基于虛擬仿真實驗教學平臺，開展參與式教學
——以“電路制作實訓”課程為例

張琥石 陳 妮 梁 妮 林偉龍 覃茂昌 何婷婷

廣西醫科大學生物醫學工程系 廣西南寧 530021

1 研究背景

“電路制作實訓”為生物醫學工程專業于2013年開設至今的一門實訓課程，授課對象為大一上學期的新生。此門課程為實訓課，36課時全部為實驗課，教師每節課布置一個實訓項目，學生用8個學時的時間親自動手完成。旨在使學生通過完成實訓項目，掌握電路焊接的基本技巧以及常用電路元器件的識別方法，這些技能可以稱得上生工專業的“看家本領”，因此，學生對該門課程知識的掌握程度不僅會直接影響后續課程的學習，還會對學生今后的就業和工作產生重要影響。

然而在實際教學中，卻存在以下幾點問題：

(1)傳統教授方式不能滿足課程實際需求。現階段“電路制作實訓”課程的授課方式仍以傳統的教師授課為主，結合板書與PPT。而實訓課有大量操作內容，傳統的授課方式不能很好地重現這些操作步驟，學生理解困難

(2)實驗所用元件細小，學生難于觀察，老師難于展示。實訓課用到的各類電子元件大部分體積都很小，當面對一個50名學生的自然班時，老師用傳統的教學方法很難將微小元件的結構展示給全部同學，而學生很難清晰地進行觀察與學習。

(3)學生基礎薄弱，理解困難。授課對象是大一新生，這些新生剛剛步入大學校門，還不適應大學的生活和學習，對于實訓課這種全新教學模式感到不適應。

(4)學生難以開展預習。實訓課全部課時都為實訓課，需要在實驗室展開實操，而實驗室只在上課時才開放，學生離開實驗室就很難開展預習活動。以上這些問題直接影響了本門課程的教學效果與學生對于知識點的理解。

隨著“互聯網+”時代的到來，“虛擬仿真實驗”走進我們的視野，虛擬仿真實驗是指利用計算機系統，依托計算機軟件和硬件，通過多種虛擬仿真技術模擬真實的實驗環境，讓操作者能夠在虛擬的環境中以接近真實的感受完成預定的實驗項目[1]，它是虛擬仿真技術應用到實驗教學的重要表現。虛擬仿真實驗具有成本低廉、可集成多種多媒體技術、表現能力強、能激發學生學習的興趣[2]的優勢，同時學生不在實驗室也可以進行實驗課的操作練習，極大地拓展了課程的深度與廣度，是線下實驗的有力補充[3]。

基于虛擬仿真實驗的特點與優勢，我們可以將虛擬仿真實驗平臺運用于“電路制作實訓”課程的日常教學中，讓學生即使不在實驗室也可以開展學習，也可以利用碎片時間進行自主學習，激發學生的學習興趣，解決目前教學中出現的問題。

2 平臺介紹

我們使用Flash語言編寫虛擬仿真實驗教學平臺，運用2D動畫來展示實驗過程，采用B/S架構，具有跨平臺部署能力，學生無論是用電腦、平板,還是手機，只要打開瀏覽器就可登錄本平臺，進而開展線上學習。

我們篩選“電路制作實訓”課程中適用于開展虛擬仿真教學的知識點，設置四個虛擬仿真項目，分別是電子門鈴、電源的使用、信號發生器的使用和示波器的使用。虛擬仿真項目涵蓋以下四個知識點：焊接的基本原理、常用元器件的識別、焊接技巧、常用元器件的工作原理。通過完成虛擬仿真實驗，學生可以將碎片化的電子信息知識連接起來，構建相對完善的電子理論體系。

在虛擬仿真實驗項目的設置上，我們每個儀器都設置了一個小場景，比如示波器，我們虛擬一個用示波器測正弦波的小實驗，學生通過點擊鼠標代替手指調整示波器的按鍵，隨著調整，顯示屏上的波形也會隨之變化，最終得到一個清晰完整的波形，完成這個虛擬實驗。通過這個實驗了解示波器的工作原理、各按鍵的作用，以及操作的注意事項。

電路焊接是電子類專業學生的一項基本功，其原理是通過電烙鐵融化焊錫。學生根據電路圖，將電路板上相應的元器件用焊錫連接起來，焊接時一手拿電烙鐵，一手拿焊錫，將焊錫融化到焊盤上。

以電子門鈴實驗為例，介紹本虛擬仿真教學平臺。此實驗包括了元件識別與使用、原理介紹和虛擬實驗平臺三大模塊，集課程講授與模擬實驗操作于一身。

圖1 虛擬仿真實驗平臺設計示意圖

此次虛擬仿真實驗的流程圖如圖2所示。

圖2 電子門鈴虛擬仿真實驗的流程

在理論知識教學模塊，學生先學習此次實驗所用原件的工作原理，在該模塊中，我們將此次實驗所涉及的理論知識用微課、動畫等多媒體形式生動地展示給學生，力求做到生動活潑，言簡意賅，激發學生的學習興趣，引導學生完成理論知識的學習。

在元件識別與使用模塊，學習所用原件的識別方法與管腳功能，然后系統以選擇題的形式給出多個選項，學生根據所學的知識從選項中選擇正確的原件放入電路中。

進入虛擬實驗模塊，學生根據所學的知識從選項中選擇正確的原件放入電路板中。此時與鞏固模塊交聯，然后系統以選擇題的形式給出多個選項，學生根據所學的知識從選項中選擇正確的原件。

