基于虚拟仿真实验系统的自主学习研究

张亚南，文福安

（北京邮电大学 网络教育学院，北京100091）

在现代教育中,实验教学占有越来越重要的地位，为了培养学生的实际动手能力和观察能力，很多课程往往需要学生进行大量的实验，而且许多实验需要多协同操作才能完成。但现实中许多问题在真实环境下实验具有不可见性、危险性或需要昂贵的实验设备，成为制约教学质量提高的重要因素。虚拟仿真实验是解决此问题的有效方案[2]。

虚拟实验教学平台不仅可以解决上述问题，而且对于提高学习者的学习兴趣，激发学习者的学习动机有很大的帮助。在利用虚拟仿真实验平台进行自主学习的过程中，完全是以学习者为中心，学生可以自主调节学习的时间、地点、顺序以及学习的进度，鼓励学生的自主学习、协作学习，有利于学习者的主动建构，符合建构主义的教育观和学习观，具有较高的理论意义和实践价值[3]。自主学习虚拟实验还有利于培养学习者的探索精神和实践能力。学习者在自主学习虚拟仿真实验的过程中，也提高了遇到问题解决问题的能力，并且确实获得了实验的相关知识。将虚拟仿真实验引入教学有利于推进高等学校实验教学信息化建设和实验教学的改革与发展。

一、研究现状及不足

1.虚拟实验室建设现状

虚拟仿真实验室受到了各国高校的普遍关注，我国教育部从2013年起开展了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，截止2015年共评审出300个国家级虚拟仿真实验教学中心。科技部2010年将《虚拟实验教学环境关键技术研究与应用示范》作为“十一五”国家支撑计划重点项目开展研究，清华大学、北京大学、上海交通大学、北京邮电大学、华南理工大学等高校已陆续在网上提供了虚拟实验服务。在国际上有芝加哥伊利诺伊大学的数字化有机化学实验室，卡罗莱纳州立大学利用Java技术建设基于Web的探索式虚拟物理实验室，密歇根大学为操作系统和高级语言课程建设了虚拟网上系统实验室等。

2.国内研究现状及启示

虚拟仿真实验与实验教学的结合方式主要有两种，一种是先实验教学后虚拟实验，这里虚拟实验主要是用于巩固知识，完善知识结构，提高学生的动手实践能力。这也属于先理论后实验的教学方式，李旭锋在《“先实验后理论”化学教学方法探析》[4]中提出“先理论后实验”的教学方法会抑制学生在实验中发现问题的积极性和探索创新的主动性。另一种是先虚拟实验后实验教学，这里虚拟实验主要是来达到预习实验的目的，有利于教学更加顺利地进行，如蔺智挺在《基于虚拟仿真实验的模拟集成电路实验教学》[5]一文中，以模拟集成电路实验教学为例，介绍了安徽大学基于虚拟仿真实验进行实验教学改革的做法和效果，利用虚拟仿真实验中心，缓解了课时的矛盾，较好地达到了预习实验的目的，拓展了实验的内容，对实验教学改革的深化产生了积极而深远的影响。

虚拟仿真实验可以作为学生自主学习的资源，培养学生的自主性、探究性学习能力。如潘雪涛、邬华芝等在《创新虚拟实验教学模式 培养自主学习能力》[6]一文中提出“三三三”教学理论新模式，其中虚拟实验室在课前应用，激发学习者兴趣，进行自主预习；在课中应用，主要用于教学互动，提高效率；在课后应用，用于自主复习，自主训练。多年的实践证明，教学改革成果显著，教学效果明显，学生的自主学习能力和实践创新能力不断提高。赵琪、孙红等在《基础医学虚拟仿真实验教学平台构建研究》[7]中，提出开放式网络化基础医学虚拟仿真实验平台丰富了实验教学内容和手段，逐渐成为学生自主学习、自助学习的重要场所和学习方式，能够突出探究、实践和创新，提高学生自主学习和探究性学习能力。

3.当前研究的不足之处

通过以上文献分析可以看出，广大研究者对开发出的虚拟实验系统在教学中的应用情况不太关注，对虚拟实验系统应用于教学的过程设计与效果分析、虚拟实验系统开发评价等方面的研究不多，尤其是关于学生对虚拟实验系统学习体验的调查和从学生视角对使用虚拟实验系统进行学习的评价很少。实际上，这方面的研究，对于检查所开发平台的有效性、实用性有很重要的意义[8]。

已有研究大多关注利用虚拟实验进行教学改革或者虚拟实验平台建设，目前尚未有研究者进行虚拟实验的自主学习过程以及学习效果验证的研究，而基于没有模拟电路知识基础的学习者的自主学习更能反映出虚拟实验平台对于知识掌握和实践能力提高的效果。因此笔者基于北京邮电大学自主研发的电子信息虚拟仿真实验教学中心，以未学习过《模拟电路》相关课程的学习者为研究对象，对学习者的学习过程、学习积极性、学习效果进行研究。

