电类基础课程实验教学“虚实结合”模式的构建

杨 建 良

(湖南第一师范学院，湖南 长沙 410205)

0 引 言

电类基础课程实验对于学生系统地掌握学科知识，培养学生实践动手能力、创新能力和科学素质等方面具有不可替代的作用。然而受传统实验教学思想和教学模式的影响，加之实验场地、设备的限制，电类基础课程实验教学在创新型、实用型人才培养方面其作用仍发挥不够。虚拟实验室等现代教学媒体的出现，给电类基础课程实验教学改革带来了新的契机。更新教育观念，将现代科技融入传统实验教学，用技术增强学习，已成为大多数人的共识。

1 传统电类基础课程实验教学模式及其不足

电类基础课程实验教学是电子、信息、机械等专业理论教学的补充和延续，是沟通电类基础课程理论与实践的桥梁[1]。电类基础课程实验一般包括电路原理实验、电工电子实验及电类其它相关基础课程实验等。相对于电类基础课程理论教学而言，电类基础课程实验教学更具有直观性、实践性、科研性、综合性与创新性等特点，决定了它在培养学生实践动手能力和综合素质方面有其独特作用。

然而，受行为主义及其教学理论的影响，传统电类基础课程实验大多以验证性实验为主，这类实验只重视学生的外显行为，很少关注学生学习的内在规律，把学生当作一个“黑箱”。实验时，教师先布置实验任务，再进行实验讲解和实验演示，最后让学生仿照着做；而学生则在老师或实验指导书的指导下机械式地接线、操作和使用仪器设备，读取实验数据，记录实验波形，完成实验。传统电类基础课程实验教学模式如图1所示。

图1 传统电类基础课程实验教学模式

这种实验教学模式的好处是有利于学生对知识的记忆及对相关结论的认可，也有利于教师对整个实验过程的掌控，但由于其过分地强调实验过程的“统一性”和实验内容的“验证性”，使实验教学内容完全依附于理论教学[2]。造成各门课程的实验之间互相割裂、相对独立，不利于综合性、设计性和创新性实验的开展。此外，在这种教学模式指导下，学生的学习行为完全由教师决定，整个实验过程就如同一个机械过程，导致学生的学习主动性被忽视、甚至被压抑，其结果是使学生的思维被局限于相应的理论课程，不利于学生独立思维能力的培养和综合素质的提高。

针对传统电类基础课程实验教学模式的种种弊端，国内学者提出了一些改革观点认为，在教学方法上，要结合实验教学目标及要求，转变教学思想，形成以学生为中心，以能力培养为目标的实验教学模式。并提出要课上与课下实验相结合，变实验辅导解答为实验引导启发，变面向实验结果为面向实验过程，变单一化实验教学模式为多元化实验教学模式[3]。在实验新技术的开发与运用上，龙雪梅认为，利用多媒体技术可以把实验教学中的一些传统方法，改变为教师指导下进行探索性学习的过程，并提出实验教学设计要以建构主义为指导[4]，要把“情景”、“协作”、“会话”和“意义建构”作为学习环境建设的四大要素在实验教学中予以考虑。以上观点对于电类基础课程实验教学虽具有一定指导意义，但同时对于实验场地、设备及实验室开放运营时间等方面提出了新要求，而现代教育技术中出现的虚拟实验恰好能满足上述新要求。

2 虚拟实验对于传统电类基础课程实验教学的提升作用

所谓虚拟实验，是指按照实验教学的目标要求，建立虚拟的工程实验环境，运用各种虚拟仪器和设备,对建立起来的实验模型进行实时仿真，构成新型的实验教学的方法[5]。

跟传统电类实验相比，电类基础课程虚拟实验有以下优点：

(1) 降低了仪器设备的经费投入。学习者利用虚拟实验系统，在一台联网的计算机上即可顺利地实现如示波器、扫频仪、电压表等仪器设备的功能，可大大节约实验费用。

(2) 减少了实验损耗，增加了实验的安全性。传统电类实验对耗材的需求量大，对仪器设备的使用要求高，且需要通电才能实验，因此实验室运维成本高，且存在一定的安全隐患。虚拟仪器基于软件的体系结构，可以减少仪器设备损耗，确保实验安全。

(3) 便于开放式管理，实现远程教学。通过网络虚拟实验系统，学生学习和实验不再局限于有形的教室或实验室,可以随时随地自主学习,提高学习效率。

由于虚拟实验有以上优点，因此它能从以下方面提升电类基础课程实验教学：

(1) 转变教师教学观念。使教师由原来知识的权威者转变为学生学习活动的设计者和指导者、学习伙伴和教育研究者，学生由被动的知识受体转变为知识的主宰、学习的主体[6]。

