郝川艷 鄭安琪 姜玻 吳偉敏 張金帥

[摘 要]該文介紹了結(jié)合線上虛擬實(shí)驗(yàn)室和線下傳統(tǒng)定制實(shí)驗(yàn)臺(tái)的混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案的設(shè)計(jì)理念和教學(xué)實(shí)踐。首先，描述了數(shù)字電路虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn);其次，展示實(shí)驗(yàn)課程的混合教學(xué)方案;最后，通過分組實(shí)驗(yàn)及問卷調(diào)查進(jìn)行該方案的驗(yàn)證和分析。測(cè)試和評(píng)估說明該系統(tǒng)能激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造性。問卷調(diào)查亦指出學(xué)生對(duì)基于該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的混合教學(xué)方案接受度較高，認(rèn)為是有效學(xué)習(xí)方式。

[關(guān)鍵詞]虛擬實(shí)驗(yàn)室;計(jì)算機(jī)仿真;混合實(shí)驗(yàn)教學(xué);實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

[基金項(xiàng)目]2017年度南京郵電大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在互動(dòng)教育體系中的研究與實(shí)現(xiàn)”（JG01717JX44）;2017年度南京郵電大學(xué)引進(jìn)人才科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目“基于樣例的外觀流合成與重構(gòu)”（NY217015）

[作者簡介]郝川艷（1982—），女，重慶人，工學(xué)博士，南京郵電大學(xué)教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院數(shù)字媒體技術(shù)系講師，碩士生導(dǎo)師，主要從事計(jì)算機(jī)視覺、教育信息化研究。

[中圖分類號(hào)] G40-057[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）33-0326-03[收稿日期] 2020-03-26

傳統(tǒng)工科實(shí)驗(yàn)多在指定時(shí)間和具有定制實(shí)驗(yàn)臺(tái)的固定實(shí)驗(yàn)室按照教師指導(dǎo)進(jìn)行。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式帶給學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手經(jīng)驗(yàn)和對(duì)實(shí)驗(yàn)元器件及設(shè)備的直觀體驗(yàn)是被師生普遍認(rèn)同的。然而其缺陷也是明顯的，包括維運(yùn)成本高、不利于新實(shí)驗(yàn)的開發(fā)、教學(xué)靈活性差等。隨著多媒體技術(shù)在教育領(lǐng)域的不斷融入[1]，虛擬實(shí)驗(yàn)室已成為一種潛在并有效的替換方案。在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在工程和科學(xué)等領(lǐng)域展示出媲美傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，包括電路仿真[2]、電子電氣實(shí)驗(yàn)[3]、光學(xué)模擬[4]、化學(xué)實(shí)驗(yàn)[5]等。但單一的虛擬實(shí)驗(yàn)容易忽略學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力的培養(yǎng)。

因此，本研究基于數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程，提出了一種結(jié)合線上數(shù)字電路虛擬實(shí)驗(yàn)室和線下傳統(tǒng)定制實(shí)驗(yàn)臺(tái)的混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案。該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為師生提供了包括數(shù)字電路仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、結(jié)果測(cè)試、數(shù)據(jù)保存與上傳、生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告、3D學(xué)生端、Web教師端、在線測(cè)評(píng)等功能。由于虛擬實(shí)驗(yàn)室是作為實(shí)體實(shí)驗(yàn)室的補(bǔ)充而建造，本研究也展示出針對(duì)混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)更合理的時(shí)序安排。

一、虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

（一）虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)理念

如何培養(yǎng)學(xué)生在工程類實(shí)驗(yàn)中的設(shè)計(jì)能力是目前工程類課程中較難解決的問題?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)課程雖然提供多種教學(xué)方案，比如傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)、基于MOOC的虛擬實(shí)驗(yàn)、基于軟件的仿真實(shí)驗(yàn)以及基于移動(dòng)設(shè)備的線上實(shí)驗(yàn)等，但實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)部分多由教師完成。學(xué)生只能被動(dòng)接受，并將大量時(shí)間精力耗費(fèi)在實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)和完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告這兩個(gè)環(huán)節(jié)上，忽略了對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)性部分的思考和實(shí)踐。因此本研究以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維為出發(fā)點(diǎn)，探討虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)方案。