正確放置完元件后，進入下一個仿真項目。線下實驗需要學生使用電烙鐵和焊錫進行焊接。在本系統中學生可以用鼠標模擬電烙鐵，在平臺上對元器件進行焊接，焊接完成后系統會自動檢測電路焊接是否正確。在遇到操作要點時，再次與鞏固模塊交聯，系統會提出一些問題來檢查學生對知識點的掌握程度。在系統的引導下，學生完成虛擬仿真實驗操作，從而熟悉了實驗的操作步驟以及知識點，為實際實驗操作打好了基礎。

最后，學生利用線上交流功能進行交流，向老師詢問問題，幫助其他學生更快更好地掌握知識

圖3 理論教學微課

圖4 元件放置界面

圖5 元件識別模塊界面

圖6 元虛擬焊接模塊界面

3 教學模式設計

引入虛擬仿真實驗教學，開展參與式教學。虛擬仿真教學平臺終究只是手段，目的是要把它運用到實際教學中，提升教學水平。本項目擬將依托虛擬仿真教學平臺，開展參與式教學。具體實施方法如圖7所示。

圖7 教學模式設計示意圖

在橫向上，依托虛擬仿真實驗教學平臺，將一節實驗課分為“課前模塊”“課中模塊”和“課后模塊”三個模塊。在縱向上，將傳統的課堂教學與虛擬仿真實驗教學平臺相結合，開展參與式教學。

“課前模塊”：把學生分為2～3人一組，引導學生利用虛擬仿真實驗平臺進行仿真實驗操作與預習，通過虛擬實驗了解此次實驗的內容和知識點，同時激發學生的思考，利用碎片時間閱讀參考資料，如有不明白的地方，可進行小組討論或將疑問帶入課堂。讓學生提前對這節課要學的知識點進行思考，做到帶著問題進入課堂。

“課中模塊”：在參與式教學中，教師主要起引導作用，在上課前，先隨機抽取兩個組做PPT匯報，介紹自己的課前預習的心得與疑問，隨后組織學生展開交流與討論，強調實驗重點。根據討論的情況，找出學生在自學過程中遇到的問題，再有針對性地展開課程的講授，使學生有針對性地進行實驗操作，提升教學效果。

經過課前的獨立學習及課中的反復學習鞏固應用，學生會對電路制作實訓的內容有一個整體性了解和掌握。學生“主動學習”為主，“被動接受”為輔；教師“引導教學”為主，“包攬教學”為輔，培養學生的主觀能動性，提升學生習熱情，為實際實驗操作打下堅實基礎。課后教學評價對教師的教學活動開展發揮著重要的導向作用，是促進課堂教學模式改革、提高課堂教學有效性的重要手段。

在課后，利用“課后模塊”，布置課后作業進行復習，并提供學習素材幫助學生進行拓展學習。利用在線學習平臺對學生的作業進行評分，并評估學生的學習情況。

通過這種教學，打破傳統的“課上—課下”教學模式時間和空間上的限制，構筑“課前—課中—課后”三位一體的教學模式，做到課上課下相結合，線上線下相結合，虛擬和現實相結合，改變傳統的以老師主講的教學方式，充分利用線上資源實現多種教學方式相結合。

4 實施效果

選取“電子門鈴”這節課開展教學實驗，以20級生物醫學工程專業的學生作為對照組，采用傳統的教學方式進行教學。選取21級生物醫學工程專業的學生作為觀察組，組織他們使用虛擬仿真實驗平臺，依托此移動教學平臺開展參與式教學。通過調查問卷以及課后作業成績對比，比較兩種教學方式的教學效果。

調查問卷主要包含“對本次課的教學方式滿意程度”“對本節課知識的掌握程度”以及對“本次課的課堂氛圍滿意程度”，選項5分為最滿意，1分為最不滿意，以下為調查結果。

圖8 教學滿意度問卷調查結果

圖9 課堂氣氛滿意度問卷調查結果

圖10 本節課知識點掌握程度問卷調查結果

從上面的統計可以看出，觀察組在三個調查中給出4分以上的人數比例增多，而2分以下的人數明顯減少。因此我們可以得出結論，通過引入虛擬仿真在線教學平臺，開展參與式教學，能夠活躍課堂氣氛，激發學生學習興趣，使學生能更好地參與課堂活動，顯著提升學生課堂滿意度。

課堂教學完成后，給對照組和觀察組的學生布置了同樣的作業，通過對比作業的分數來比較兩種教學方法下學生對知識的掌握程度。

兩組學生作業平均分比較表

從上表中可以看出，觀察組的學生成績比對照組的學生高出了6.8分。因此我們可以認為，通過開展參與式教學，學生能夠更好地吸收和理解所教授的知識點，起到了提升課堂教學效果的作用。

結語

虛擬仿真實驗教學平臺提供了豐富的教學素材展示方式，對線下實驗課是有力的補充。依托該平臺，開展參與式教學，打破傳統教學時間與空間上的限制，將課前預習、課堂學習、課后復習三個學習階段整合成一個整體，構筑“課前—課中—課后”三位一體的教學模式，拓展了學習的深度與廣度。經過實踐后發現，較之傳統的教學方法，該教學模式能顯著提高學生的參與度與課堂滿意度，提升教學效果，能夠解決目前在“電路制作實訓”課程教學中出現的實際問題，是一套行之可效的教學方法。