二、研究方法及过程

1.研究目的

本研究旨在通过对没有模拟电路知识基础的学生进行虚拟仿真实验的自主学习过程和效果的调查研究，来分析通过自主学习虚拟仿真实验，学生是否可以获得相关的电路知识；学生在学习过程中积极性和注意力的集中程度如何，发现问题解决问题的能力是否有所提高，以及实验平台的易用性等问题，通过此次调查，了解虚拟仿真实验是否可以作为学生自主学习的工具。

2.研究对象

本次调查问卷以40名研究生为例。在样本的选取上，本次调查对象为没有学过《模拟电路》相关课程、没有做过任何一个模拟电路实验的学习者，这样更能体现出自主学习虚拟仿真实验的效果；本研究所用的实验平台是由北京润尼尔网络科技有限公司研发、北京邮电大学电子信息虚拟仿真实验教学中心运营的。实验课程类属 《模拟电路》，实验名称：《集成运算放大器的基本应用—低通滤波器》，学习方式：自主学习。

3.研究工具

本次研究采用的工具为一份问卷调查表，在填写完问卷之后采用访谈的方法来获取被试者的主观感受。

（1）问卷调查

本问卷的题目包括三个部分：第一个部分是第1题，是关于研究对象的个人信息，是否做过任何一个模拟电路的实验。若做过，则被视为无效问卷；第二个部分是2～6题，从做实验的积极性和注意力的集中性（问题2～3），遇到问题的解决办法（问题4～6）三个方面来了解学生做实验的过程。第三部分是7～9题，分别从实验的原理（问题7）、器材的种类（问题8）、器材的作用（问题9）、学习虚拟实验的基本步骤（问题10）、虚拟实验对学习的帮助程度（问题11）四个方面来调查学习效果以及虚拟实验对自主学习的有用性。

图1　学习虚拟仿真实验过程的活动图

实验在2017年6月份进行，每个学生自主学习虚拟仿真实验的时间不限制，可以使用互联网进行信息的查询，学习过程没有硬性要求，学习顺序自主安排。调查问卷安排在做完实验之后，其中问卷的第10题是关于学习者对学习虚拟仿真实验的步骤排序。将学习虚拟仿真实验的过程进行精简和编码：①进入虚拟实验界面，浏览实验内容；②打开各个仪器的开关；③根据网络实物图连接完整的电路图；④寻求场外人员帮助；⑤调节各个仪器的量程；⑥根据实验原理图连接实物图的基本部分。分析学习者的排序，得出学习过程的活动图如图1所示。

进入虚拟实验界面，浏览实验目的、实验器材、实验原理、实验报告以及实验操作平台。通过实验原理可得知：滤波电路的基本功能是滤除（抑制）某一频率段的输入信号。低通滤波器抑制的是高频段的信号，通过低频段的信号，当信号和噪声在不同的频带时，可以实现信号分离，滤除噪声。

通过参照实验原理图和百度的完整实物图在虚拟实验台上进行电路连接。在实验过程中遇到不认识的器材，通过双击实验器材来获得器材的属性以及帮助信息，遇到不太懂的地方则通过网络搜索或者寻求他人的帮助，原理图中的三角形器件为运算放大器，有八个引脚，有放大信号的功能；信号发生器发出信号，通过泰克示波器来展示波形。

当完成电路的物理连接后，打开和调节各个仪器设备。但是波形并没有显示出来，然后通过检查自己的电路图是否连接正确来进行排错处理，查完之后还没有出现波形，请其他人员帮助，通过调节泰克示波器的量程来显示出波形，实验成功。实验台如图2所示。

图2　虚拟仿真实验平台实验台截图

在整个实验进行的过程中发现，认知虚拟实验平台只需要三分钟左右，实验平台简单易用，查询信息方式很多，有获取实验帮助、获取智能指导、获取器材信息等等，实验过程中，学生一直都保持很高的积极性，注意力很集中，遇到问题时，能够积极主动的寻找问题的来源，主动寻求帮助，提高了发现问题和解决问题的能力。

（2）访谈

填写完问卷，笔者对于调查对象关于做虚拟实验的主观感受以及填写问卷的认真程度进行访谈。经访谈发现，学习者表示不用去实验室就能把实验做出来，很方便快捷，学习者在学习过程中充满了好奇心，尤其是当波形调出来之后，觉得很神奇，自主学习的结果能够实时的被观察到，能够激励学习者进一步学习，并且所有的被试者都认真完成实验和问卷，没有无效问卷。

4.资料处理与分析

本研究共回收实验问卷40份，其中第一题的选项均为B，即在本次实验之前没有做过虚拟实验，因此问卷全部为有效问卷。

问卷首先调查了学习者在进行实验时的注意力保持情况，和学习者在使用虚拟实验平台时的态度，笔者将注意力的五级进行编码，在SPSS（“统计产品与服务解决方案”软件，用于统计分析）中将选项依次赋值，A为4分，B为3分，C为2分，D为1分，E为0分，统计结果显示，被试学习者的注意力平均水平为2.9分，说明虚拟实验教学系统可以使学习者的注意力保持在中等偏上水平。

