高职院校虚拟仿真实验信息化教学模式研究

刘麦 张琦 杜向军

摘 要 以电工电子课程为例，构建高职院校基于虚拟仿真实验的信息化教学模式。利用信息化教学手段组织学生进行线上线下学习，学生能够灵活安排自主学习时间和进度，并在开放的信息化教学过程中引入虚拟仿真技术，解决学生无法自主进行实验问题，突破时间和地域对实验的约束，并增加实验的直观性。

关键词 虚拟仿真技术 仿真实验 信息化教学 电工电子

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.07.054

Abstract Taking the electrical and electronic courses as an example， the information-based teaching mode based on virtual simulation experiment in vocational colleges is constructed. Using information-based teaching methods to organize students to conduct online and offline learning， students can flexibly arrange their own learning time and progress， and introduce virtual simulation technology in the process of open information-based teaching to solve the problem that students cannot conduct experiments independently， breaking the time and geographical constraints of the experiment and increase the intuitiveness of the experiment.

Keywords virtual simulation technology； simulation experiment； information teaching； electrical and electronics

近年来，信息化教学迅猛发展，凭借资源多元化、课程使用方便、参与面广、自主性强等特点，大量信息化教学工具和平台如雨后春笋般涌现并规模化。与传统的课堂教学和网络课程相比，信息化教学平台可以构建良好的自主学习和测试环境，随时随地进行在线学习，实现教学资源的高度共享，有利于培养学生的自主学习性。然而，随着信息化教学的发展与应用，基于移动介质进行的信息化教学过程中无法完成实验教学，日益成为制约教学改革与发展的因素。对于高职院校而言，实践性较强，强调动手能力的培养，理论教学无法满足教学需要。[1]因此，本文以电工电子课程为例，通过研究利用虚拟仿真技术组织信息化教学过程，构建基于虚拟仿真实验的信息化教学架构。

1 电工电子课程教学现状

电工电子课程是机电类、自动化类、信息类等相关专业的基础课程，是一门综合性、实践性比较强的课程，应用范围广，内容很抽象。电工电子课程在教学过程中以理论教学为基础，通过实验加深对理论教学所学内容的理解与掌握。目前大部分高职院校电工电子课程的教学方法还停留在传统的教学方法上，基本采用以教师讲授为主的填鸭式学习方式，导致大部分学生对电工电子课程的教学感到枯燥和抽象。

电工电子课程的实验教学以在专业实训室做真实电路的连接与分析为主，多为验证性实验。目前大部分高职院校电工电子实验教学过程是：老师在专业实训室进行讲解、演示并辅导，学生根据已知电路进行实物连接，验证相关定理。这种实验方式受时间和场地约束，学生无法自主安排实验进度和时间，教师难以对所有学生进行指导，不能激发学生实验的积极性，实践能力和创新能力也不能得到充分的提高；由于学生对实验环境的不熟悉，容易产生误操作，造成元件和仪器设备的损坏，甚至发生用电危险；高校普遍存在着实验室建设费用高昂，前期设备投入大、后期维护繁琐等问题。[2]

因此，有必要对传统的教学方式进行改革，让学生能够灵活地安排时间并不受场地的约束，进行理论学习和实验操作，在课堂上作为教学主体主动参与到教学活动中，提高学习效率和学习的积极性，提升教学效果。

2 虚拟仿真实验与信息化教学

2.1 虚拟仿真实验

1989年，弗吉尼亚大学（University of Vinginia）William Wulf教授提出了“虚拟实验室”概念，认为虚拟实验室是由研究人员创建的，具备沉浸感的电子化、网络化的可互动的人工环境。[3][4]20世纪90 年代后期，随着多媒体、数据库、网络以及虚拟现实等技术在教育领域的应用，国内部分高校相继开展了基于网络的虚拟仿真实验及教学应用的研究。2008年-2010年，教育部组织开展了“虚拟实验教学环境关鍵技术研究与应用示范”课题研究。2013年，教育部印发了《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》。[5]

虚拟仿真实验教学综合应用多媒体、仿真和虚拟现实等技术构建仿真的实验环境，使学生自主地在开放的虚拟仿真平台开展实验。[6]引入虚拟现实技术和仿真软件构建虚拟仿真实验教学，教学过程不再是简单的理论+实验，而是理论教学、虚拟仿真、实验环节的相互渗透。教学过程中，随时可以用虚拟仿真平台实时模拟，形象化的将抽象的理论知识展现出来，帮助学生将学到的理论知识用计算机仿真再现，更快、更直观地掌握教学内容，加深对概念、原理的理解。虚拟仿真实验不仅使得实验的教与学环节可以不受时间和地域的约束，还能缓解实验室建设问题以及保障实验室操作的安全性。

2.2 信息化教学

在信息爆炸的大数据时代，学习者对教学理念、内容和技术改革的需求越来越强烈，也成为了学者们关注和研究的热点。在信息化教学改革的热潮下，出现了一些新的基于互联网的教学方法和理论，尤其是近几年规模化的微课、翻转课堂和在线开放课程等。

