中職生的心理特點。再進而提升實驗能力，培養分析能力，幫助學生構建概念或理解原理，提升實驗教學質量，達成教與學的統一，最終超越實物實驗的學習效果。仿真實驗是推動中職專業信息化教學提升的有效技術手段。

2.2? 仿真實驗的優缺點

實驗成本低、危險性低、參數變化響應時間短、操作步驟可軟件引導，可重復操作，可突破時空限制，可營造趣味性學習環境，可實現能力進階的激勵功能，可實現自動考核和學業評估報表，所以仿真技術是一種有效的實驗學習工具。其缺點為：仿真實驗中無實物的儀器儀表、工具與實驗對象，仿真技術無實物觸感或實際情境的體驗，所以與實際操作有一定差距，實驗結果趨理想化，所以其不能完全代替實物實驗。

3? 混合型實驗仿真教學模式

3.1? 教育理論依據

混合型仿真實驗教學模式基于“建構主義”“翻轉課堂”教育教學理論，融合“理實一體”“項目化教學”“交互式實驗”“混合型學習環境下信息化教學”等教學方法和理念，優化教學流程，建構可行易推廣的實驗教學模式。建構主義認為，學習不是教師把知識簡單地傳遞給學生，而是由學生自己建構知識的過程，學生不是被動地接受信息，而是主動建構知識的意義[ 1 ]。這也是混合型仿真實驗教學的重要理論依據。學生在仿真的環境下，在教師引導、微課引導、問題引導等多種引導措施輔助下，在有趣可互動的情境中，與同學合作討論探究，而且學生反復互動學習，最后通過總結和線上、線下的測試練習與反饋，對新知的多層次、多角度認知，建構自己的理解，更易于學生長期牢固地掌握知識，建構穩定的概念或知識體系，并培養學生的知識遷移能力。

3.2? 混合型教學模式

所謂混合型教學，就是通過不同的媒體進行混合，借助于不同的通道，在不同的教學環境中，以實現對知識進行有效教學的混合[ 2 ]。混合型仿真實驗教學模式以學生為中心，自主學習為導向，強化信息化資源使用，培養合作學習和討論探究的習慣，提升信息分析能力。授課前，教師將仿真教學資源發送到學生的數字終端或植入云平臺上，學生可在電腦、平板上操控仿真軟件以及遠程仿真實驗，可在線上、線下混合型學習環境下學習和實驗。混合型仿真實驗教學包含有線上信息化教學與線下傳統教學相結合，虛擬仿真教學與實物實驗教學相結合，教師使用電子白板與學生使用電腦或平板相結合，實現多種信息化元素相混合的翻轉課堂。學生充分利用仿真軟件、微課、網絡云平臺，主動學習和多方位的探究實驗，構建混合型仿真實驗的新教學模式。混合型教學改變了教師的角色，改變了學生的認知途徑。同時混合型教學需要教師充分掌握教學重難點，找到強化重點和解決難點知識的有效途徑，恰當選擇仿真實驗項目來達成教學目標。

4? “電子溫控電路”混合型仿真實驗教學流程

4.1? 實驗仿真需求和教學流程

電冰箱“電子溫控電路”（見圖1）是由電源電路、溫度控制電路、化霜電路、執行器電路構成，其中電路又含有橋式整流濾波穩壓電路、溫度傳感器、比較器、RS觸發器、三極管控制繼電器等多個知識點。每個知識點均不易講解，學生通過聽講不易理解。而知識點通過實驗探究方法獲得感性認知，再從感性認知中分析推導出道理，學生就更易理解和吸收。常規實驗必須在教師授課時間內到實驗室完成，未能及時完成實驗的學生，就會受到時間、空間的限制，再受實驗設備或儀表故障等影響，實驗效率和學習質量都會下降。于是采用“實驗仿真軟件”加上“實驗引導微課”，學生的學習就不受時空限制和故障設備儀表的影響，就能實現課前、課中、課后三個階段的學習，提升了實驗效率和學習質量。所以有必要制作該內容的仿真資源。

建構混合型仿真實驗學習環境是通過仿真軟件創設有利于學生建構知識的情境，實現人機互動、生生互動、師生互動的合作探究式教學。教師課前將仿真實驗的教學資源通過QQ等通信軟件發送給學生或發布網絡云平臺中。仿真實驗教學可通過“課前預演、課中探究、課后鞏固”這三個步驟完成混合型學習環境下的信息化學習。

4.2? 課前實驗預演

仿真實驗資源在課前預演對課堂教學順利開展有重要的作用。教師將實驗仿真軟件與仿真實驗引導微課傳給學生或上傳到云平臺，讓學生利用平板、電腦在家里觀看引導微課，在微課的指引下嘗試實驗仿真軟件的操作，初步了解實驗流程、實物實驗的知識和現象，對實驗有了初步的認知。而學生在課前預演中發現問題，可通過通信軟件或“云平臺”課前活動反饋給教師，為教師對確定教學難點和設定課堂探究活動方案提供依據，延伸實驗教學時間和空間。