相关研究表明，根据认知负荷理论，当使用虚拟实验室进行虚拟实验时，学习者往往需要先掌握相关的知识与技能，比如了解虚拟实验系统的操作规范和技术流程等，虽然这些知识和技能可能跟当前学习任务没有必然联系，但其实无形中增加了学习者的认知负荷[9]。本组下的另一个研究主题是关于学习者的学习积极性，通过图3可以看出，被试对象的积极性保持在较高水平，所有的学习者都选择了“积极”或“非常积极”。本主题的研究结果表明，与传统实验教学方式相比，学习者的认知负荷反而降低了。

图3　学习者注意力与积极性

虚拟实验过程中，学生可以随时登录网站进行各种实验，操作实验设备，不受时间和空间的限制；学生在实验中自主发现并解决问题，有利于培养在实际操作中分析和解决问题的能力，可以有效提高学生的动手能力[10]。本部分问卷题目设置的目的是探索学习者在自主学习、实验过程中解决问题的途径选择。

由图4、图5可以看出，当学习者在自主学习过程中遇到问题时，最常用的办法是查看实验平台中的实验帮助。此结果说明，在未来的虚拟实验平台或者其他在线学习平台建设过程中，需要提供尽可能详细、准确的平台帮助或说明。询问他人，说明自主学习的过程常常与学习者的社会网络相关。

图4　自主学习遇到问题的解决办法

图5　实验中排除问题的方式

本问卷的7至9题分别从实验的原理（问题7）、器材的种类（问题8）、器材的作用（问题9）检验了虚拟实验平台的教学效果，其中问题7、8的正答率为100%，问题9正答率为97.5%，只有一位同学答错，说明没有模拟电路基础的学习者经过虚拟实验平台的操作和学习，可以对模拟电路的基础知识达到很好的掌握程度，验证了虚拟实验教学平台的实际教学效果。

图6　虚拟实验平台有用性

图6显示了被调查者在试验后对于虚拟实验平台的主观评价，如图6可知90%的学习者认为虚拟实验平台对于掌握低通滤波器的知识和技能有帮助，验证了笔者在上文中提出的假设，实验证明，虚拟仿真实验确实可以作为学生自主学习的工具。

三、研究结论

虚拟仿真实验能够提高学习者的兴趣，可以作为自主学习的工具。在完成虚拟仿真实验的过程中，学习者被深深吸引，能够保持极高的注意力，学习效率极高。学习者在自主学习虚拟实验的过程中能够主动的发现问题并解决问题，提高了学习者的动手实践能力。没有模拟电路基础的学习者通过虚拟实验可以获得相关的电路知识，学习效果良好。虚拟实验室降低了实验教学的成本，解决了传统实验室受时间、地点限制的问题，虚拟实验简单方便，虚拟仪器具有灵敏性与高效性。开展虚拟仿真实验教学可以延伸实验教学时间和空间，提升实验教学质量和水平。在今后的教学实践中，我们要发挥虚拟实验的优势，使之能够与传统的实验教学密切融合。课堂教学、虚拟实验和实验室教学深度融合是现代实验教学的发展模式，能够培养学生的自主学习能力、动手实践能力以及发现问题和解决问题的能力。

参考文献：

[1]教高厅函[2015]24号.教育部办公厅关于开展2015年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[Z].

[2]周勇,徐英卓.基于 VRML-JAVA的网上协同虚拟实验系统研究[J].电化教育研究,2006(5):52-55.

[3]马秀麟,赵国庆,邬彤.翻转课堂促进大学生自主学习能力发展的实证研究——基于大学计算机公共课的实践[J].中国电化教育,2016(7):99-106.

[4]李旭锋.“先实验后理论”化学教学方法探析[J].卫生职业教育,2008(15):88.

[5]蔺智挺.基于虚拟仿真实验的模拟集成电路实验教学[J].实验技术与管理,2016(1):122-126.

[6]潘雪涛,邬华芝,蔡建文,张美凤,孟飞.创新虚拟实验教学模式培养自主学习能力 [J].实验室研究与探索,2014(11):72-76.

[7]赵琪,孙红,孙艳梅,车鹏程.基础医学虚拟仿真实验教学平台构建研究[J].实验技术与管理,2016(11):135-138.

[8]李凌云,王佳,王海军.我国虚拟实验研究现状的实证分析[J].现代教育技术,2009(12):111-114.

[9]王济军,魏雪峰.虚拟实验的“热”现状与“冷”思考[J].中国电化教育,2011(4):126-129.

[10]余雷,刘志成,王娜.基于LabVIEW的智能照明网络虚拟实验系统设计[J].现代建筑电气,2012(8):71-74.