基于虚拟仿真实验教学平台，开展参与式教学
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作者:张琥石 陈妮 梁妮 林伟龙 覃茂昌 何婷婷
摘要：随着“互联网+”时代的到来，“虚拟仿真实验教学平台”逐渐走进人们的视野。虚拟仿真实验成本低廉，表现形式丰富，形式活泼，学生不在实验室也可以进行实验课的学习。本文介绍了在“电路制作实训”课程中，依托虚拟仿真实验教学平台，开展参与式教学的教学模式设计。该教学模式将一节实验课分为课前、课中、课后三个模块，依托虚拟仿真实验，构建“课前预习”“课堂教学”与“课后复习”三位一体的教学模式，打破时间与空间的限制，拓展学生学习的深度与广度。将此种教学模式应用于实践后发现，该教学方法显著提升了教学效果与学生课堂满意度。
关键词：虚拟仿真实验教学平台；参与式教学；电路制作实训；实验课程建设
1 研究背景
“电路制作实训”为生物医学工程专业于2013年开设至今的一门实训课程，授课对象为大一上学期的新生。此门课程为实训课，36课时全部为实验课，教师每节课布置一个实训项目，学生用8个学时的时间亲自动手完成。旨在使学生通过完成实训项目，掌握电路焊接的基本技巧以及常用电路元器件的识别方法，这些技能可以称得上生工专业的“看家本领”，因此，学生对该门课程知识的掌握程度不仅会直接影响后续课程的学习，还会对学生今后的就业和工作产生重要影响。
然而在实际教学中，却存在以下几点问题：
（1）传统教授方式不能满足课程实际需求。现阶段“电路制作实训”课程的授课方式仍以传统的教师授课为主，结合板书与PPT。而实训课有大量操作内容，传统的授课方式不能很好地重现这些操作步骤，学生理解困难
（2）实验所用元件细小，学生难于观察，老师难于展示。实训课用到的各类电子元件大部分体积都很小，当面对一个50名学生的自然班时，老师用传统的教学方法很难将微小元件的结构展示给全部同学，而学生很难清晰地进行观察与学习。
（3）学生基础薄弱，理解困难。授课对象是大一新生，这些新生刚刚步入大学校门，还不适应大学的生活和学习，对于实训课这种全新教学模式感到不适应。
（4）学生难以开展预习。实训课全部n时都为实训课，需要在实验室展开实操，而实验室只在上课时才开放，学生离开实验室就很难开展预习活动。以上这些问题直接影响了本门课程的教学效果与学生对于知识点的理解。
随着“互联网+”时代的到来，“虚拟仿真实验”走进我们的视野，虚拟仿真实验是指利用计算机系统，依托计算机软件和硬件，通过多种虚拟仿真技术模拟真实的实验环境，让操作者能够在虚拟的环境中以接近真实的感受完成预定的实验项目［1］，它是虚拟仿真技术应用到实验教学的重要表现。虚拟仿真实验具有成本低廉、可集成多种多媒体技术、表现能力强、能激发学生学习的兴趣［2］的优势，同时学生不在实验室也可以进行实验课的操作练习，极大地拓展了课程的深度与广度，是线下实验的有力补充［3］。
基于虚拟仿真实验的特点与优势，我们可以将虚拟仿真实验平台运用于“电路制作实训”课程的日常教学中，让学生即使不在实验室也可以开展学习，也可以利用碎片时间进行自主学习，激发学生的学习兴趣，解决目前教学中出现的问题。
2 平台介绍
我们使用Flash语言编写虚拟仿真实验教学平台，运用2D动画来展示实验过程，采用B/S架构，具有跨平台部署能力，学生无论是用电脑、平板，还是手机，只要打开浏览器就可登录本平台，进而开展线上学习。
我们筛选“电路制作实训”课程中适用于开展虚拟仿真教学的知识点，设置四个虚拟仿真项目，分别是电子门铃、电源的使用、信号发生器的使用和示波器的使用。虚拟仿真项目涵盖以下四个知识点：焊接的基本原理、常用元器件的识别、焊接技巧、常用元器件的工作原理。通过完成虚拟仿真实验，学生可以将碎片化的电子信息知识连接起来，构建相对完善的电子理论体系。
在虚拟仿真实验项目的设置上，我们每个仪器都设置了一个小场景，比如示波器，我们虚拟一个用示波器测正弦波的小实验，学生通过点击鼠标代替手指调整示波器的按键，随着调整，显示屏上的波形也会随之变化，最终得到一个清晰完整的波形，完成这个虚拟实验。通过这个实验了解示波器的工作原理、各按键的作用，以及操作的注意事项。
电路焊接是电子类专业学生的一项基本功，其原理是通过电烙铁融化焊锡。学生根据电路图，将电路板上相应的元器件用焊锡连接起来，焊接时一手拿电烙铁，一手拿焊锡，将焊锡融化到焊盘上。
以电子门铃实验为例，介绍本虚拟仿真教学平台。此实验包括了元件识别与使用、原理介绍和虚拟实验平台三大模块，集课程讲授与模拟实验操作于一身。
此次虚拟仿真实验的流程图如图2所示。
在理论知识教学模块，学生先学习此次实验所用原件的工作原理，在该模块中，我们将此次实验所涉及的理论知识用微课、动画等多媒体形式生动地展示给学生，力求做到生动活泼，言简意赅，激发学生的学习兴趣，引导学生完成理论知识的学习。
在元件识别与使用模块，学习所用原件的识别方法与管脚功能，然后系统以选择题的形式给出多个选项，学生根据所学的知识从选项中选择正确的原件放入电路中。
进入虚拟实验模块，学生根据所学的知识从选项中选择正确的原件放入电路板中。此时与巩固模块交联，然后系统以选择题的形式给出多个选项，学生根据所学的知识从选项中选择正确的原件。
