开放式虚实结合实验教学探索与实践

盛苏英

(南通大学 电气工程学院，江苏 南通 226019)

开放式虚实结合实验教学探索与实践

盛苏英

(南通大学 电气工程学院，江苏 南通 226019)

开放式虚实结合实验教学研究为实践创新人才的培养提供了一个契机，有利于推动实验教学的深化与改革。南通大学电工电子实验中心结合开放式实验、虚拟实验教学的特点以及中心实际情况，优化实验教学资源、改进实验教学模式、构建开放式实验教学管理平台、开展虚实结合实验教学、建立“多元化”的实验评价体系，保障虚实结合实验教学的有效开展，并已取得初步成效。

开放式实验；虚拟实验；真实实验；教学改革；实验评价

实验教学是教学活动中的重要环节，对于理工科更是至关重要，而且在培养大学生的实践动手能力、开拓创新能力和提升大学生综合素质等方面起着举足轻重的作用[1_2]。随着计算机技术和网络技术的迅速发展，以及科学研究进一步深入的需要，虚拟实验技术日渐成熟和完善，正逐步从理论研究走向实际教学应用[3]。如何将虚拟实验更好地运用于实际教学，进一步加强开放式实验教学改革，达到“事半功倍”的实验教学效果，是广大实验教学工作者认真思考、深入探索实践的问题。

南通大学电工电子实验中心，一贯坚持“以基本能力训练为基础，以综合素质培养为核心，以创新教育为主线”的指导思想[4]，利用日益发展的信息技术，结合电气电子类实验课程的实际，致力于虚实结合实验教学的实践探索：将虚拟实验和真实实验进行有效整合，构建适合本中心课程实际的实验教学体系，形成“虚实结合、优势互补”的启发式、探究式实验教学模式;搭建开放式实验教学管理平台，实时更新实验教学内容，循序渐进地开展虚实结合实验教学，进一步推进学生自主学习、合作学习、研究创新性学习;建立“多元化”的实验评价体系，实现对学生客观、全面、开放和科学的实验教学评价，以此保障开放式虚实结合实验教学的正常、有效进行。经过一系列虚实结合实验教学改革与实践，现已初见成效。

1 虚实结合实验教学目标

开放式虚实结合实验教学的探索实践旨在改善实验教学环境、扩大实验教学承载能力、改进实验教学模式，为学生提供良好的虚实结合实验教学环境和教学资源，以培养和锻炼学生创新精神、实践能力、探索新知识和解决未知的素质，培养学生自主学习、学会学习的良好习惯，并为每名大学生个性的健康发展提供有利条件。

目前，虚拟实验教学存在如下问题：

(1)缺乏虚拟实验教学的系统性研究，现有资料关于虚拟实验室设计开发的案例比比皆是[5_6]，但对于应用虚拟实验系统进行教学的研究较少，很少涉及虚拟实验的教学设计和教学模式的研究[7]，也未曾尝试关于虚拟实验评价和过程监管方面的探讨;

(2)现有虚拟实验系统进行教学(即虚拟实验教学)时，往往“顾此失彼”，夸大虚拟实验的作用，而忘却或回避了真实实验在理工科类实验教学中不可替代的地位，无法实现真实实验和虚拟实验的完美结合、优势互补;

(3)现有虚拟实验系统涉及的学科门类还不够丰富，虚拟实验资源相对缺乏，虚拟实验资源建设没有形成较为合理的发展模式和发展方向，虚拟实验室的开发也缺乏虚拟实验系统的通用模型。

针对上述问题，虚实结合实验教学的探索实践具体实现如下目标：

(1)在改进实验教学模式方面，改变传统实验教学方法与手段，兼顾虚拟实验和真实实验的优势，以形成“虚实结合、优势互补”的启发式、探究式实验教学模式，倡导学生热爱思考、主动参与、乐于探索、勤于动手、勇于创新，培养学生发现、分析、解决问题的科学素质以及交流协作的能力;

