電類基礎課程實驗教學“虛實結合”模式的構建

楊 建 良

(湖南第一師范學院，湖南 長沙 410205)

0 引 言

電類基礎課程實驗對于學生系統地掌握學科知識，培養學生實踐動手能力、創新能力和科學素質等方面具有不可替代的作用。然而受傳統實驗教學思想和教學模式的影響，加之實驗場地、設備的限制，電類基礎課程實驗教學在創新型、實用型人才培養方面其作用仍發揮不夠。虛擬實驗室等現代教學媒體的出現，給電類基礎課程實驗教學改革帶來了新的契機。更新教育觀念，將現代科技融入傳統實驗教學，用技術增強學習，已成為大多數人的共識。

1 傳統電類基礎課程實驗教學模式及其不足

電類基礎課程實驗教學是電子、信息、機械等專業理論教學的補充和延續，是溝通電類基礎課程理論與實踐的橋梁[1]。電類基礎課程實驗一般包括電路原理實驗、電工電子實驗及電類其它相關基礎課程實驗等。相對于電類基礎課程理論教學而言，電類基礎課程實驗教學更具有直觀性、實踐性、科研性、綜合性與創新性等特點，決定了它在培養學生實踐動手能力和綜合素質方面有其獨特作用。

然而，受行為主義及其教學理論的影響，傳統電類基礎課程實驗大多以驗證性實驗為主，這類實驗只重視學生的外顯行為，很少關注學生學習的內在規律，把學生當作一個“黑箱”。實驗時，教師先布置實驗任務，再進行實驗講解和實驗演示，最后讓學生仿照著做；而學生則在老師或實驗指導書的指導下機械式地接線、操作和使用儀器設備，讀取實驗數據，記錄實驗波形，完成實驗。傳統電類基礎課程實驗教學模式如圖1所示。

圖1 傳統電類基礎課程實驗教學模式

這種實驗教學模式的好處是有利于學生對知識的記憶及對相關結論的認可，也有利于教師對整個實驗過程的掌控，但由于其過分地強調實驗過程的“統一性”和實驗內容的“驗證性”，使實驗教學內容完全依附于理論教學[2]。造成各門課程的實驗之間互相割裂、相對獨立，不利于綜合性、設計性和創新性實驗的開展。此外，在這種教學模式指導下，學生的學習行為完全由教師決定，整個實驗過程就如同一個機械過程，導致學生的學習主動性被忽視、甚至被壓抑，其結果是使學生的思維被局限于相應的理論課程，不利于學生獨立思維能力的培養和綜合素質的提高。

針對傳統電類基礎課程實驗教學模式的種種弊端，國內學者提出了一些改革觀點認為，在教學方法上，要結合實驗教學目標及要求，轉變教學思想，形成以學生為中心，以能力培養為目標的實驗教學模式。并提出要課上與課下實驗相結合，變實驗輔導解答為實驗引導啟發，變面向實驗結果為面向實驗過程，變單一化實驗教學模式為多元化實驗教學模式[3]。在實驗新技術的開發與運用上，龍雪梅認為，利用多媒體技術可以把實驗教學中的一些傳統方法，改變為教師指導下進行探索性學習的過程，并提出實驗教學設計要以建構主義為指導[4]，要把“情景”、“協作”、“會話”和“意義建構”作為學習環境建設的四大要素在實驗教學中予以考慮。以上觀點對于電類基礎課程實驗教學雖具有一定指導意義，但同時對于實驗場地、設備及實驗室開放運營時間等方面提出了新要求，而現代教育技術中出現的虛擬實驗恰好能滿足上述新要求。

2 虛擬實驗對于傳統電類基礎課程實驗教學的提升作用

所謂虛擬實驗，是指按照實驗教學的目標要求，建立虛擬的工程實驗環境，運用各種虛擬儀器和設備,對建立起來的實驗模型進行實時仿真，構成新型的實驗教學的方法[5]。

跟傳統電類實驗相比，電類基礎課程虛擬實驗有以下優點：

(1) 降低了儀器設備的經費投入。學習者利用虛擬實驗系統，在一臺聯網的計算機上即可順利地實現如示波器、掃頻儀、電壓表等儀器設備的功能，可大大節約實驗費用。

(2) 減少了實驗損耗，增加了實驗的安全性。傳統電類實驗對耗材的需求量大，對儀器設備的使用要求高，且需要通電才能實驗，因此實驗室運維成本高，且存在一定的安全隱患。虛擬儀器基于軟件的體系結構，可以減少儀器設備損耗，確保實驗安全。

(3) 便于開放式管理，實現遠程教學。通過網絡虛擬實驗系統，學生學習和實驗不再局限于有形的教室或實驗室,可以隨時隨地自主學習,提高學習效率。

由于虛擬實驗有以上優點，因此它能從以下方面提升電類基礎課程實驗教學：

(1) 轉變教師教學觀念。使教師由原來知識的權威者轉變為學生學習活動的設計者和指導者、學習伙伴和教育研究者，學生由被動的知識受體轉變為知識的主宰、學習的主體[6]。