正确放置完元件后，进入下一个仿真项目。线下实验需要学生使用电烙铁和焊锡进行焊接。在本系统中学生可以用鼠标模拟电烙铁，在平台上对元器件进行焊接，焊接完成后系统会自动检测电路焊接是否正确。在遇到操作要点时，再次与巩固模块交联，系统会提出一些问题来检查学生对知识点的掌握程度。在系统的引导下，学生完成虚拟仿真实验操作，从而熟悉了实验的操作步骤以及知识点，为实际实验操作打好了基础。
最后，学生利用线上交流功能进行交流，向老师询问问题，帮助其他学生更快更好地掌握知识
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3 教学模式设计
引入虚拟仿真实验教学，开展参与式教学。虚拟仿真教学平台终究只是手段，目的是要把它运用到实际教学中，提升教学水平。本项目拟将依托虚拟仿真教学平台，开展参与式教学。具体实施方法如图7所示。
图7 教学模式设计示意图
在横向上，依托虚拟仿真实验教学平台，将一节实验课分为“课前模块”“课中模块”和“课后模块”三个模块。在纵向上，将传统的课堂教学与虚拟仿真实验教学平台相结合，开展参与式教学。
“课前模块”：把学生分为2～3人一组，引导学生利用虚拟仿真实验平台进行仿真实验操作与预习，通过虚拟实验了解此次实验的内容和知识点，同时激发学生的思考，利用碎片时间阅读参考资料，如有不明白的地方，可进行小组讨论或将疑问带入课堂。让学生提前对这节课要学的知识点进行思考，做到带着问题进入课堂。
“课中模块”：在参与式教学中，教师主要起引导作用，在上课前，先随机抽取两个组做PPT汇报，介绍自己的课前预习的心得与疑问，随后组织学生展开交流与讨论，强调实验重点。根据讨论的情况，找出学生在自学过程中遇到的问题，再有针对性地展开课程的讲授，使学生有针对性地进行实验操作，提升教学效果。
经过课前的独立学习及课中的反复学习巩固应用，学生会对电路制作实训的内容有一个整体性了解和掌握。学生“主动学习”为主，“被动接受”为辅；教师“引导教学”为主，“包揽教学”为辅，培养学生的主观能动性，提升学生习热情，为实际实验操作打下坚实基础。课后教学评价对教师的教学活动开展发挥着重要的导向作用，是促进课堂教学模式改革、提高课堂教学有效性的重要手段。
在课后，利用“课后模块”，布置课后作业进行复习，并提供学习素材帮助学生进行拓展学习。利用在线学习平台对学生的作业进行评分，并评估学生的学习情况。
通过这种教学，打破传统的“课上―课下”教学模式时间和空间上的限制，构筑“课前―课中―课后”三位一体的教学模式，做到课上课下相结合，线上线下相结合，虚拟和现实相结合，改变传统的以老师主讲的教学方式，充分利用线上资源实现多种教学方式相结合。
4 实施效果
选取“电子门铃”这节课开展教学实验，以20级生物医学工程专业的学生作为对照组，采用传统的教学方式进行教学。选取21级生物医学工程专业的学生作为观察组，组织他们使用虚拟仿真实验平台，依托此移动教学平台开展参与式教学。通过调查问卷以及课后作业成绩对比，比较两种教学方式的教学效果。
调查问卷主要包含“对本次课的教学方式满意程度”“对本节课知识的掌握程度”以及对“本次课的课堂氛围满意程度”，选项5分为最满意，1分为最不满意，以下为调查结果。
从上面的统计可以看出，观察组在三个调查中给出4分以上的人数比例增多，而2分以下的人数明显减少。因此我们可以得出结论，通过引入虚拟仿真在线教学平台，开展参与式教学，能够活跃课堂气氛，激发学生学习兴趣，使学生能更好地参与课堂活动，显著提升学生课堂满意度。
课堂教学完成后，给对照组和观察组的学生布置了同样的作业，通过对比作业的分数来比较两种教学方法下学生对知识的掌握程度。
从上表中可以看出，观察组的学生成绩比对照组的学生高出了6.8分。因此我们可以认为，通过开展参与式教学，学生能够更好地吸收和理解所教授的知识点，起到了提升课堂教学效果的作用。
结语
虚拟仿真实验教学平台提供了丰富的教学素材展示方式，对线下实验课是有力的补充。依托该平台，开展参与式教学，打破传统教学时间与空间上的限制，将课前预习、课堂学习、课后复习三个学习阶段整合成一个整体，构筑“课前―课中―课后”三位一体的教学模式，拓展了学习的深度与广度。经过实践后发现，较之传统的教学方法，该教学模式能显著提高学生的参与度与课堂满意度，提升教学效果，能够解决目前在“电路制作实训”课程教学中出现的实际问题，是一套行之可效的教学方法。
参考文献：
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基金项目：2020年广西医科大学教育教学改革项目（2020XJGB08）“基于FPGA技术的参与式教学在《数字电路与逻辑设计》课程中的应用”；2020年广西医科大学一流本科课程立项项目（2020YLKC84）“电路制作虚拟实验教学系统”
作者简介：张琥石（1986―），男，汉族，广西南宁人，硕士研究生，讲师，研究方向：IPV6c物联网应用。
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