基于虚拟仿真实验的混合式电工实验课程建设

孟超 夏桂书

(中国民用航空飞行学院 四川广汉 618307)

随着现代电子信息以及互联网技术的高速发展，学生的知识获取渠道已突破了传统书本的限制，并更加适应通过手机、电脑等媒介，以电子书、课件、视频等形式进行知识学习。在此环境下，故步自封的传统教学模式压力重重，先进知识的接触与演示受限，课堂管理与学习行为监管也难以有效落实。同时，在实验课程中，大部分实验项目都是围绕基础验证性实验来开展，着重于理论知识与基础实验操作的教学[1]，设计性实验项目开设较少或效果不佳，这与传统实验教学模式过度依赖硬件环境，课内教学时间受限等有关，知识熟悉程度与技能训练程度不高，创新设计能力必然难以保证。堵不如疏，启动在线实验课程建设，结合实验内容学习与实验技能训练两个方面，将部分线下课程内容转为线上，从填鸭式教学转为引导式学习，拓展学生知识获取范围，激发主动学习兴趣，直击传统教学痛点，利用先进的电子信息技术，加强对实验技能的训练，促进实践创新能力养成。

《电工实验》是为笔者学校工科类专业所开设的一门实验类基础课程，课程内容包括常用电工、电子仪器的使用，直流电路特性，交流电路特性，模拟电路特性和数字电路特性这几部分，包含数电、模电以及电工类型的实验项目，基础实验和综合性实验并重，旨在为培养该校本科学生相关的电类基本操作、工程设计、实验研究等领域的宽口径复合创新型精英人才奠定坚实的基础。

传统的实验教学主要包括基础知识讲解、设备讲解与操作演示、学生操作指导这3 个环节，课程内容多，知识覆盖面广，有限的授课时间内任课教师难以做到面面俱到，尤其是学生对理论知识的掌握和实验知识的理解程度存在着较大差异，导致部分学生仅仅按照教师的操作方式进行机械重复性实验[2]，对实验内容、实验设备、实验操作的了解不够，独立实验能力、实验分析能力、总结归纳能力的训练不足，创新设计等能力的培养更难以保证，这些都直接影响着课程教学效果与人才培养质量[3]。

“互联网+”时代的到来拓展了当代大学生的知识获取途径，与传统的课程学习的固定时间、地点的学习方式相对应，在线课程学习具有随时随地、可循环多次的特点，不仅能更充分地利用学生的零散时间，也能兼顾到后进学生。而要利用互联网技术开展课程改革，建设在线课程，更重要的是得区别于孤立的课程上网，课程的建设不能仅限于在线课堂，不是单纯地将线下的课程内容迁移到线上，而更应灵活应用移动技术、互联网技术、云计算与云存储等新技术，结合课程内容与课程定位，优化整合线上教学资源，动态更新、高效管理和应用，实现课程内容分区域、跨专业的全面共享，以实现课程教学资源充分覆盖，发挥优质在线课程的辐射作用[4]。落实在课程辅助课堂教学本身，在线课程与传统课程的主要区别在于：传统课程受到课堂时间、课堂地点与课程内容等客观情况的限制，课堂中难以讲太深、不能拓太宽，师生沟通的途径也并不通畅，而在线课程突破了上述限制，在实现正常课程教学的功能之外，能围绕课程定位、课程内容、知识点、应用情况等关键点拓展学生对课程本身的认知，能拓展与加强师生间的沟通，提供更深入了解课程、专业乃至学科的机会，深度改变传统课程学习的意义。

在慕课等在线课堂对传统理论课堂教学的影响日益增大的情况下，笔者认为，实践课程由其独特性，既联系理论又结合实际，在提高学生实践创新能力方面具有不可替代性，所以实验实践类课程的在线课程建设不能完全地照搬理论性课程的建设方式，而应该结合实际体现出实验实践类课程特色。虚拟仿真实验教学综合应用了虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库及网络通讯等技术，通过构建逼真的实验操作环境和实验对象，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展高校、安全且经济的实验，且达到现实环境中难以复现或真实实验难以具备的实验效果，尤其对于一些涉及一定操作危险的实验，虚拟仿真实验具有明显的优势，并对传统的实验教学思想、体系、模式、内容、方法及手段等产生意义深远的颠覆性影响[5]。