(2) 拓寬了實驗教學內容。虛擬實驗可以超越傳統的實物實驗，使微觀實驗、危險性實驗、高成本實驗和超越時空的實驗都成為可能，且這些實驗可進行無限制、多樣式的重復操作，無污染、無浪費。

(3) 改變了學生的學習方式。通過虛擬實驗系統，教師可以提供大量的“三性實驗”供學生選擇，學生也可以不受傳統實驗室開放時間的限制，按照自己的學習進度、能力大小和興趣愛好選擇實驗課題，積極主動地進行個別化、自主式實驗，還可以與其他同學開展多人合作實驗，通過“合作”與“協商”，共同攻克實驗難題。這不僅提高了學生的自主學習意識、創新意識，還培養了學生的團隊合作精神。

虛擬實驗雖具有以上優點，但也存在其自身的不足。主要表現在：①虛擬實驗僅僅是通過計算機模擬由真實實驗所獲得的已知規律，易導致學生產生不踏實的虛擬感；②虛擬實驗的理想化會使真實實驗中可能出現的隨機性故障、誤差及其它異常情況等被掩蓋，減少了學生應對突發性事件、排除故障和通過實驗數據處理及誤差分析環節反思或尋找可用經驗與過失的機會[7]；③缺乏真實實驗環境的熏陶，教師的言傳身教和潛移默化作用受到影響。因此，虛擬實驗還需要真實實驗作補充。

3 “虛實結合”——促進電類基礎課程實驗教學改革的突破口

電類基礎課程實驗應把改革的重心放在學生獨立思維能力、創新能力和綜合素質的提高上。要尊重學生的主體地位，逐步實現由“教師中心”向“學生中心”的轉變，充分培養學生的學習積極性、主動性和創造性。虛擬實驗與真實實驗的結合，能為電類基礎課程實驗教學改革的這一要求提供突破口：

(1) 通過“虛實結合”，把學生對真實儀器設備的操作與利用計算機軟件對實驗過程的模擬結合起來，能促使學生真實與虛擬經驗相互融合，在“虛”與“實” 的經驗交互中，實現新舊知識的同化，完成意義建構。

(2) 通過“虛實結合”，把傳統實驗中的教學內容、實驗設備、教師指導、學生操作等與學校的虛擬實驗平臺、精品課程網站等融為一體，達到優化實驗教學資源和實驗教學過程的作用。在虛擬實驗平臺上，學生可以按照自己的要求開展自主學習和研究性學習。打破傳統的“教師講授—學生模仿—強化記憶—測試講評”的教學模式，使之變為“問題—實驗—觀察—收集數據、分析數據—會話、協商—得出結論—證明—再證明—練習—回顧總結”的新模式[8]。學生自己動手操作，親身體驗和探索知識的發現過程，其獨立思維能力、實踐能力及科學研究能力都能得到充分的加強。

(3) 通過“虛實結合”，建立電類基礎課程實驗教學保障體系，實現學生綜合素質的培養。眾所周知，電子科學技術的發展日新月異，電類產品層出不窮。相對落后的傳統實驗儀器設備滿足不了現代電類學科知識內容的更新和發展。借助虛擬實驗，把現代科技引入傳統實驗教學之中，實現傳統實驗情境下無法開展的實驗，而把在虛擬情境下無法開展的實驗又通過真實實驗來補充。這種“虛”與“實”的結合，有利于實驗教學保障體系的建立和創新、實用型人才的培養。

(4) 通過“虛實結合”，實現教學手段和教學模式的多元化。如在實驗前，教師可以安排學生先做一些虛擬實驗來熟悉和了解儀器設備的結構原理、實驗步驟和操作要領，再將這些知識與技能應用到真實實驗中，可大大提高真實實驗的效率，減少實驗時的盲目性；而對于難度大、操作步驟多的實驗，在實驗后，教師可以再安排學生做一些虛擬實驗來溫習實驗步驟、理解實驗原理和消化實驗內容。此外，借助虛擬實驗平臺，教師還可以給學生布置一些綜合性、設計性實驗，鼓勵學生開展多人協作虛擬實驗等來激發學生的主動參與意識，培養學生的團隊合作精神。