(2) 拓宽了实验教学内容。虚拟实验可以超越传统的实物实验，使微观实验、危险性实验、高成本实验和超越时空的实验都成为可能，且这些实验可进行无限制、多样式的重复操作，无污染、无浪费。

(3) 改变了学生的学习方式。通过虚拟实验系统，教师可以提供大量的“三性实验”供学生选择，学生也可以不受传统实验室开放时间的限制，按照自己的学习进度、能力大小和兴趣爱好选择实验课题，积极主动地进行个别化、自主式实验，还可以与其他同学开展多人合作实验，通过“合作”与“协商”，共同攻克实验难题。这不仅提高了学生的自主学习意识、创新意识，还培养了学生的团队合作精神。

虚拟实验虽具有以上优点，但也存在其自身的不足。主要表现在：①虚拟实验仅仅是通过计算机模拟由真实实验所获得的已知规律，易导致学生产生不踏实的虚拟感；②虚拟实验的理想化会使真实实验中可能出现的随机性故障、误差及其它异常情况等被掩盖，减少了学生应对突发性事件、排除故障和通过实验数据处理及误差分析环节反思或寻找可用经验与过失的机会[7]；③缺乏真实实验环境的熏陶，教师的言传身教和潜移默化作用受到影响。因此，虚拟实验还需要真实实验作补充。

3 “虚实结合”——促进电类基础课程实验教学改革的突破口

电类基础课程实验应把改革的重心放在学生独立思维能力、创新能力和综合素质的提高上。要尊重学生的主体地位，逐步实现由“教师中心”向“学生中心”的转变，充分培养学生的学习积极性、主动性和创造性。虚拟实验与真实实验的结合，能为电类基础课程实验教学改革的这一要求提供突破口：

(1) 通过“虚实结合”，把学生对真实仪器设备的操作与利用计算机软件对实验过程的模拟结合起来，能促使学生真实与虚拟经验相互融合，在“虚”与“实” 的经验交互中，实现新旧知识的同化，完成意义建构。

(2) 通过“虚实结合”，把传统实验中的教学内容、实验设备、教师指导、学生操作等与学校的虚拟实验平台、精品课程网站等融为一体，达到优化实验教学资源和实验教学过程的作用。在虚拟实验平台上，学生可以按照自己的要求开展自主学习和研究性学习。打破传统的“教师讲授—学生模仿—强化记忆—测试讲评”的教学模式，使之变为“问题—实验—观察—收集数据、分析数据—会话、协商—得出结论—证明—再证明—练习—回顾总结”的新模式[8]。学生自己动手操作，亲身体验和探索知识的发现过程，其独立思维能力、实践能力及科学研究能力都能得到充分的加强。

(3) 通过“虚实结合”，建立电类基础课程实验教学保障体系，实现学生综合素质的培养。众所周知，电子科学技术的发展日新月异，电类产品层出不穷。相对落后的传统实验仪器设备满足不了现代电类学科知识内容的更新和发展。借助虚拟实验，把现代科技引入传统实验教学之中，实现传统实验情境下无法开展的实验，而把在虚拟情境下无法开展的实验又通过真实实验来补充。这种“虚”与“实”的结合，有利于实验教学保障体系的建立和创新、实用型人才的培养。

(4) 通过“虚实结合”，实现教学手段和教学模式的多元化。如在实验前，教师可以安排学生先做一些虚拟实验来熟悉和了解仪器设备的结构原理、实验步骤和操作要领，再将这些知识与技能应用到真实实验中，可大大提高真实实验的效率，减少实验时的盲目性；而对于难度大、操作步骤多的实验，在实验后，教师可以再安排学生做一些虚拟实验来温习实验步骤、理解实验原理和消化实验内容。此外，借助虚拟实验平台，教师还可以给学生布置一些综合性、设计性实验，鼓励学生开展多人协作虚拟实验等来激发学生的主动参与意识，培养学生的团队合作精神。