经过数年的发展，在电类基础实验方面，虚拟仿真技术已经实现数电、模电、电工类实验的大部分实验项目的搭建，能体现基础元件特性、线路工作及故障效果，能满足基本教学需求，在实际教学运用中，通过观察虚拟现象、模拟实验操作、解决虚拟问题等形式，能帮助学生直观认识和理解世界的客观运动，帮助学生掌握一定的实验知识与能力，帮助学生提高创造性和综合性动手能力，帮助学生培养学术素养和实践素养[4]，实现实验课程的一部分教学效果。尤其电类实验可能存在触电危险因素，虚拟仿真实验可预先加深学生对元件、线路以及基本故障等的熟悉度，对后续的课堂线下实验具有良好的补充作用。但是，虚拟仿真实验并不能替代传统线下实验环节，对学生实践创新能力的培养与提高，只有在丰富的实践环境中通过大量的操作训练才有可能实现，明确虚拟仿真实验教学定位，充分发挥虚拟仿真实验对线下实体实验教学效果的巩固、促进及弥补作用，进行一定程度“虚实互补、以虚促实”的教学建设，才是理想的实验类在线课程建设方向[6]。

该在线课程的建设以“建设省部级乃至国家级一流本科课程”为导向，密切结合教学实际，紧跟在线教学改革时代步伐，力求突破传统教学的约束，对学生知识获取渠道进行拓展，对传统知识学习方式进行革新。与此同时，以课程建设为契机，围绕课程目标，以建立丰富的课程资源为基础，竭力拓展课程知识结构与知识面，结合虚拟仿真技术，加强对学生基础实验能力的培养，优化线下课程教学结构，强化线上与线下教学的联系，构建课内外知识技能的桥梁，搭建师生间课外知识交流的平台，并适度开展课程教学改革，解决一些实际教学中的问题，为课程学习质量提高提供支撑。

提高实验课堂教学质量的难点在于提高课前知识掌握与实验操作熟悉程度，孤立的在线教学平台及泛在化的教学资源属于孤立的知识，在缺乏面对面的引导、辅导、总结和讨论环节时，学生容易处于“无人管理”状态。因此，无论是独立的传统实体课堂教学或孤立的在线教学都难以取得最佳的教学效果[7]。该文探索了集在线教学、课堂教学、互动答疑、课前考核于一体的线上线下混合式教学模式，将公共资源、课程资源放到限制性公开的资源平台上，为不同学生提供既有泛在化的又分层次的优质教学资源，学生自行安排时间进行自主学习，根据课程安排以课件学习、视频学习、师生互动答疑等方式完成对课程内容的学习，根据学习进度安排进行课前测验，测验通过可根据自身熟悉情况多次参与虚拟仿真实验，通过重复测验或虚拟实验深化预习效果，教师通过课前考核情况及资源学习进度可了解学生的学习状况。在电类基础实验中，由于实验过程存在发生学生触电事故的可能性，课前的安全教育与操作事项预习尤为必要。同时，在课前参与虚拟仿真实验，既能在避免用电伤害，又能实现反复多次的技能训练，改变了传统实验环境地点的限制，学生自由安排时间在线自主操作，促进了学生知识技能、创新能力及综合素质的提升，也能有效改善学生课前基础较差以及对实验熟悉不足的问题，为实验安全与教学质量提供更多一层保障。

图1为课程教学设计与实施过程。根据图1可知，针对不同学习需求将课程结构分为课内与课外两部分，其课内部分再根据课程进度二次划分为课前、课中以及课后3个阶段。

图1 在线课程结构设计

2.1 课内部分

（1）课前阶段以在线课程中的学习为主，将基础知识温习与实验内容预习等课程准备工作通过线上方式前移，不同课程分别对应不同学习任务与要求，学习资源有教学课件、教学视频以及相关规章要求三类，按学习进度节点插入适量的测试题，巩固学习过程效果。同时，积极开展师生线上互动答疑与问题探讨，进行查漏补缺。在完成基础课程学习任务后，通过预习测验题测试课前预习成果，达标后可参与虚拟仿真实验进行实验操作训练。教师可通过师生互动与课程后台数据即时掌握各学生的学习进度与参与情况，据此对学生的课前预习情况进行评测、归纳，归纳所得的共性与个性问题可以应用到后续的线下授课过程中，以进行针对性讲授、答疑，从而尽可能地确保学生的课前预习效果。

