開放式虛實結合的實驗教學模式的研究與探索

張靜?肖明

摘要：創新應用型人才的培養為實驗教學的深化與改革提出了新命題，構建開放式虛實結合實驗教學模式是一種有效的解決方案。以“傳感器技術與應用”為例，整合和優化實驗教學內容，構建開放式網絡實驗環境，建立“科研融入教學”等課外科技實踐機制，開展研討式、啟發式、探討式的實驗教學方式，形成了適應時代需求的實驗教學體系。實踐證明，該實驗教學改革培養了學生的工程實踐能力和創新精神，取得顯著的成效。

關鍵詞：實驗教學；創新應用型人才；開放式實驗；虛擬實驗；教學改革

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）36-0176-02

隨著我國建設“產業信息化”和“信息產業化”強國戰略的提出，培養滿足電子信息類產業發展需求的創新應用型人才已成為高校人才培養的重要目標之一。[1]實驗教學是高校教學的關鍵環節，是培養學生實踐能力、開拓創新意識和提升綜合素質的重要途徑。因此，深化實驗教學改革和提高實驗教學質量成為當前高校教學改革的重要任務。[2]目前，高校的實驗教學已難以滿足學科發展所需，開放式實驗模式、虛擬實驗等均是有效的解決方法。

“傳感器技術及應用”是一門既注重理論更注重實踐的課程，實驗教學是幫助學生理解原理、加深認識以達到學以致用的必要途徑。[3]但由于傳感器類型眾多、更新較快，因此建立完備的實驗環境是比較困難的。我系基于培養創新應用型人才的指導思想，結合課程的具體內容，提出開放式虛實結合的實驗教學體系。經過一系列教學改革與實踐，現已初見成效。

一、開放式虛實結合的實驗教學模式的提出

虛擬實驗是指綜合運用多媒體技術、計算機網絡、虛擬現實、計算機仿真軟件等產生和發展的一種新的實驗教學形式，不同于傳統實驗的教學方式和技術手段，通過軟件模擬技術來達到真實實驗的效果。[4]它既能解決實驗設備不足和價格昂貴的問題，又不受時間和地點的限制，還可為網絡教育和遠程教育提供支撐。但虛擬實驗也有不足之處，如不能完全反映實物實驗所面臨的環境影響，實驗步驟無法完全和現實細節一一對應等。[5]實物實驗有利于培養學生解決實際問題和動手操作能力。開放式實驗教學模式，是指實驗時間、空間、內容、手段及教學方法等都是開放的，[1]學生還可根據自己的能力和愛好，選擇相應的實驗項目，也可將自己的創意帶入實驗。

“傳感器技術及應用”實驗課分為兩大類：基礎實驗和課程設計。目前，實驗教學存在如下問題：

作為一門專業課程的實驗，教學定位未得到充分重視。傳統觀念上，實驗教學依賴于理論教學，學生參與自主度不高，實驗教學過程基本固定，從而導致學生漠視實驗課程，如不認真預習實驗，機械地按照教師講解或實驗教材上的實驗步驟完成，甚至部分學生抄襲實驗數據。[6]實驗教學已不能滿足高素質的應用型人才的培養需求。

傳統的實驗教學受到許多限制，如實驗場地、時間；實驗設備陳舊、數量有限，許多先進的新型傳感器無法及時更新；檢測系統的實現難度大等問題。虛擬實驗的開設不僅能彌補實物實驗的上述不足，還將對現有的實驗提供有力的補充。由于電子和計算機技術的高速發展，基于虛擬儀器的現代檢測系統設計應運而生，在課程設計中引入虛擬儀器Labview具有重要意義。

現有不少文獻[5-9]提及虛擬實驗在各個課程的實施案例，也有部分提出虛實結合的方案，但極少從分析具體的教學內容，以培養學生的實驗設計和動手操作能力為出發點，從虛擬實驗和實物實驗的有機結合這一方面進行論述。

針對上述問題，以“傳感器技術及應用”課程為例，我系進行了開放式虛實結合實驗教學模式的探析。

二、以“傳感器技術與應用”為例的應用探索

1.整合和優化實驗內容，建立“逐層深入，虛實結合”的資源體系。

我系在“重構合理的知識體系，鍛煉專業技能和培養綜合素質”的教學理念指導下，結合教學內容，對傳統的實驗教學體系進行梳理、整合，發揮實物實驗和虛擬實驗各自的優勢，虛實結合，各取所長，各補其短，建立以培養學生應用能力和創新能力為核心的“逐層深入，虛實結合”的實驗教學資源，“逐層深入”是指基礎型、綜合設計型（課程設計）和研究創新型三個層次的實驗群逐層遞進。實驗教學體系如圖1所示。