(2)在开展虚实结合实验教学方面，实时更新实验教学内容、优化实验教学资源、营造虚实结合实验环境，引导并鼓励学生真正作为主体参与虚实结合实验的全过程，体现“以学生为主体，以教师为主导”，激发学生的实验兴趣和创新火花;

(3)在完善实验考核方面，构建比较客观、全面、开放、科学的实验教学评价体系，采取灵活多样的评价方式，以推进实验教学模式的转变、促进虚实结合实验的开展、保障虚实结合实验教学的胜利成果。

2 虚实结合实验教学的探索实践

开放式虚实结合实验教学研究为实践创新人才的培养提供了一个契机，有利于推动实验教学的深化与改革。我们结合开放式实验、虚拟实验教学的特点以及我们实验中心的实际情况，以更好地培养学生工程实践能力和创新能力为主线，优化实验教学资源、改进实验教学模式、构建开放式实验教学管理平台、开展虚实结合实验教学、建立“多元化”的实验评价体系，保障虚实结合实验教学的有效开展。

2.1 “虚实结合、优势互补”实验教学模式

南通大学电工电子实验中心在“以学生为本、以能力培养为核心，树立融知识、能力、素质协调发展”的实验教学理念指导下，结合本中心实验课程的特点，发挥真实实验和虚拟实验的各自优势，对传统的实验教学体系进行梳理、整合，构建以培养学生工程实践能力和创新能力为核心的“1+3”新型实验教学体系，即1个集成化的实验群，加上基础型、综合设计型及研究创新型3个层次的实验群。

在实验教学过程中，循序渐进地转变教学观念，改变教学方法与手段。强调学生是主体、教师则处于主导地位，发挥学生的主观能动性，鼓励“与众不同、别出心裁”，建立较完善的启发式、探究式实验教学模式;结合电气电子类真实实验的特点以及虚拟实验自身的功能优势，合理整合真实实验和虚拟实验，形成“虚实结合、优势互补”的启发式、探究式实验教学模式，如图1所示。

2.2 开展开放式虚实结合实验教学

2.2.1 搭建开放式实验教学管理平台，营造虚拟实验教学环境

为了更好地服务于实验教学，实验中心利用先进的多媒体技术、计算机编程技术，结合现有的开放式实验教学管理经验，构建一套开放式实验教学管理平台。平台主要分为实验教学、实验辅助、实验管理三大模块，其中：(1)实验教学模块提供较丰富的实验教学资源，支持学生进行仿真虚拟实验及真实实验;(2)实验辅助模块使学生从实验预约到实验报告提交，再到讨论交流，对网络实验提供了全方位的信息交互;(3)实验管理模块实现对实验过程、实验考核和实验室的管理。平台提供相对完整的网络实验支持系统，对学生的交流讨论、实验过程的记录和修改、实验报告提交等真实实验和虚拟实验的学习环节给予支持，对实验背景知识、交流讨论、作业等环节也予以考虑。基于实验平台，学生可参与整个实验过程的始终，可根据实验需求，自由选择、扩充实验设备组件。鼓励学生“百花齐放”的设计方案，支持不同的设计思路完成某一实验。通过更改实验设备的属性，获得用户需要的实验结果。

2.2.2 实时更新实验教学内容，优化虚实结合实验教学资源

依据“1+3”新型实验教学体系，我们对基础型、综合设计型及研究创新型等实验内容进行仔细研究、深入探讨、精心准备，形成一批符合学生实验认知规律、适合学生能力发展的实验教学资源：(1)针对电子电气类基础课程，配有较丰富的课程电子文档资料，提供虚拟设计前沿性感知实验;(2)对于综合设计型实验，实验中心尝试每期发布“个性化开放实验项目指南”，吸引各学院各专业学生踊跃参与，在开放式虚实结合实验平台上实现他们的个性化设计，有利于学科知识的相互渗透和取长补短;(3)提炼一批具有“创新性、实践性、可行性和发展性”特点的研究创新型实验，以体现实验内容的灵活性与选择性、课题目标的广泛性与探索性、实验过程的科学性与严谨性、实验研究的延续性与发展性，以此不仅丰富完善了实验教学体系，而且优化了实验教学资源。如图2所示。