4.3? 課中實驗探究

課中探究是教學的核心環節。實驗室按組配備定量的平板或電腦，以及實驗裝置和儀表設備。課中探究過程分成兩個階段，第一階段為仿真實驗探究，第二階段為實物實驗探究。

（1）第一階段——仿真實驗。教師依據收集的反饋信息結合教學目標，設計好探究性問題，引導學生用仿真軟件協作學習、分組討論探究。學生控制仿真軟件的控件，仿真軟件會直觀動態地展示電冰箱“電子溫控電路”控制進程中的傳感器對應的分阻電壓，比較器和RS觸發器輸入、輸出端電壓，三極管基極、集電極端電壓對繼電器的控制，最后通過指示燈亮暗展現電路對冰箱壓縮機和各類加熱器被控狀態。學生通過分析仿真電路電參數的變化規律，找到其工作基本思路。若學生未能達成實驗目標，可反復演練、觀察、組內討論。期間，教師要密切巡視學生仿真實驗的狀況，依據各組出現狀況及時引導。學生完成每個實驗項目，要回答云平臺上發布的實驗對應問題和頭腦風暴。各組學生通過討論探究，協作解決問題。教師組織學生將仿真實驗報告及小組實驗過程照片進行展示分享。教師依據學生共性問題統一答疑解惑，而個性問題進行個別解析。最后教師對各組進行仿真實驗的表現作出激勵性的評價。該階段的目標是學生掌握實驗流程，并通過分析仿真實驗數據，理解電路工作原理。

（2）第二階段——實物實驗。雖然仿真實驗可提高實驗成功率，節約實驗成本，但仿真技術無實物觸感或實際情境的體驗。另外，實驗實物其檢測數據不如仿真實驗理想，實驗會出現異常數據或故障，但這卻能培養學生的分析能力和解決故障的能力。教師只做引導，讓學生多實驗、多思考、多討論，問題盡可能讓學生自己來解決，培養學生解決復雜問題的綜合能力、高級思維和深度分析能力，提升實驗的高階性，這是仿真實驗不能替代的。經過實物實驗后，讓學生展示實驗過程視頻，與仿真實驗進行比對，匯報實驗結果的不同點和新收獲。最后教師再次對各組評價。本階段堅持“能實不虛、以虛助實、虛實結合”的原則，拓展實驗教學深度和廣度，提升教學質量。

4.4? 課后實驗鞏固

課后，教師在云平臺發布針對實驗的測試題庫，以該電路各知識點為導向，以考促學，讓學生進一步復習仿真實驗過程，鞏固課堂所學知識點。利用仿真軟件將不可見、枯燥、復雜的電子技術可視化、生動化、游戲化、簡單化。降低了學習門檻，大大提高了學生學習興趣和成就感。同時線上、線下實驗相結合的混合型教學模式下，可反復觀看微課，多次仿真演練，進而鞏固了實驗教學中知識和技能。據教學調查報告顯示，采用仿真實驗教學比微課或其他類型學習資料輔助實驗教學有更好的成效。

5? “電子溫控電路”仿真技術和云平臺的應用

5.1? Flash仿真軟件推廣的可行性分析

仿真開發技術有3D仿真、VR、AR技術、Flash、WebGL、OpenGL等。不同于其他仿真技術，Flash仿真技術是以計算機為載體的輔助教學軟件。Flash技術在動畫制作上較其他仿真技術有較大優勢和獨到之處， 教師可以不經過專業訓練，通過使用Flash的腳本設計功能控制動畫對象，創建導航和交互元素[ 3 ]，制作出針對教學需求的仿真實驗資源，簡單易學， 容易上手。Flash技術開發出來的仿真實驗系統成本低廉、易普及推廣，給實驗教學帶來了極大的便利，符合提升教師信息化教學能力需求。

5.2? Flash仿真軟件須符合中職教學需求

采用Flash開發仿真實驗項目，要根據教學需求，能輔助實物實驗，彌補實物實驗教學的不足。仿真實驗軟件不只是演示功能，使用中除了導航按鈕外，仿真實驗操作應具有交互性。利用Flash技術可實現虛擬仿真交互實驗，可將任意文本或圖形制成按鈕，對按鈕賦以動作（如播放、返回等）可實現對仿真實驗流程的操縱控制[ 4 ]，還可以實現對仿真實驗中的虛擬儀表進行拖動，實現人機交互。仿真實驗的操作界面應該盡可能接近實物實驗，通過Flash 技術運用交互式動畫效果模擬出實驗狀態，學生可以操控并讀取數據或觀察現象。Flash技術具有強大的圖形處理可視化能力，矢量動畫以及流技術傳輸使得仿真實驗環境具有高度的真實感和可操作性，學生在計算機上進行操作時， 如同置身真實環境。電子溫控電路仿真實驗的電參數變化規律和指示燈變化與實物實驗一致，但仿真實驗又有不同之處，可增加實驗輔助功能，降低實驗難度;有趣味性設計、激勵性評價等環節，能激發中職生的仿真實驗興趣;配有實驗拓展性問題，發展中職生的思維能力。

