基于三学期教学改革的多模式虚拟仿真实验平台的构建
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作者:张姗姗 信海辉 谭克俊 吕锐武
摘要：三学期的教学改革锻炼提升了学生的自学能力和学习效率，实验教学在改革中得到重视，在教学中加大了实验课时。虚拟仿真实验教学平台的构建，作为传统模式实验教学的补充，辅助实现了学生课外的直观形象的预习、操作，节省了课时内的操作时间，有效地提高了教学质量和仪器的使用效率。虚拟仿真平台和“雨课堂”的结合，跟实际操作实验教学相辅相成，丰富了教学内容，满足了创新型人才的培养需求。
关键词：三学期;虚拟仿真;实验教学;多模式
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2020）11-0391-02
2018年9月，教育部《关于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知》要求各高校全面梳理各门课程的教学内容，淘汰“水课”、打造“金课”。慕课、开放课等构成金课体系;线下金课、线上金课、线上线下混合式金课、虚拟仿真金课、社会实践金课构成五大金课类型。可见，金课体系是建立在教育信息化的基础上的，而实验课的高水平金课离不开虚拟仿真实验平台的建设。
“中国制造2025”是我国政府实施强国战略的第一个十年行动纲领。电子技术是工业制造2025不可或缺的基础课程，是学生迈向电子世界的一道门槛。我们在实验教学中，设计、制作仿真实训软件;在教学科研中，设计、创造新的虚实结合实验装备，实现用现代信息技术改造传统实验模式。
一、三学期教改中实验教学现状
为了促使教学内容得到精简，寻求更适合的教学模式，并锻炼提升学生的自学能力和学习效率，我院进行了三学期制的教学改革。在改革中，增加实验课的课时，集中实践类课程的上课时间，以便提高资源的利用率。
传统的实验教学模式，学生只能根据电路原理图和文字进行预习，无法想象实际的实验操作。进入实验室后，大量的时间用于对仪器的熟悉对实验线路的连接，整个实验过程就是机械性的积木堆叠的过程。由于操作不熟练造成的过流过压等现象，使仪器设备损坏率较高。实验结束后，对实验的现象分析等也都是凭借回忆想象来完成的。这让实验教学很难达到对理论知识进一步巩固理解的目的。
三学期教学改革后实验学时的集中，同一时段上课的学生人数骤增，实验台套数设备的短暂紧缺，损坏的仪器无法及时维修，这大大降低了教学质量。学生走马观花式地完成实验，无法系统了解各实验的原理。传统实验教学模式存在的问题日益突出。
虚拟仿真实验平台，可以让学生随时随地学习了解实验内容，能够更加直观地视觉化立体化地掌握所学知识。利用虚拟仿真实验平台预习巩固与真实操作相结合，多模式融合进行教学，开创教改新方向。
二、虚拟仿真实验平台的构建
电工电子国家级示范实验中心网站，始建于2011年。网站承载着实验教学视频的查阅、授课信息的发布、课程设置的公布以及新闻动态的发布等功能。同时，网站设置登录窗口，与实验室管理系统相连接，方便学生实验课程的查阅与开放实验室的管理。
虚拟仿真实验平台作为传统实验教学的辅助手段，依托实验中心的网站，主要从以下几个方面进行构建。
1.仪器的使用说明。虚拟仿真项目中，仿真界面和常用的仪器设备真实的面板一样。通过三维立体的展示与操作，让学生熟悉设备使用中的前后顺序，以及各种现象结果。同时，设置考核点，对使用操作进行验证，操作失误后出现危险警示画面，达到熟悉仪器设备的目的。减少因对设备的不熟悉造成的时间浪费，降低不正当操作引起的失误，从而提高仪器设备的安全使用率。