微课是以教學过程中的一个知识点或技能作为单一的教学内容而进行的一种教学方式，多以视频形式出现，教学时间短，因此针对性强、教学目标明确。微课可以避免长时间理论教学引起的疲劳和教学效果下降，学生可以根据自己的需求有选择性的学习，是信息化教学资源的重要组织部分。在线开放课程是在公共平台上构建的具有系统全面的教学规划、数字资源、题库、拓展资源的开放的教学环境，教师的作用是资源建设与教学计划组织，学生可以根据在线开放课程平台的教学计划和资源进行自主学习和测试。翻转课堂重新规划了课堂内外的时间，教师对课堂的主动权转变成引导作用，而学生成为主动参与者。

随着“互联网+教育”的迅速发展，信息技术在教育领域中的应用越来越广泛而深入，新的教学方法和学习模式从理念、内容和手段上都发生了巨大的变化，极大地影响和改变了传统的课堂教学方式、学习者的思维模式，教师和学生都重新审视传统的教学模式，从培养知识型人才向培养创新型人才转变。

3 基于虚拟仿真实验的信息化教学模式研究

为深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合，教育部于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作，推动高校积极探索线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式，支撑高等教育教学质量全面提高。[7]

本研究以电工电子课程为例，构建基于虚拟仿真实验教学，结合微课、在线开放课程和翻转课堂等信息化教学手段的教学模式，如图1所示。

教师作为资源构建、教学活动组织的主体，在教学过程中起引导作用。教学资源建设是整个教学系统的核心，是基于现代信息技术建设的，主要包括文档、图片、多媒体课件、动画、视频、题库等数字教学资源和实验设备模型、元器件模型、电路仿真模型、仿真动画、虚拟仿真软件等虚拟仿真实验资源，通过虚拟仿真实验平台和信息化教学平台呈现。教师的教学活动是基于教学资源而进行的有效组织，主要通过在线开放课程等信息化教学平台要求学生进行线上自主学习，并且通过虚拟仿真实验平台自主完成虚拟仿真实验，面授课堂以解决问题为主，而实验环节结合线上学习情况和虚拟仿真实验情况有选择性地进行，最大效率地利用实验室的时间和场地。理论教学、实验教学与虚拟仿真教学之间相辅相成，理论教学是实验教学和仿真教学的基础，仿真教学可辅助实验操作，和实验教学共同作用，加深对理论知识的巩固和灵活运用。虚拟仿真实验教学是对传统实验教学的补充和延伸，即可完成传统的验证性实验，也可引导学生在虚拟仿真实验平台进行创造性的实验，激发学生的创新能力和实践能力，对于改进实验教学方法和模式具有积极的促进作用。理论教学、实验教学和仿真教学的相互作用关系如图2所示。

学生的学习过程以自主性学习为主，通过在线开放课程等信息化教学平台，自主安排学习进度和学习时间。信息化教学平台的多媒体课件、教学视频等系统完整的呈现课程的内容，进行理论知识的学习并可以测试对所学内容的掌握程度。通过虚拟仿真实验平台进行虚拟仿真实验，对所学知识进行验证，并模拟实际实验电路，为实验教学进行预习。对学生的学习要求面授课堂学习前须完成线上相关内容的学习与测试，实验教学开始前须完成虚拟仿真实验平台的学习与操作，方可最大限度地利用线上资源和虚拟仿真平台与课堂和实验教学进行深度融合，提高效率。课堂教学引入移动信息化教学手段，以解决问题为主，学生作为主体参与到教学过程，充分调动学生的积极性，激发学生的学习动机。

4 结束语

虚拟仿真实验技术和信息化教学的深度融合利用，高效率地解决学生课余自主学习、知识重构、实验实践的困境。教学过程引入虚拟仿真技术并结合信息化教学手段进行灵活组织，学生在开放、交互的环境中进行自主学习和虚拟实验的设计与操作，与传统教学相比，更有利于教育资源的优化、整合、利用与共享，在一定程度上解决实验室建设周期长、经费不足、安全无保障等问题，对提升教育质量和深化教学改革产生一定的作用。

参考文献

[1] 孙青，等.MOOC环境下开放共享的实验教学研究[J].实验技术与管理，2014.31（8）：192-195.

[2] 李玲，王非.基于网络的虚拟现实技术在高校实验教学中的应用[J].实验科学与技术，2014.12（3）：37-39，46.

[3] Wulf W A.The collaboratory opportunity[J].Science，1993.261（5123）：854-855.

[4] 林宝灯.高校信息资源开放共享机制建设的新载体：虚拟实验室[J].图书馆理论与实践，2018（1）：96-100.

[5] 贺占魁，黄涛.虚拟仿真实验教学项目建设探索[J].实验技术与管理，2018.35（2）：109-111，116.

[6] 曾红，张德强，等.机械工程虚拟仿真实验中心建设研究与实践[J].实验技术与管理，2018.35（1）：241-244.

[7] 教育部办公厅关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201707/t20170721_309819.html，2017-07-13