（2）在课内部分的课中阶段，该阶段以面对面课堂教学为主，在教学过程中充分利用实验课程良好的互动性、实操性以及创造性，使学生成为教学主体，进行线下实验教学与线上互动的混合式教学。该阶段的教学结构更加灵活，授课教师可基于前期线上预习评测结果，在满足教学要求的范围内，随时对课堂的教学设计和教学活动进行相应微调，合理利用课程内容预习前移所留下的课堂时间，灵活采用线上平台的多样化互动方式，以翻转课堂为主要教学手段，开展小组讨论学习、研究式学习、创新式学习，活跃课堂氛围，充分调动学生的学习积极性，发挥学生的创新性，倡导教师引导下的主动学习、相互学习。混合式的教学模式的优势与特点在该阶段得到体现，通过课前在线课程的学习，不仅提升了学生对课程内容与实验教学的熟悉度，也加深了教师对各学生基本情况的了解，空余出来的课堂时间也能有针对性地进行教学，关注学生的学习状态。新颖的学习形式、多种教学手段混合运用，不仅能有效激发学生的学习兴趣与创新意识，使学生成为课堂主体，在丰富的在线学习资源和踊跃的课堂讨论环境中，在不脱离教师、教材和“集体”的情况下充分发挥自主和探索能力[7]，同时也能引导教师主动学习、掌握信息化教学手段，促进教师水平、教学能力的提高，提高教师开展教学改革、教学研究的积极性。

（3）课内部分的课后阶段通过实验报告与线上资源学习的形式进行，引导学生进行课后总结与反思，真正达到核心知识内化、培养学生的实践操作能力与实验思维，停课不停学，指引学生利用线上资源持续、深入学习。

2.2 课外部分

在课外部分，课程内容公开化，以实验拓展、应用拓展、其他资源三类学习资源为主，引导学生了解设计性实验，多角度思考问题，激发学生创新思维；
引导学生应用实验知识处理解决问题，了解课程知识的实践应用；
将实验相关知识与实际生产生活领域相结合，拓展学生对实验内容的理解。课外部分的资源主要以帮助学生拓宽眼界、引导学生继续思考、加深对课程的理解、激发学生创新设计性思维为目标而构建。

安全准入是实验安全保障的第一环节，如图2 所示，在原有的安全管理制度基础上，将部分实验安全操作以及安全培训通过虚拟仿真或微课的形式呈现，学习通过后再进入实验室开展实验活动，尽可能提高学生课前对安全操作知识的熟悉程度，从而避免安全事故的发生[8]。

图2 在线课程考核流程

合格的课程学习必然是立足于有效的课程监督之下，相较于完全依赖人力的线下实验活动管控，在混合式课程中，通过线上平台不仅能获取学生学习、虚拟实验等活动的过程及最终数据，设计模型进行分析与科学评价，还能及时将分析与评价结果推送给学生，进行学习反馈，这些都是更有效的且单独的线下实验管控所难以实现的[9]。在课程监督的设计中，教师结合课程进度通过师生互动、线下翻转、学习数据、课后报告等途径可参与到课程学习的全过程，以进度监控、习题考核、教师督促的形式构建有监督的在线课程学习模式，从而保障在线课程教学效果的有效实施。

与传统课程和单纯的在线教学相比，结合在线准入学习与线下翻转课堂的混合式教学模式，深入教学的课前准备、课堂授课、课后反思、知识拓展等方面，着重线上与线下教学间的联系，课程结构不孤立、内容不单一，增加了课程的深度与可拓展性，可促进师生交流，更好地激发学生的学习兴趣。虚拟仿真教学模块的加入，既能进一步夯实学生理论基础，也为学生提供了更多熟悉实验操作的机会，有助于养成或提高学生的故障解决能力及实践创新能力。科技日新月异，当人工智能、三维计算机图形及触觉反馈等技术的融合应用得以量产，虚拟仿真实验设备将会迎来又一快速发展期，然而在设备购置经费受限的情况下，须以客观教学实际做好建设规划，既确保能有效服务于实体教学，也避免因过度建设、重复建设所导致的资源浪费。