其中，大部分基礎驗證型實驗改為虛擬實驗的形式。這類實驗重點在于加深學生對理論知識的理解，加強基本技能的鍛煉。采用虛擬實驗的形式，方便學生進行課前預習、課后復習，減少設備的損耗，而且利用課程網站，便于實行遠程式、個性化教學。學生不僅能自由安排自己的實驗時間，重點攻克自己的學習難點，還能按照自己的進度，自主地選擇所需的實驗內容。[3]隨著現代測量技術的飛速發展，虛擬儀器在智能化程度、處理能力、性價比及可操作性等方面具有明顯的技術優勢，在檢測系統設計的實驗教學中備受關注。[10]因此，將虛擬儀器Labview引入了設計型實驗，結合真實電路完成系統設計。Labview幫助學生更易于完成較復雜的實驗設計，而真實的傳感器、數據采集電路的設計更好地培養學生全面動手操作的能力，“虛實結合”的方式更好地提高學生全方位的綜合應用能力。

2.以課程網站為載體，構建開放式網絡實驗環境。

為了更好地實施開放式實驗教學，利用課程網站為載體，采用多媒體、計算機編程技術等，構建開放式網絡實驗環境。實驗環境結構如圖2所示，主要分為虛擬實驗室、實驗輔助模塊、成果展示模塊等三大模塊。其中：在虛擬實驗室模塊中發布豐富的虛擬實驗資源，支持學生進行在線的基礎型實驗。利用Flash與Visio C++兩種技術，開發所占空間小且功能強大的虛擬實驗室。虛擬實驗室不僅為學生的課前預習和課后復習提供便利，還可用于課程教學演示。虛擬實驗降低學生對硬件實驗的畏難情緒，不受硬件設備的限制，增強了趣味性，提高了學生的自信心。實驗輔助模塊發布實驗項目指南、時間安排表、背景知識等資源，為開放式實驗提供信息交互的服務。輔助模塊激發學生自主學習的熱情，提高設計分析能力。在成果展示模塊中展示往屆學生的優秀作品，使學生充滿成就感，鼓勵學生不拘泥于既有的實驗方案，發揮創新能力。

開放式的網絡實驗環境使學生參與整個實驗過程，包括實驗準備、實驗復習等。學生還可根據實驗需求和個人的學習情況，自由選擇實驗內容，鼓勵學生“百花齊放”地設計實驗方案，獲得良好的實驗效果。

3.實時更新實驗內容，建立“科研融入教學”等課外科技實踐機制

在研究、創新型實驗的內容設置中，融入教師的科研項目，開設相關的課題，引導并組織部分學生參加。由于這類課題有一定的難度，學生對其中的技術和內容比較陌生，教師除了明確課題目標、待解決的問題和關鍵點，還需要預測學生在實驗中易出現的問題，以及解決方案。[11]所以教師要充分關注實驗過程，開展定期的檢查工作。這類課題促使學生由單元設計向系統設計過渡，掌握傳感器、虛擬儀器、電子電路和檢測系統設計等技能，培養學生初步的科研能力。

此外，根據學生的興趣實施因材施教，積極引導學生參與競賽項目，如虛擬儀器設計大賽等，培養高素質的創新型拔尖人才。

4.開展研討式、啟發式、探討式的實驗教學方式

針對當前的“教師講，學生做”的被動型教學方式，在設計型實驗中，我們采用研討式、啟發式、探討式的教學方式。轉變學生的消極學習方式，構建開放的學習環境，創造學生主動參與、自主協作、探索創新的新型教學方式，[12]激發學生的探索創新，加強學生獨立操作、思考分析和相互協作的能力。

