基于“虚实结合”的电路实验混合式教学探索与实践

邓炯 何伟强 卫树花

摘 要：随着信息技术和网络技术的发展，实验教学中的虚实结合混合式教学模式正逐渐成为高校教学的改革新方向。为解决传统电路实验课堂中存在的缺少创新、形式单一、受时空限制大等问题，引入虚拟仿真实验开展虚实结合的线上线下混合式教学。构建仿真实验项目，思考线上线下互补融合的方式提升教学质量。从课前、课中、课后三个方面考察学生的学习效果，实现课程考核的多元化和过程化。通过实践，该模式能有效增强学生的学习内驱力和实践创新能力。

关键词：虚实结合 仿真实验 混合式教学 电路实验

1 引言

“电路实验”是为智能控制技术专业学生开设的一年级专业必修实验课程，课程目的是提高学生基础实验技能、培养学生创新能力和发展学科素养。传统实验教学模式虽然能提供真实的操作体验，但也存在诸多弊端，比如，验证性实验多，设计类实验少，学生缺乏创新启发环境; 考核方式往往以实验报告为准，形式单一化;学生人数多，课堂上教师难以顾及每位学生; 学生实操受设备、时间和空间的限制多。随着仿真技术和信息技术发展，融合线上线下优势的混合式实验教学正在迅速发展，逐步改变传统的实验教学模式。“电路实验”课程引入混合式教学，建设线上课程资源、开展仿真实验教学、促进线上线下互补融合的教学模式成为高校开展电路实验教学的优选选项，借此介绍虚实结合的混合式实验教学实践，以期为相关实验课程建设提供借鉴。

2 虚实融合的实验项目构建

如何实现传统实验和仿真实验的良性互补、提高实验教学质量，首要任务就是开发适合的实验项目，这是电路实验课程建设最基本的问题，概况为以下四种。

第一种是课前预备实验项目。利用仿真技术不受时空限制的特点，课前由学生自主完成一些仿真预备小实验，帮助学生掌握基本实验技能、加深对电路基本原理的理解，从而保证线下实验室教学的效率。

第二种是虚实结合的实验项目。首先使用虚拟实验方式，让学生了解实验的基本原理和流程，然后再通过实操实验进行验证。通过实操实验和仿真实验的对比，增强学生对实验内容和其中的理论知识的理解。

第三种是单独的仿真实验项目。学校实验室不具备开展一些实验的条件，此类实验采用仿真实验替代。由于仿真实验的设备不受限制，也不用考虑安全原因，所以能实现的实验项目非常丰富。

第四种是利用仿真平台开发的设计类项目。首先由教师提出问题，然后学生自行设计实验方案和步骤解决问题。通过学生主动性的参与，培养学生的实践动手能力和工程创新能力。

课程的仿真平台采用Multisim软件。它是由美国NI公司开发的一种电路设计和分析工具。Multisim具有简洁的页面，提供大量的元件和设备库，用户可以方便的在计算机上创建、模拟和分析各类电路。该平台还包含了各种模拟器和分析工具，可以帮助学生更好地理解电路的行为，并快速有效地进行实验验证。

实操平台采用DVCC电工试验箱，箱内集成各类电路基础元件和仪表，学生可通过面板上的插孔进行接线，并开展相关实验测量。试验箱共提供29个验证性实验项目，试验箱见图1。

最后综合考虑学校硬件条件和课时情况，设置电路课程开展的实验项目见表1：

3 在线课程建设

选择一个好的网络教学平台和建设丰富的教学资源对于开展混合式教学非常重要。电路实验课程选择超星学习平台，其优势在于全面性和细致性，包括各种教学资源的覆盖率和完整度，以及对于教学信息具有强大的统计反馈能力。学校电路实验在线课程从2022年开始建课，每年春季开课，已开课2个学习，累计选课600多人，累计学习次数2万多次。课程按照一个实验一个章节方式设置，每个实验包括预习、指导书、课件、视频、仿真教学、预习测试等内容。课程配套资料包括电路基本知识、仿真软件、电路常用仪表、元器件的介绍和教学视频、文档等。

4 混合式教学设计

随着信息技术不断发展，混合式教学已经成为现代教育的趋势之一。课前利用线上平台可以方便的对学生预习活动进行组织和跟踪。课中会有更多的时间能用于灵活多样的参与式学习，充分提高学生的积极性和思政素养。课后利用作业和讨论检验学生的兴趣度、知识掌握、价值形成等综合情况。通过引导启发式的线上线下相结合的授课方式，采取预习任务、小组交流互动等活动，以及利用线上和线下资源进行教学优化设计，从而提高学生的学习效果和提升他们的自主学习能力。最终实现课堂教学“以教师为中心”到“以学生为中心”的转变。具体教学模式见图2。

