线上实验教学模式探索

王志琼 刘津彤 刘继明 张硕

摘 要 从线上实验教学内容、实验教学手段、实验教学方法和实验过程评价四大方面进行线上实验教学模式探索。设计综合考虑实验安全教育、实验项目和实验试题等五个方面的线上实验教学内容，研究包含微视频实验、虚拟仿真实验、虚拟现实实验等六种线上实验教学手段，探讨基于基础型，综合型和创新研究型三种不同实验类型的线上实验教学方法，建立贯穿整个线上实验教学过程的考核評价体系。重点研究了线上实验教学的可操作性，对整体实验教学模式进行了合理的规划，并在实际教学中进行了应用和验证。线上实验教学模式的探索对实验教学的改革和发展有积极的促进作用。

关键词 线上实验教学 教学模式 虚拟仿真 虚拟现实 在线直播

中图分类号：G424                                   文献标识码：A     DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.10.046

Abstract This paper explores the online experimental teaching mode from four aspects： online experimental teaching content， experimental teaching means， experimental teaching methods and experimental process evaluation. The online experiment teaching content is designed to comprehensively consider five aspects of experiment safety education， experiment project and experiment questions. Six kinds of online experiment teaching methods including micro video experiment， virtual simulation experiment and virtual reality experiment are studied. The online experiment teaching methods based on three different experimental types of basic type， comprehensive type and innovative research type are discussed， and the whole online experiment teaching model is established. This paper focuses on the operability of online experimental teaching， makes a reasonable planning of the overall experimental teaching mode， and carries out the application and verification in the actual teaching. The exploration of online experimental teaching mode has a positive role in promoting the reform and development of experimental teaching.

Keywords online experimental teaching; teaching mode; virtual simulation; virtual reality; live online

实验教学是高等学校教学活动中一个必不可少的环节，对于一些实践性较强的学科尤为重要。对于工科类专业，实验教学是应用型人才能力培养的关键部分，对于培养学生的实际动手能力、分析问题、解决问题的能力以及综合创新能力都是至关重要的。[1]

近几年，各高校充分利用在线课程教学资源，积极开展线上授课和线上学习等在线教学活动。[2-3]在统筹开展远程教学的情况下，实验教学课程同样需要与理论在线教学同步进行，实现对学生能力的全方面培养。实验是在理论知识的基础上进行的实践，一般以某一目标或者某一产品为导向，需要根据学生分组，对某一个实验内容进行反复的教学，学生实际动手操作占据课程的主体时间。尤其工科类专业，实验教学面临课程项目多、参与人数多、仪器设备多等问题，如何快速开展线上实验教学具有一定的挑战。

1 线上实验教学内容设计

基于现有线上教学平台，以学生为中心，以实验目标或实验产品为导向，根据实验指导书中的理论知识和实验现场操作的过程，结合实验人数、实验学时、实验要求等进行线上实验教学内容设计。线上实验教学以课程为单位，内容设计流程如图1所示，首先向同学们介绍课程培养目标、对学生进行实验安全教育，然后以每个实验项目作为实验课程的一个章节，分别讲解实验知识点、实验目的、实验仪器、实验原理、实验内容、实验步骤、实验结果分析等，同时对每个实验项目的学习情况进行在线测试，最后学生根据线上实验获得的数据进行线下实验结果分析，提交实验报告。实验教学内容的设计要保证实验过程清楚、表述简单，使学生能够形象、直观的学习实验。

2 线上实验教学手段研究

2.1数字化实验

学生通过线上观看网页版实验内容进行学习，或者将实验教学资源下载，线下自行学习。教师需要将电子版本实验指导书、实验讲解PPT教案以及实验视频等上传到线上教学平台，进行实验教学资源共享，帮助学生预习实验与复习实验。

2.2微视频实验

以实验项目为单位录制微视频，最终整合成微视频实验课程，学生通过在线观看视频学习，首次学习需要按照学习进度依次学习，全部学习完成之后也可以自由选择分段学习，根据掌握情况重复学习部分实验内容。

2.3虚拟仿真实验

学生通过仿真软件进行虚拟操作完成实验，教师在线进行交流指导。通过建立虚拟仿真实验室，实现虚拟实验室设备仪器的三维立体观看与操作，實验操作过程基本与线下现场实验操作过程一致。同时每一个实验操作步骤都设置相应的分值，如果操作正确，给予分值，学生可以继续操作;如果操作错误，根据错误次数扣除分值，设定多次错误操作后提示正确操作步骤，保证学生继续操作。

2.4虚拟现实实验

教师远程实时指导学生在虚拟现实环境下进行操作。借助5G通信技术和虚拟现实设备，开发虚拟现实实践教学系统，通过发布的虚拟现实实验实现多人协同同地、异地操作，教师实时远程协助与指导，给予学生实验过程强烈的沉浸感和操作感，在有效规避现实实验操作的安全隐患下，达到犹如现场实验般的体验。

2.5远程操作实验

根据学生的远程指导和互动需求，教师在实验现场帮助学生进行实验操作，整个实验过程通过直播形式分享给学生，学生可以根据实验目标解决实际实验中出现的问题，并且获得实验现象、实验数据和实验结果。远程操作实验只需要在实验室安装录播装置即可，学生可以通过网络进行远程实验学习与观察。

