“虚实结合”实验教学改革探索

内容摘要：随着虚拟实验技术的日趋成熟，虚拟实验室在电气、核科学、化学等高危或高成本学科为高校学生提供了更多动手实践的机会。但虚拟实验室在真实的视觉、触觉等感官方面依然无法获得共鸣，且虚拟实验不能展现真实实验中不可测的复杂性。通过“虚实结合”，改变实验教师传统定位，从实验内容设置、实验教学模式等方面进行改革，能充分发挥虚拟实验室和传统实验室的优势，对提高学生主体能动性和创新能力有很好的效果。

关键词：虚拟实验室 虚实结合 创新实践能力 主体能动性

随着信息化时代和学习型社会的到来，培养具有创新意识和实践能力的人才成为高等教育发展的重要目标。但通信、电力、核科学、化学等涉及高危、高成本的学科，依靠高校实验室不具备或难以完成教学功能，学生动手实践机会少，成为制约高等教育创新人才培养的瓶颈。随着虚拟现实技术、多媒体、数据库和网络通讯等技术的迅速发展，虚拟实验技术日趋成熟。国家教育部力推国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，许多高校开始建设并使用虚拟实验室进行实验教学。虚拟实验室既可节省资源又可突破传统实验室在时间、空间上的限制，使学生随时随地开展实验。但虚拟实验室并不能完全替代传统实验室。如何“虚实结合”，有效提高学生的创新实践能力是高校实验教学工作者正在深入探索的课题。

1.传统实验室教学模式分析

一般情况下，教师提前为学生编写或指定了实验指导书，写明了实验内容、实验步骤、实验测试数据等。实验课上，教师先讲述实验原理、实验仪器设备操作注意事项、实验步骤、需要注意的问题，然后学生按步骤在实验设备上进行实际操作，记录实验数据，最后在实验报告进行数据分析。

传统实验室教学的优势：学生可以实际操作仪器、仪表，辨识元器件；教师的讲解能引导学生按步骤完成实验。但其存在的缺陷也是明显的：实验原理、步骤都有教师引导，对于“为什么要设置这个实验项目？实验步骤为什么这样设置？为什么要选用这些测试或实验仪器？为什么选用这些测试数据？”，学生缺少独立思考的时间。所以，当实际工作中遇到问题时，学生并不知道该如何设计测试方案，也不能很好的选用仪器设备。

现在我们来思考这个问题：“为什么教师提前设置好了项目、步骤、选好了仪器设备、测试数据呢？”最根本的原因是实验室设备、耗材、安全等因素的影响，现有的实验室资源不能完全满足学生自主设计实验的需要，加上课时的限制也无法为学生提供足够的探索时间。

2.虚拟仿真实验室分析

虚拟仿真实验室提供了虚拟的实验设备、测试仪器，虚拟仪器突破了传统实验设备台套数的限制，这个优势在大型贵重设备中尤其明显，普通高校投入大型设备台套数较少，一般还需要专业的操作人员操作，使用时要预约，有的还需收费。虚拟实验室为大型贵重设备的共享提供了广阔的空间。

通常情况下，高校实验室都不能做到24小时开放，除用于实验教学的时间外，开放时间较少，且开放时无专业教师指导，虚拟实验室利用校园网络和计算机提供的虚拟仪器，可以为学生提供仿真的实验室学习环境，学生可以随时通过虚拟实验室使用虚拟仪器和设备，并调试自己设计的实验方案。

虽然学生能在虚拟实验室操作虚拟仪器，但在真实的视觉、触觉等感官共鸣方面依然无法获得共鸣，且虚拟实验无法模拟真实实验中不可测的复杂性。

从以上分析可以看到，两种实验室在提高实验效率、学生实践能力等方面存在很大的互补性。有效的“虚实结合，优势互补”有利于节约实验教学资源，激发学生兴趣和积极性，最终提高学生主体能动性和创新实践能力。

3.“虚实结合，优势互补”实验教学模式探索

（1）“虚实结合”，改变实验教师传统定位，提高学生主体能动性。

一般意义上，高校的实验课程、实验项目的设置均由实验教师主导，学生并不清楚为什么要进行该项目的实验？在虚拟实验室环境下，仪器设备、实验时间都不再受限制，因此，实验内容的设置可以由学生根据学习情况提出。教师将由传统的主导者转换为指导、答疑、评价者。教师对学生提出的实验方案进行评价，指导学生对实验方案进行完善，对学生实验过程遇到的问题进行答疑，指导学生在虚拟实验室进行实验方案的试运行，对实验方案在真实实验平台的运行安全性进行评价等，让学生成为整个实验过程的主导者。学生对为什么进行该实验？实验步骤，实验设备选用等能力将大为提高。改变后的实验过程如下图所示。

（2）“虚实结合”，融实际工程于实验项目，提高学生创新实践能力

传统的实验教学中，实验项目设置往往无法结合实际使用，学生在做完实验后，遇到实际工程项目不知道该如何应用所学知识。融实际工程与实验项目主要在以下几方面着手：分割实际工程项目，结合课程内容，引导学生走进工程实际；注重实验测试，使用实际工程数据，加强实验结果分析；工业化仪器设备的使用过程、实际工程的测试过程可以利用虚拟实验室进行仿真。

4.结束语

教育部着力推进虚拟实验室建设，但虚拟仿真实验涉及的学科门类还不够丰富，虚拟实验教学资源相对缺乏。利用现有虚拟实验室资源，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更多实验资源和机会，有利于培养锻炼学生创新精神和实践能力。

参考文献

[1]解丽芳，林宏辉.虚拟实验室在本科生物实验教学中的作用[J].实验技术与管理，2014（9）

[2]郑鑫，张晓洁.虚拟实验室立体化教学资源平台建设[J].实验室研究与探索，2014（9）

[3]王德利等.虚拟系统在技能学实验教学中应用[J].实验室研究与探索，2014（8）

[4]徐林等.远程开放式云端虚拟实验室建设初探[J].教育教学论坛，2014（43）

（作者介绍：王宇英，桂林电子科技大学电子工程与自动化学院高级实验师）