图1 虚实结合实验教学模式图

图2 虚实结合实验教学资源优化图

2.2.3 在开放式实验教学平台上开展虚实结合实验教学

在虚实结合实验教学中，我们遵循：(1)以学习者为中心，同时注重教师的指导作用(即以学生为主体，以教师为主导);(2)强调实验内容相关信息对学习者“学”的强化，加强“素质拓展”部分的设计;重视“情景”对学习者的意义建构功能，重视学习者之间的交流对;(3)强调对虚拟实验环境的设计，强调课堂、实验室和网络三种学习情景的有机结合。虚实结合实验教学从如下途径开展：(1)发布虚实结合实验教学资料，供学生阅读下载学习;(2)引导学生独立操作、思考、分析实验; (3)尝试开展小组协作探究式教学;(4)精心组织虚实结合实验的讨论。

2.3 改进虚实结合实验评价体系，优化评价方式

在开放式实验教学平台上对学生采取灵活多样的评价方式[8]，体现“三个多元化”(见图3)：(1)评价主体多元化，对学生的评价方面要尽可能全面、客观;(2)评价角色多元化，不但要教师评价，而且可以让学生自评、学生互评，尽可能多地提供给学生自评和互评的机会;(3)评价方法多元化，评价除了注重实验设计、实验过程、实验问题解决方案和实验成果外，要把个人成绩与小组成绩挂钩，还要关注协作能力和个体的独特发展等。加强实验教学的全程管理，对学生的实验过程、参与讨论的情况、实验结果和创新点等方面进行详细记录，对学生的优秀作品给予认可与奖励，并纳入“研究创新型项目”，使学生充满成就感，以此激发学生的探索创新热情，从而促进虚实结合实验教学的持续开展。

图3 虚实结合实验“多元化”评价体系图

3 虚实结合实验教学开展的条件保障

为了保证虚实结合实验教学的有效开展，南通大学电工电子实验中心从“硬件”配置和“软件”建设两方面入手，采取了比较有利的保障措施。

(1)实验中心将虚实结合实验教学管理纳入实验室日常管理，由学院组织专家进行充分论证、严格把关、精心筛选出高质量的虚实结合实验教学资源;实验中心历来重视实验教学队伍的培养，力争达到虚实结合实验指导队伍的“高水平、可持续发展”;同时安排专人定时定期深入开放实验室进行现场指导，并安排专人对网络虚拟实验进行网络辅导、答疑和过程监管。

(2)实验中心根据需要提供实验室开放条件、仪器设备、耗材条件和网络虚拟实验环境。针对实验项目的需要，更新、添置实验室的仪器设备;实验室文化氛围的营造能够激发学生的兴趣;“开放式实验教学平台”构建和实验室全天候开放有助于虚实结合实验教学的顺利进行。

(3)为了提高学生和教师参与虚实结合实验教学的热情，学院出台了一系列的激励措施，以保证虚实结合实验教学取得更快更好的效果。

4 虚实结合实验教学取得良好效果

在传统实验教学中引入信息技术，开展开放式虚实结合实验教学探索与实践，可以节约在实验教育方面的投入，完善高校现有实验教学体系，提高高校实验教学水平和教学质量，激发学生的主观能动性与创造性思维，培养学生的主体精神、创新意识、实践创新能力，为开拓实验教育模式提供了一种新思路，使高校实验教学的现代化建设迈上了一个新台阶。

(1)有效弥补现有实验教学条件的不足，克服实验设备、实验场地、教学经费等限制，营造良好的实验教学环境，便于师生“随时随地、随心所欲”开展实验教学，“起到事半功倍的实验效果(实验教学师生交流座谈会原话)”。

