虚拟仿真实验教学模式的探索与实践

李红岭，高晓阳，贾尚云，杨 梅，牟佳伟，齐 瑶

（甘肃农业大学机电工程学院，甘肃兰州 730070）

0 引言

随着时代的发展，信息技术以及一些新兴虚拟仿真平台逐步登上了新时代的舞台[1]，虽然一些高校已经或者正在实行实验教学改革去应用新的教学资源来实现线上实验教学[2-5]，但是并未完全普及，一些偏远地区的高校改革进程缓慢。2020 年年初，新冠肺炎席卷全球，为实现“停课不停教、停课不停学”的目标，各个高校采取不同的措施，共同实施并保障高校在线教学，极大地促进了虚拟仿真实验教学的改革进程[6-9]。我校也积极参与其中，遵循“厚基础、重实践、求创新、高素质”的办学定位目标和创新型人才培养宗旨，鼓励教师摒弃传统实验教学的教学模式单一、实验设备高成本、实验过程高消耗、考核体系不完善等问题，积极探索信息技术与实验教学融合、理论教学与实验教学协同、科学原理与工程应用相结合，以学生为中心，注重过程与方法、提高素质与能力、突出实践与创新的教学理念与方法，推进虚拟仿真实验教学的改革步伐[10,11]。

1 电子技术虚拟仿真实验

1.1 电子技术虚拟仿真实验操作平台

电子技术虚拟仿真实验通过虚拟仿真教学管理平台在线设计操作实验，平台设计以易用和实用为原则，综合运用了最新的设计思想和多种关键技术，使之在整体结构、操作方式、图形处理和界面设计等方面技术特色突出。用户可以在实验平台上自主选择逻辑器件或者形象器件两种形式来搭建实验，如图1。系统所需元件与仪器均是3D模型，与真实器件一样，学生可以自主实验，选择相应器件与参数，无需消耗类或易损类实验材料。该实验环境注重可视化、互动性操作以充分激发学生的创作灵感，使学生在该环境下可以根据各自的创意去构思、验证各种个性化的设计方案，尽情感受学习的乐趣，自主完成实验的全过程。

图1 实验操作平台

1.2 实验教学管理平台交互性操作功能

电子技术虚拟仿真实验课程以“课前、课中、课后”为导向，在实验过程中，每个学生都参与进去，与教师交流互动，教师设计发布一些学生感兴趣的任务并给出每个任务的目标，学生可以先根据任务目标查找资料、观看视频学习相关原理知识，了解实验相关仪器设备，并根据自己的兴趣自主设计实验电路，然后通过仿真平台进行绘制、仿真调试实验，获取、分析并处理仿真结果等，这样的过程充分发挥了学生的自主性，培养了学生主动学习、探索学习的能力。实验教学管理平台可自动生成可追溯实验记录供教师查看批阅，学生通过分析总结实验数据填写并提交实验报告，平台可自动批阅或教师手动批阅，最后教师发布成绩并将问题反馈给学生。主要功能如图2。

图2 交互性操作功能

2 电子技术虚拟仿真实验教学设计

2.1 实验教学内容设计

电子技术实验是我校机械设计制造及自动化、农业机械化与自动化和车辆工程专业课程教学中的一个重要环节，在实验内容设计方面旨在提高实验设计的灵活性、学生选择自主性与创新性、实验结果准确性与规范性要求，使其达到理想化的教学效果[12]。具体内容如表1。

表1 实验内容及学时安排

2.2 实验教学过程设计

教师采用教问式、互动式、任务驱动式的引导教学方法，构建课前、课中、课后过程性评价体系，全面地考查学生对知识的理解、掌握程度以及灵活运用知识解决问题的能力。具体有课前准备：老师发布任务单、准备教学资源、学生预习了解实验任务及相关原理知识等；课中实践：老师讲解实验原理、老师答疑讨论和学生设计方案完成仿真操作任务等；课后总结：学生总结分析实验结果，提交实验报告、老师评定并总结反馈等。

2.3 实验方法

如图3，实验分为设备认知、原理分析、电路模块设计、综合仿真运行四个模块，考查四个层次的能力，先后有机衔接，进行层次化、模块化实验教学，构建课前、课中、课后过程性评价体系，全面考查学生对知识的理解、掌握程度以及灵活运用知识解决问题的能力。

图3 实验方法

3 课程评价与改革成效

3.1 课程评价

在实验教学实践过程中不断地改进考核方式，增加过程性考核的占比，逐步构建完善的课前、课中、课后过程性评价体系，全面的考查学生对知识的理解、掌握程度以及灵活运用知识解决问题的能力。具体用完成度考核（占比40%）、实验结果考核（占比60%）两种形式进行考核。

（1）完成度考核：主要考核学生对实验各个环节任务的完成情况，具体包括理论知识及元器件的预习、组成实验电路设计方案合理性与正确性、团队协作及完成进度的考核。

（2）实验结果考核：主要包括学生在进行模拟运行实验过程的电路的搭建与仿真结果，对实验数据的获取、记录与分析，实验报告的撰写等实验结果的完整性考核。

3.2 改革成效

经过电子技术虚拟实验项目的实施，课程教学取得了良好的效果，集中体现在学生层面和教师层面。

（1）学生层面。相比于传统线下实验，学生普遍对新的在线虚拟仿真实验教学更感兴趣，虚拟仿真实验教学在时间与空间上更自由，学生能够在虚拟环境中自由设计并验证实现自己的思路，而不用担心实验过程中由于失误造成仪器设备损坏。虚拟仿真实验教学使学生的实践能力和创新意识有了显著的提升，取得了良好的效果[13]。图4 为17 机制2 班48 人的线下实验与18 机制2 班54 人线上虚拟仿真实验的各分数段成绩对比。分析图4 可知，虚拟仿真实验平均成绩比线下平均实验成绩高了5.86 分，80 分以上的学生比例提高了近26%。

图4 线下实验与线上虚拟仿真实验各分数段成绩对比

（2）教师层面。教学模式和组织设计具有一定的科学合理性，很大程度上减少了师资投入，实践教学效果良好。虚拟仿真实验教学解决了传统线下实验由于仪器设备的欠缺而无法完成一些实验内容以及只靠教师口头讲解的问题，在教学过程中教师的教学任务得到明显减轻，授课效率明显提高。新的教学模式以学生为中心，受到学校督导及教师的广泛好评。

4 结语

在我国新冠肺炎疫情进入常态化防控过程中，新的实验教学理念也发生了很大转变，在电子技术实验教学模式的探索与实践过程中，应当重视传统实验与现代信息手段的结合，进行理论教学改革的同时，在实验教学内容、教学方式与手段等方面也要做积极探索，构筑全方位多视角的实验教学模式。虚拟仿真实验教学模式作为特殊时期出现的特殊实验教学模式，引入了大量的新技术、新概念和新方法，需要教师在实践探索中充分利用网络资源，不断丰富与改进教学内容与方法，真正实现从“教学实验”向“实验教学”的转变[14,15]。