总之，通过“虚实结合”，将传统实验教学要素与虚拟实验有机融合，可以打破传统实验中教师中心地位，帮助学校建立实验教学保障体系，实现实验教学手段和教学模式的多元化。

4 电类基础课程实验教学“虚实结合”模式的构建

4.1 “虚实结合”模式构建

经过多年的电类基础课程实践教学，我们总结了“虚实结合”的电类基础课程实验教学新模式如图2所示。

图2 “虚实结合”的电类基础课程实验教学模式

该模式以建构主义为指导，以学生为中心，以学生能力培养为目标，通过网络在虚拟实验与真实实验之间架起一座彼此联系的桥梁，使学生实验由单一模式变为多元化模式，由课内延升至课外，虚中有实、实中有虚、虚实结合，优势互补[9]。该模式中，学生是实验的主体。实验时，学生可以根据实验大纲中实验所规定的目标要求开展实验。既可以把在真实实验中碰到的问题通过虚拟实验来解决，也可以利用在虚拟实验中获得的经验、方法去解决在真实实验中碰到的问题。可以自由地“穿梭”于真实与虚拟实验之间开展各种学习活动。通过“虚”“实”交替，建构起自己对于知识的理解，完成意义建构。教师在实验中起主导作用，主要负责实验设计、实验大纲和实验指导书的编写，制定“虚实结合”的考评方案，并对学生的实验过程进行组织、辅导、答疑、监控和评价等。网络作为实验平台的载体，将实验资源在时间上、内容上向学生全面开放，并为师生实验合作、交流互动和成果共享提供良好平台。

4.2 “虚实结合”模式运用中需注意的问题

(1) 加强“虚”“实”两个环境建设。①要重视实验室硬件环境建设。由于虚拟实验以真实实验为基础，仪器设备的外形结构、操作误差、实验线路故障及相关数据的处理等只有在真实实验中才能被学生体验和感知，因此，不能简单地用虚拟实验代替真实实验，必要的硬件投入是搞好实验教学的前提。②确保虚拟实验环境的“真实性”。根据迁移理论，虚拟情境与真实情境越是相似，就越有利于学习者提取关键而有价值的线索进行知识的迁移[10]。因此，在虚拟实验的设计中应更多地融入“实”的成分。如营造三维的、逼真的学习环境，真实的问题情景，使学生能以最接近自然的方式与虚拟环境中的对象发生交互，获得类似真实环境的体验和感受，促进知识的迁移和认知发展[11]。

(2) 重视实验教学设计。开展“虚实结合”的电类基础课程实验教学，其关键环节是进行实验的教学优化设计[12]。教学设计是进行实验教学的蓝图，在教学设计中要充分考虑实验的目的、内容、学生已有的知识水平和两个实验环境的特点，尽可能提供更大的实验空间，充分调动学生的积极性、主动性，发挥学生的主体作用和教师的主导作用。

(3) 正确处理好“双主”关系。①要强化学生的主体地位，充分发挥学生的认知主体作用，多给学生思考、实践和发展的空间，②不能忽视教师的主导作用。由于“虚实结合”模式将学生的实践活动已由课内延升至课外，因此，教师的指导已不再局限于有形的课堂，同时要注意跟踪学生在虚拟实验平台上的学习情况，通过网上交流工具，及时解答学生的疑难问题，并给予学生及时有效的信息反馈与学习指导[13]。

(4) 构建完善的实验教学支持系统。实验教学支持系统是开展“虚实结合”实验教学的必备条件，必须予以高度重视。作为学科教学平台的一个子系统，实验教学支持系统必须建构在校园网之上，并与学校的教务管理系统直接相连，且做到：①为学生提供实验必需的虚拟场景、虚拟仪器和设备、实验演示的3D动画、立体化的实验教学资源；②对学生的交流讨论、实验过程的记录和修改、实验报告提交等学习环节提供技术支持；③为学生提供辅导、答疑、信息反馈和实验评价等信息[14]。

(5) 建立和谐的人文环境。情感交流是一个复杂多变的过程，不仅受时间、地点、人物、环境和经历的影响，而且有表情、言语、动作或身体的接触[15]。在“虚实结合”模式下开展实验时，学生仍然要面对虚拟的网络世界，必然导致其情感的缺失，产生心理上的焦虑和孤独，降低学习的兴趣和效率。为缓解以上不良影响，可采用以下办法：①在人机界面设计上，通过计算机进行情感感知和情感表达，建立友好的人机情感交互[16]；②在师生之间、生生之间建立交流互动平台，让每个学生都得到老师的关怀和同学的帮助，从而激发创造的欲望，提高自信心。

(6) 制定“虚实结合”的实验教学质量评价标准。“虚实结合”的实验考核主要用于检验学生在“虚”、“实”两种环境中解决问题的能力，因此考核评价应包括虚、实两个部分内容[17]。教师可根据实验项目的不同分别设置相应的、有效的量规及其权重，并把学生各次实验的行为表现、实验完成情况和实验结果作为考核内容纳入其中，使实验和评价成为一个有机的整体。

5 结 语

相对理论教学而言，电类基础课程实验更具有直观性、实践性、综合性、探索性和启发性等特点，在培养学生实践动手能力、创新能力和科学素质等方面具有不可替代的作用。将虚拟实验引入电类基础课程实验教学，构建“虚实结合”的电类基础课程实验教学模式，有助于电类基础课程实验教学保障体系的建立和学生创新精神、实践能力的培养，最终实现高等院校创新型、实用型专业技术人才的培养目标。

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