(2)采用“虚实结合、优势互补”的启发式、探究式实验教学，不仅提高实验教学质量与效果，将高校的实验教学推向一个更高层次，更有利于学生潜能的释放和实践动手能力、创新意识的培养，提高观察、分析、解决问题的能力，“在虚实结合实验中提高学习兴趣;在实验中获得真知，知道自己想要学什么了(学生实验报告原话)”，使学生毕业后能迅速适应经济社会发展的需求。

(3)开放式虚实结合实验教学，培养了大学生的实践动手能力、开拓创新能力，提升了大学生综合素质。例如：在虚实结合实验教学实践期间，我院获江苏省、南通大学大学生实践创新训练计划项目立项共计20余项，在全国ROBCUP机器人、飞思卡尔智能车、TI杯电子设计等竞赛中屡创佳绩。同时，提升了实验队伍建设，培养了对实验室管理人员的信息管理能力，实现了实验资源效益最大化。

5 结束语

南通大学电工电子实验中心通过改革实验教学模式、搭建实验教学管理平台、优化实验教学资源、完善实验评价体系的形式，开展虚实结合实验教学的研究。虚实结合实验教学不仅实现了实验资源效益的最大化和集约化，而且激发了学生的主观能动性与创造性思维，“教学互长，良性循环”，现已取得良好效果。

虽然虚实结合实验教学的研究刚起步，但其建设过程对实验教学体系内涵、教学方法和管理方式的设计和挖掘所引发的实践与思考，对所有教学设计(如理论教学和远程教学)都有借鉴意义，它能引导我们对实验教学理念进行再思考，对实验教学目标导向进行再定位[9_10]，这无疑对整个实验教学质量的提高有积极意义，能有效提升工科类学生的专业素养。

[1]王晓岗，张星，李静，等.开放实验教学管理研究[J].实验技术与管理，2012，29(4)：155_157.

[2]王敏，湛春晖.构建模块式电工电子实验教学体系[J].实验技术与管理，2012，29(4)：225_227.

[3]李宏儒.虚拟化技术在计算机实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2010，27(5)：90_92.

[4]盛苏英.创新实验项目建设的实践[J].实验室研究与探索，2011，30(9)：107_109，184.

[5]董增文，胡誽华，刘国平.机电控制器类课程虚拟实验系统的研究与开发[J].实验技术与管理，2011，28 (8)：53_56.

[6]马梅娟.基于CORBA与JAVA技术的虚拟实验系统的设计与开发[J].实验技术与管理，2012，31(2)：65_69.

[7]张臣文.基于虚拟仪器的网络教育实验教学模式探究[J].实验室研究与探索，2011，30(3)：260_263，389.

[8]刘英杰，杨雪，阚宝朋.基于“心理建构”的三维虚拟实验监控评价系统[J].开放教育研究，2010，16(4)：82_89.

[9]丁美荣.虚拟实验与真实实验整合的计算机网络研究性实验教学探究[J].实验技术与管理，2011，28(5)：163_166.

[10]张学军，王阿习.虚拟实验与真实实验整合的进一步探讨[J].现代教育技术，2011，21(2)：132_ 135.

EXp loration and Practice on Opening EXperimental Teaching Combination of Virtual and Real EXperiments

SHENG Suying
(School of Electrical Engineering，Nantong University，Nantong，226019，China)

It is provided an opportunity for the cultivation of practical and creative talents cultivation and experimental teaching reform by exploration and practice on opening experimental teaching combining of virtual and real experiments.The virtual and real combined experimental teaching is carried outby the form ofoptimizing experimental teaching resources，improving experimental teachingmodes，constructing an opening experimental teachingmanagement platform and establishing〝diversification〝experimental evaluation system，so as to guarantee the effective conductof the experimental teaching.The practice indicates that the opening experimental teaching combining of virtual and real experiments has achieved the initial results.

opening experiments;virtual experiments;real experiments;teaching reform;experimental evaluation

G642.0；TN7

A

10.3969/j.issn.1672_4550.2014.01.034

2013_04_03

江苏省现代教育技术课题（2012_R_21882）；南通大学高教研究课题（2012GJ005）。

盛苏英（1979_），女，硕士，讲师，研究方向：实验教学与改革。