5.3? “電子溫控電路”仿真實驗項目

“電子溫控電路”仿真實驗項目（見圖2）是依據知識難點來選定的。電冰箱電子溫控電路知識難點有：RS觸發器、運算放大器比較電路、溫度傳感器、電源電路、電位器模擬溫度傳感電路、三極管控制繼電器等原理;電子溫控化霜過程檢測、電子溫控制冷過程檢測、化霜加熱皿電路接線等實訓操作。仿真實驗資源原理部分用仿真軟件展示電參數變化的過程及分析;實驗部分是用學生可操控虛擬萬用表檢測數據和觀察現象變化，通過對數據和現象分析探索電子溫控的工作原理。仿真軟件能把復雜的原理和操作講解直觀化、形象化、趣味化，更易學生學習和理解。

5.4? 云平臺發送微課資源和開展線上活動

混合型教學模式除了需要仿真軟件的信息化技術支持之外，還需要用CS錄屏軟件錄制仿真軟件的引導微課，微課的作用是指導學生如何使用仿真資源，講解知識點和實驗步驟。教師講微課發送到云平臺上讓學生隨時反復觀看。另外教師還要在云平臺上發布課前、課后的問卷、討論、測試、小組任務、作業等線上活動來輔助教學，為教師提供課前、課后學生學習情況的反饋信息，并作出相應的評價，用線上評價激發學生的學習欲，提升學生成就感。

6? 結束語

電子技術是《電冰箱原理與維修》課程中一個抽象、不易理解的專業知識，同時要求學生具備有一定實踐操作能力和分析能力。在專業課的學習中，應根據實際內容需要，重視實驗情境開發和應用，選用合適的教學輔助軟件，有效利用內容、表現形式可游戲化，形象直觀化，色彩可豐富，充分發揮其在教學中提升學生學習積極性的功能。仿真實驗因其響應速度快，無故障儀表和損壞設備裝置的影響，學生可對仿真軟件順暢地進行多次操作演練，很好地輔助實驗教學;同時仿真項目制定是針對實驗重點和難點，凸顯其教學導向優勢，有利于促進學生對概念掌握和原理的理解。如果仿真實驗融入互聯網中，學生可以實現遠程仿真實驗，仿真實驗不受地域、時間、設備的限制，方便課前預習，為提高實驗教學效率起到積極的作用。

混合型課程教學模式，使教師主導和學生主體有機整合，仿真實驗、線上微課資源及線上學習活動、線上評價全面開展。通過信息化教學技術與現代教學模式有機整合，傳統實驗教學與仿真互動教學相結合，學生自主學習、合作學習與教師導學相結合，讓學生學會合作學習、學會使用仿真軟件、學會使用線上、線下教學資源、學會討論和分析信息，切實增強教學的針對性和實效性，拓展了信息化教學的功能，真正提高混合型仿真實驗教學的吸引力。讓更多教師投入到仿真教學的研究和開發上，豐富中職專業教學的信息化資源庫;讓更多教師應用混合型實驗教學模式，提升中職專業教學整體質量。

圍繞立德樹人和高素質技能人才培養的要求，依據中職生的特點，以信息技術為依托，以實驗教學內容重難點為指向，針對性地建設仿真實驗教學項目，采取線上、線下相結合的混合型實驗教學，可較大地提高學生實踐能力，激發學習興趣，達成良好教學效果。在計算機和網絡技術高速發展的今天， 可以共享仿真實驗教學項目體系，仿真實驗教學會更加普及到每個需要的教學情境中，將會為中職教育教學質量全面提高發揮著巨大的作用。

參考文獻：

[1]祝玉亮，張磊. 基于Flash的高中物理仿真實驗的設計與實現[D]. 濟南：山東師范大學， 2011：240.

[2]劉曉宇，明霞. “混合型”教學模式在國內外高等化學教育教學中應用對比或研究[J]. 課程教育研究， 2013（20）：240.

[3]趙靜雅，徐江紅，高震宇. 基于Flash AS技術的仿真實驗開發[J]. 電腦知識與技術， 2018（13） ：200-201.

[4]李和香，皮燦軍. 基于Flash技術的虛擬仿真教學的應用與研究[J]. 信息與電腦：理論版， 2010 （10） ：179-180.