通過發布實驗項目指南代替實驗指導書，項目指南提供實驗內容和參考資料，而非具體的方案和詳細的實驗步驟，實現“以教師為引導，學生為主體”。[13]每3名學生組成學習小組，自主選擇課題，查找資料確定方案交由教師審核，包括完整的電路圖、設計計算、仿真結果等。教師參與小組討論和提供指導。項目完成后，以小組為單位進行匯報。實驗評價分三部分：教師評價、學生自評、組內互評?？傮w評價除了注重實驗設計、實驗過程、問題的解決方案和實驗成果外，還要關注協作能力和個體發展等，避免以往實驗成績單靠實驗報告“一刀切”的評價方式。

三、開放式虛實結合的實驗教學模式的評估

該實驗教學模式在我校電子信息工程系08級、09級學生中試行。學生先后完成了基礎型虛擬實驗和基于Labview的設計型實驗。

1.實驗完成情況

從實驗完成情況分析，虛擬實驗便于學生隨時隨地自主學習和復習，基礎知識點掌握較扎實?！疤搶嵔Y合”的設計型實驗拓撲圖的復雜性也遠遠大于實物實驗的設計。

2.問卷調查結果

為了客觀評價該實驗教學模式和進一步完善，進行學生的問卷調查，具體回收情況如表1所示。問卷包括10道題目，其中7個多選題和3個開放型問答題，內容包括學生對實驗模式的認可程度、教學效果評價以及實驗方式選用情況等方面。具體問卷調查結果如表2所示。

實驗方式的認可度和教學效果均超過4分，說明大多數學生對實驗方式的評價較高。不少學生認為，虛實結合的實驗方式能更深入地了解實驗過程，掌握相關知識，彌補實物實驗不足。實驗時間與地點靈活，結合網站，實現遠程學習?；A型和設計型實驗的采用率均高于90%，越來越多的學生肯定了該實驗模式的必要性。

3.學習情況跟蹤

實驗模式的改革極大地提高了學生的學習興趣。在畢業設計選題中，選擇與該課程相關題目的學生數量大幅度增加，去年達到了30%。同時，實驗模式的改革極大地提升了學生的應用能力。不少學生在學科競賽中取得不錯的成績。部分學生反映，課程改革對其深造和就業有著積極意義。

四、結論

我系以“傳感器技術及應用”為例，從教學資源、實驗環境、課外實踐、教學方式等方面改革，構建開放式虛實結合實驗教學模式。不僅實現了應用型人才全方位的培養，而且激發了學生的主觀能動性與創造性思維。此外，該教學模式的研究對提高實驗教學質量有積極作用，對實驗教學體系和方法均有借鑒與思考意義。

參考文獻：

[1]梁麗.構建分層次實驗教學體系 培養創新型人才[J].實驗室研究與探索，2014，33（1）.

[2]易紅.高校實驗教學與創新人才培養[J].實驗室研究與探索，2008，27（2）.

[3]王姣，張學軍.虛擬實驗與真實實驗的比較研究——以“網絡基礎及應用”實驗教學為例[J].中國遠程教育，2013，（9）.

[4]杜鵬英，任國海，江皓，等.虛實結合的開放式信電類實驗教學模式研究與探索[J].教育教學論壇，2013，（38）.

[5]陶勁松，張淑娟，文習山，等.虛實結合實驗方法應用于高壓實驗教學[J].電氣電子教學學報，2014，36（1）.

[6]郝軍華，王云峰，陳宜生.基于LabVIEW開展虛擬物理實驗教學模式探析[J].實驗室科學，2014，17（1）.

[7]解源，陳雪梅，王國玲，等.“傳感器與檢測技術”實驗平臺的創建與應用[J].集美大學學報，2009，10（4）.

[8]盛蘇英.開放式虛實結合實驗教學探索與實踐[J].實驗科學與技術，2014，12（1）.

[9]羅朝明，吳祥營，陶揚威，等.虛擬實驗在《信號與系統》教學中的應用[J].電子技術，2014，（1）.

[10]戴洪德，孫玉玉，吳曉男，等.虛擬儀器在飛機儀表實驗教學中的應用探索[J].儀表技術，2014，（3）.

[11]何小溪，仲偉峰，周威.創新人才培養實踐教學體系的探索與構建[J].黑龍江教育，2014，（1）.

[12]張冬至，劉潤華，王平，等.電類課程研究型教學模式與學生創新能力培養研究[J].實驗技術與管理，2014，31（3）.

[13]趙方，蘇詠梅.基于CDIO的高職電子專業項目化教學探索與實踐[J].教育與職業，2014，（24）.

（責任編輯：劉翠枝）