针对不同的仪器设备，设立单独的虚拟三维立体仿真项目。每个仪器可通过二维码标识等与虚拟仿真实验平台相连接，学生在课前预习时可通过中心网站进行学习，进入实验室后，可通过扫码得到小视频，联系实际操作，更深入熟悉仪器的使用。
2.实验项目的虚拟仿真。通过虚拟仿真，将实验课程中所用的实验箱面板进行复现，针对每一个实验内容，先进行视频微课讲解，然后，学生可在虚拟仿真平台中自己连线搭建电路，连线正确后测出该线路下的实验结果，连线错误给予提示敦促改正。最后，学生进入实验室进行实际操作，基于之前的仿真练习节省了课堂时间，使实际操作的效率大大提高，验证基本功能后，学生可以根据自己对功能模块的理解，进行探索性设计性实验，深入理解所学内容。
3.实践实习的虚拟仿真。虚拟仿真实验平台，可以提供三维立体化的视觉与操作。将电子工艺实习，电子线路课程设计等课程的内容，通过虚拟仿真的方式展示出来，让学生更加直观立体地了解我要做什么，我该怎么做，做的过程中注意什么，操作失误后会出现什么样的危险，遇到危险后应该怎样处理等。将实验过程中的安全隐患以及可能对仪器设备进行的损坏提前指出。
4.虚拟仿真实验平台的硬件需求。电工电子实验中心的网站有自己专属的服务器，能保证一个行政班的学生同时在线学习。随着各仿真实验项目的完善，学生对虚拟仿真实验平台的日常化使用频率提高，同时在线的学生人数会有所增加。当服务器接近满负荷时，会提前给出预警提示，我们可以再增加服务器，对后台进行扩容，保证虚拟仿真平台的顺利使用。
虚拟仿真实验平台的建立，可以达到无疲劳指导，用人工智能技术解放实验指导教师;无纸化办公，物联网大数据实现电子实验报告，公平公正;无时空限制，互联网让实验无处不在无时不在;无障碍实验，三维可视化虚拟现实技术让实验不再陌生。
三、多模式融合的实验教学
虚拟仿真实验平台的使用，可以有效提高现场实验操作的效率。学生对实验内容的掌握也可以借助“雨课堂”来进行考核。通过“雨课堂”，教师将线上与线下、虚拟与现实的学习方式有效整合，巧妙地安排课堂内的教学活动，合理地将一些考核等教学活动安排在课堂外，使得教学设计更加开放机动。学生的学习自主性被极大激发，有助于打造“以学生为中心”的课堂，实现价值塑造、能力培养、知识传授“三位一体”的教育。课前预习+仿真练习+实时课堂+课后考卷全程教学活动的数据采集，帮助教师教学从经验主义向数据主义转换，以全周期、全程的量化数据辅助教师判断分析学生学习情况，以便调整教学进度和教学节奏，做到教学过程可视可控。虚拟仿真实验平台与“雨课堂”的组合使用，作为实际现场实验授课的辅助与补充手段，灵活的授课方式，让师生教学融合更紧密，教学相长。
四、总结
三学期的教学改革，给学生带来了更多自主学习的机会，教学内容为顺应其发展应及时调整。实验是检验学习的必经途径，真正的动手能力与技能必须在现实情境中获得，把虚拟仿真实验作为传统实验教学的完善与补充，更大限度地扩展了实验教学的时间和空间。虚拟仿真实验教学平台，将计算机技术、网络技术和虚拟仿真等技术有机融合为一体，在三学期的教学改革中添砖助力，为实验教学提供了实验教学环境、实验设备和信息资源等各项虚拟仿真服务。我们要结合先进的多媒体技术，将多种方式相结合，把电工电子实验中心网站体系建成具有学科特色的教学与管理一体化的虚拟仿真实验教学平台。
参考文献：
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[3]屈泳，阮小军，王三华.计算机硬件虚拟仿真实验平台的建设与设计[J].实验室研究与探索，2018，（12）：116-118.
[4]學堂在线推出智慧教学工具——雨课堂.[2016-06-28].
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