4.1 线上课前预习

预习由学生自主在线上完成。首先由教師制作预习课件、任务单等资料或推荐的优质MOOC资源给学生学习。然后学生在学习的基础上，按照任务单给出的步骤完成预备实验和虚实结合实验的仿真，通过预习，学生可以建立感性认识，对实验电路构造和原理进行了解，对实验中可能产生的问题有所准备。最后教师针对实验内容设置问题供学生思考和讨论，提高学生的思维能力和自主学习能力。同时，教师可以通过后台监控功能，实时查看学生预习情况，根据情况给出相应分数，作为实验成绩的一部分。

其中课前的预备实验项目是电路实验课的重要特色，起到帮助学生增强实验技能、提高线下实验效率的作用。例如在线下KCL、KVL的验证实验中，需要用万用表测量电路支路的电流、元件上的电压，所以课前预习中，专门配套设计万用表使用的仿真实验，其仿真图如图2所示。让学生使用Multisim软件，采用万用表与电阻串联和并联两种接线方式，然后测量电阻里的电流，并通过与理论值做比较，判断测电流时采用哪一种接线方式才正确。通过该课前仿真小实验，帮助学生属性万用表的功能，又掌握了测电流时正确的接线方法。

4.2 线下实操教学

传统实验教学模式下，教师需要对实验原理、实验器材、操作步骤等多项内容做详细的讲解，对一些复杂的操作还需要手把手的指导学生。在有限的课时内，很难照顾到学生的自主学习能力和综合应用能力的培养。而混合式模式中，学生通过课前预习已经对实验设备、元件、操作方法和注意事项有了一定了解，所以在实际操作时，教师可以直入主题，把更多的精力投放到实验要点、学生课前预习中反映出的突出问题上。

课堂实际操作中，按照内容导向、任务驱动教学模式，设计符合专业特色及培养需求的教学标准和教学资源，实现“教、学、做”一体化的课堂教学。具体步骤如下：（1）教师首先提出问题。问题可以是预习中学生的疑问，也可以是本次实验中特别要注意的难题。通过问题引导学生在实验中探索，提高学生的专注力。例如“戴维宁定理验证实验”中，可以提问“用开路电压、短路电流法测量等效电阻时，开路电压、短路电流是否可以同時进行测量？”，然后引导学生通过实验来判断问题的答案。（2）教师简短讲解实验注意事项后，由学生自主完成实验，教师在旁边有针对性的个别指导。（3）实验过程中，教师还可以进一步提出问题，让学生边操作边思考，从而加深学生对实验电路的理解。例如测电压时，提出问题“如果电压表极性接反了，测量结果会怎么变化？”。（4）实验结束后，对知识点进行总结，并对疑难问题和学生探讨，加深学生对实验理解的深度。

4.3 线上课后扩展

课后学生利用当次课掌握的知识，进一步完成扩展实验，加强应用能力。例如在“基尔霍夫定律实验”后，学习通平台放出“电路故障分析实验1”，要求学生通过测量判断多盏串联的小灯中的哪盏坏了，是短路故障还是开路故障。又如在“电阻的串联、并联和混联实验”后，学习通平台配套安排“电路故障分析实验2”，给出测量电路的正常电阻，然后要求学生实际测量，当测量电阻比正常电阻大或小时，要求学生判断发生了何种故障。在以上实验中，当学生用所学知识正确判断后，能极大的获得成就感，从而提高进一步提高他们对电路课程的热爱。

最后，学生完成课后习题，并把实验报告上传学习通，同时在讨论区回答教师提出的问题或自行发起讨论。通过实验报告的撰写等来培养学生实验操作能力、综合分析问题和解决问题的能力，让学生在专业技能上得到初步的训练。

5 考核评价

电路实验课程的成绩包括学习通课前和课后综合成绩、实验实操成绩、实验报告成绩三部分。占比分别是40%、30%、30%。其中学习通成绩由学习通自动统计功能确定，统计内容包括视频和文档的观看情况、任务点的完成情况、预习测试结果、课后测试结果、讨论区表现等。相比传统的考核方式，混合式教学模式更注重过程性考核、多元化评价。

6 结论

充分利用现代信息技术，打造“线上线下、虚实互补、深度融合”的电路实验课程，这是时代对电路实验课程发展提出的要求。课程精心设计课前预习实验、虚实结合实验、课后扩展实验，采用项目式、问题导向式的方法开展电路实验教学。实践证明，这种教学模式能有效提高学生的学习积极性，能够通过丰富的虚实实验帮助学生深入理解电路知识、提高课堂效率，实现学生自学能力和创新能力的双提升。同时，利用线上平台，可改变传统实验课程单一的考核方式，实现考核的过程性和多元化，为教学效果提供更准确的评估，帮助今后的实验课程做优化改善。

基金项目：2021年度广西大学行健文理学院教育教学改革工程项目（Y2021JG12）。

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