2.6在线直播实验

教师在实验室进行边操作边讲解，学生通过网络实时观看学习实验内容和实验操作过程，最后将实验操作数据结果记录下来，并进行实验结果处理分析。在整个实验过程中学生全程参与，教师和学生可以实时互动交流，达到实验教学目的。

3 线上实验教学方法探索

针对基础型实验，综合型实验和创新研究型实验等不同类型的实验，分别探索合理的实验教学方法，能够起到更好的实验教学效果，如图2所示。

3.1 基础型实验

基础型实验主要是理论课程中包含的实验，一般为4-12学时，包含1-6个实验项目，每个实验项目2-4学时。基础型实验的实验人数一般较多，实验项目多为验证性、演示性等类型，通过实验加深学生对理论知识点的理解，掌握实验的仪器操作和数据处理等知识点。对于基础型实验，以实验对应的理论课程为单位，以每个实验项目为实验章节，进行线上实验教学：（1）实验的讲解可以通过两种方式实现，一种是教师提前录制好实验视频，学生观看视频学习，另一种是教师直接到实验室实时录播讲解实验;（2）每个实验结束后学生可以通过教师设置的实验试题进行简单测试，试题一般设定为是非题和选择题;（3）实验课前和课后，学生分别可以通过线上实验资源进行预习和复习;（4）若该实验具备线上虚拟仿真或者虚拟现实的条件，则可以在线上学习之后进行虚拟仿真和虚拟现实实验操作;（5）学生根据线上实验所获得的实验结果进行数据分析和处理，提交实验报告;（6）在实验过程中，学生和学生之间，学生和教师之间皆可以线上边学习边交流，也可以课后通过QQ、微信等进行交流讨论。

3.2 综合型实验

综合型实验多为独立设课、独立记学分的实验，实验学时为16学时或者1-2周，这类实验层次分明、综合性强、知识点集成度高，旨在提高学生综合知识运用能力。[4]综合型实验以产品或典型机构为导向，实验流程与基础型实验基本一致，将每个实验项目设置为单元章节，此外以小组合作与讨论方式进行实验操作，最终以答辩形式进行实践结果汇报。

3.3 创新研究型实验

创新研究型实验多为开放创新性的选修实验课程，实验学时一般8学时以上，实验人数相对较少。实验以理论课程为基础，以学生为中心，结合科研项目进行自主创新的实验设计，通过拓展和深化实验教学内容，培养学生的创新设计能力。根据创新研究型实验的特点和实验思想，进行线上实验教学设计与构建：（1）将实验相关知识点制作成实验资源，学生在实验前通过平台下载实验资源进行相关理论的学习;（2）根据学习情况，学生3-5人自行分组，以小组为单位，根据实验目标与要求进行实验设计，在实验设计过程中，小组要通过线上平台进行交流、研讨，同时教师给予指导;（3）根据设计的实验内容，学生通过网络视频远程在线互动指导，教师到实验室帮助学生完成实验操作，将实验结果反馈给学生;（4）学生以小组为单位对实验结果进行讨论与数据处理分析，形成总结报告;（5）以在线视频方式进行小组答辩，获得实验成绩和教学反馈。

4 线上实验考核评价体系建设

线上实验的考核与评价贯穿整个实验教学过程，从实验考勤、学习测试、在线操作到实验报告、实验互动，全方位考察学生的学习情况，包括知识点掌握、仪器设备了解、实验操作、数据处理、实验结果分析能力等方面，严格实行实验教学过程的监督与控制，保证实验教学评价的客观性和合理性，提高实验教学质量。在实验教学过程考核评价中，采用加权法评定实验成绩，借助实验教学信息化管理平台，分别给予各实验考核部分一定的权重，然后将各项成绩加权获得实验的最终成绩（图3）。

5 结语

信息技术、智能技术与实验教学的深度融合实现了学生实验学习、实验选课、实验教学管理和实验教学资源的信息化，使得实验教学的实施与管理更便捷、更有效。传统的实验教学永远无法通过线上实验教学来取代，但是线上实验教学能够有效的辅助线下实验教学的快速完成，因此线上线下实验教学是相辅相成、相互补充的。对于工科类专业的部分实验，形成线上线下相结合的混合式实验教学模式，有助于学生通过线上教学实现自我学习，全面掌握实验理论知识和操作过程，起到更好的实验教学效果。在未来的实验教学过程中，需要对在线教学模式进行不断的完善和改革，研究和探索线上线下实验教学模式的相互融合、相互促进的内在规律，充分发挥实验教学在人才培养中的作用。

基金项目：2020年吉林省高等教育教学改革研究课题：虚拟现实实践教学平台建设与应用研究（2019XYB122）;教育部产学合作协同育人项目：基于机械专业的混合式VR教育师资培训体系建设与应用（201901230010）

参考文献

[1] 高东锋.信息化时代高校实验教学改革的要求、思路与路径[J].中国高教研究，2018（04）：93-96.

[2] 付庄，冯新，王尧. 多维互动线上教学法在教学中的应用[J].高等工程教育研究，2021（01）：193-196.

[3] 张宏伟，王海星，郭建锋，等.基于腾讯课堂和虚拟仿真技术的嵌入式系统线上教学[J].实验技术与管理，2020，37（12）：170-174.

[4] 王志琼，刘津彤，苗淼，等.发动机拆装实验教学综合平台的研制[J].实验室研究与探索，2019，38（11）：70-72，82.