總之，通過“虛實結合”，將傳統實驗教學要素與虛擬實驗有機融合，可以打破傳統實驗中教師中心地位，幫助學校建立實驗教學保障體系，實現實驗教學手段和教學模式的多元化。

4 電類基礎課程實驗教學“虛實結合”模式的構建

4.1 “虛實結合”模式構建

經過多年的電類基礎課程實踐教學，我們總結了“虛實結合”的電類基礎課程實驗教學新模式如圖2所示。

圖2 “虛實結合”的電類基礎課程實驗教學模式

該模式以建構主義為指導，以學生為中心，以學生能力培養為目標，通過網絡在虛擬實驗與真實實驗之間架起一座彼此聯系的橋梁，使學生實驗由單一模式變為多元化模式，由課內延升至課外，虛中有實、實中有虛、虛實結合，優勢互補[9]。該模式中，學生是實驗的主體。實驗時，學生可以根據實驗大綱中實驗所規定的目標要求開展實驗。既可以把在真實實驗中碰到的問題通過虛擬實驗來解決，也可以利用在虛擬實驗中獲得的經驗、方法去解決在真實實驗中碰到的問題?？梢宰杂傻亍按┧蟆庇谡鎸嵟c虛擬實驗之間開展各種學習活動。通過“虛”“實”交替，建構起自己對于知識的理解，完成意義建構。教師在實驗中起主導作用，主要負責實驗設計、實驗大綱和實驗指導書的編寫，制定“虛實結合”的考評方案，并對學生的實驗過程進行組織、輔導、答疑、監控和評價等。網絡作為實驗平臺的載體，將實驗資源在時間上、內容上向學生全面開放，并為師生實驗合作、交流互動和成果共享提供良好平臺。

4.2 “虛實結合”模式運用中需注意的問題

(1) 加強“虛”“實”兩個環境建設。①要重視實驗室硬件環境建設。由于虛擬實驗以真實實驗為基礎，儀器設備的外形結構、操作誤差、實驗線路故障及相關數據的處理等只有在真實實驗中才能被學生體驗和感知，因此，不能簡單地用虛擬實驗代替真實實驗，必要的硬件投入是搞好實驗教學的前提。②確保虛擬實驗環境的“真實性”。根據遷移理論，虛擬情境與真實情境越是相似，就越有利于學習者提取關鍵而有價值的線索進行知識的遷移[10]。因此，在虛擬實驗的設計中應更多地融入“實”的成分。如營造三維的、逼真的學習環境，真實的問題情景，使學生能以最接近自然的方式與虛擬環境中的對象發生交互，獲得類似真實環境的體驗和感受，促進知識的遷移和認知發展[11]。

(2) 重視實驗教學設計。開展“虛實結合”的電類基礎課程實驗教學，其關鍵環節是進行實驗的教學優化設計[12]。教學設計是進行實驗教學的藍圖，在教學設計中要充分考慮實驗的目的、內容、學生已有的知識水平和兩個實驗環境的特點，盡可能提供更大的實驗空間，充分調動學生的積極性、主動性，發揮學生的主體作用和教師的主導作用。

(3) 正確處理好“雙主”關系。①要強化學生的主體地位，充分發揮學生的認知主體作用，多給學生思考、實踐和發展的空間，②不能忽視教師的主導作用。由于“虛實結合”模式將學生的實踐活動已由課內延升至課外，因此，教師的指導已不再局限于有形的課堂，同時要注意跟蹤學生在虛擬實驗平臺上的學習情況，通過網上交流工具，及時解答學生的疑難問題，并給予學生及時有效的信息反饋與學習指導[13]。

(4) 構建完善的實驗教學支持系統。實驗教學支持系統是開展“虛實結合”實驗教學的必備條件，必須予以高度重視。作為學科教學平臺的一個子系統，實驗教學支持系統必須建構在校園網之上，并與學校的教務管理系統直接相連，且做到：①為學生提供實驗必需的虛擬場景、虛擬儀器和設備、實驗演示的3D動畫、立體化的實驗教學資源；②對學生的交流討論、實驗過程的記錄和修改、實驗報告提交等學習環節提供技術支持；③為學生提供輔導、答疑、信息反饋和實驗評價等信息[14]。

(5) 建立和諧的人文環境。情感交流是一個復雜多變的過程，不僅受時間、地點、人物、環境和經歷的影響，而且有表情、言語、動作或身體的接觸[15]。在“虛實結合”模式下開展實驗時，學生仍然要面對虛擬的網絡世界，必然導致其情感的缺失，產生心理上的焦慮和孤獨，降低學習的興趣和效率。為緩解以上不良影響，可采用以下辦法：①在人機界面設計上，通過計算機進行情感感知和情感表達，建立友好的人機情感交互[16]；②在師生之間、生生之間建立交流互動平臺，讓每個學生都得到老師的關懷和同學的幫助，從而激發創造的欲望，提高自信心。

(6) 制定“虛實結合”的實驗教學質量評價標準?！疤搶嵔Y合”的實驗考核主要用于檢驗學生在“虛”、“實”兩種環境中解決問題的能力，因此考核評價應包括虛、實兩個部分內容[17]。教師可根據實驗項目的不同分別設置相應的、有效的量規及其權重，并把學生各次實驗的行為表現、實驗完成情況和實驗結果作為考核內容納入其中，使實驗和評價成為一個有機的整體。

5 結 語

相對理論教學而言，電類基礎課程實驗更具有直觀性、實踐性、綜合性、探索性和啟發性等特點，在培養學生實踐動手能力、創新能力和科學素質等方面具有不可替代的作用。將虛擬實驗引入電類基礎課程實驗教學，構建“虛實結合”的電類基礎課程實驗教學模式，有助于電類基礎課程實驗教學保障體系的建立和學生創新精神、實踐能力的培養，最終實現高等院校創新型、實用型專業技術人才的培養目標。

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