圖1在宏觀層面上定義了一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)性過程，其中黃色箭頭表示迭代過程，陰影方框表示學(xué)生投入最多的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。這個(gè)過程有助于學(xué)生主觀能動(dòng)地對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)施過程進(jìn)行審視和思考，以確定下一個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟（結(jié)論/決策）。因此，圖1中的實(shí)驗(yàn)及分析步驟是一個(gè)重復(fù)過程直到實(shí)驗(yàn)要求被滿足，做出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)卻是一種線性的設(shè)計(jì)過程。學(xué)生投入主要精力和時(shí)間的步驟是執(zhí)行實(shí)驗(yàn)和完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。留給實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)歸納分析方面的思維活動(dòng)非常少。圖1展示出的流程同時(shí)符合使用虛擬實(shí)驗(yàn)室的完整實(shí)驗(yàn)流程?，F(xiàn)在學(xué)生的工作重點(diǎn)是開發(fā)一個(gè)實(shí)驗(yàn)策略以便探索和解決問題。而實(shí)驗(yàn)的實(shí)際執(zhí)行過程是通過模擬來完成的。于是學(xué)生可以將工作重心側(cè)重到數(shù)據(jù)的分析和解釋上，也可以將他們的結(jié)論用于迭代實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

（二）虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)室軟件的實(shí)現(xiàn)要確保該軟件的可移植性和良好的適應(yīng)性，以便能適用于不同的教育群體?？傮w看，該軟件由三個(gè)獨(dú)立的部分組成：3D學(xué)生客戶端、基于Web的教師界面和數(shù)據(jù)服務(wù)器。

3D學(xué)生客戶端是一個(gè)三維圖形界面，提供一個(gè)典型的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。在這里，學(xué)生可以進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、測(cè)試、獲得輸出數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告等任務(wù)。本研究利用建模軟件3dsMax和功能強(qiáng)大的游戲引擎Unity3D創(chuàng)建了該交互式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。其中，3dsMax主要用于實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的靜態(tài)模型框架、虛擬儀器設(shè)備和虛擬實(shí)驗(yàn)室課堂環(huán)境等;而動(dòng)態(tài)交互控制模塊、電路連線輸入和輸出之間的邏輯控制機(jī)制、數(shù)據(jù)通信機(jī)制、實(shí)驗(yàn)操作反饋機(jī)制等在Unity3D中采用開發(fā)語言C#實(shí)現(xiàn)。在此虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境界面中，學(xué)生可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、選擇和拿取實(shí)驗(yàn)設(shè)備、調(diào)用電子電路類實(shí)驗(yàn)常用的仿真軟件，如EasyEDA、Multisim等。整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室即還原了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的真實(shí)場(chǎng)景功能，又保留了系統(tǒng)仿真分析能力，為學(xué)生提供了現(xiàn)場(chǎng)沉浸感強(qiáng)、交互性好的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，有利于增強(qiáng)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的積極性，將實(shí)驗(yàn)重心轉(zhuǎn)化到培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和邏輯思維能力上，也為教師開啟了高效互動(dòng)的現(xiàn)代化教學(xué)模式。

第二個(gè)部分，教師Web界面。在這個(gè)界面中，教師可以設(shè)置、管理學(xué)生帳戶，查看學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室中的行為與表現(xiàn)，并根據(jù)需要添加、修改、刪除實(shí)驗(yàn)等。教師Web界面包含一個(gè)概述頁面，頁面顯示了教學(xué)安排的實(shí)驗(yàn)總數(shù)。教師選擇學(xué)生的學(xué)號(hào)和實(shí)驗(yàn)號(hào)，可以查看學(xué)生為該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的電路圖，以及學(xué)生的實(shí)驗(yàn)連線結(jié)果和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也可以導(dǎo)出到Microsoft Excel電子表格中，成為單獨(dú)的運(yùn)行測(cè)量集。教師向?qū)W生提供實(shí)時(shí)反饋，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)評(píng)估。當(dāng)學(xué)生完成任務(wù)后，評(píng)估工具會(huì)自動(dòng)生成總結(jié)性評(píng)估或個(gè)人評(píng)估報(bào)告。

數(shù)據(jù)服務(wù)器執(zhí)行所有計(jì)算，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，執(zhí)行用戶請(qǐng)求的操作，并將結(jié)果反饋給用戶。數(shù)據(jù)服務(wù)器由以下幾個(gè)子部分組成：一個(gè)用于進(jìn)行電路相關(guān)計(jì)算的數(shù)學(xué)模型庫;一個(gè)數(shù)據(jù)庫，用于存儲(chǔ)用戶關(guān)系和測(cè)得的每個(gè)用戶帳戶中的數(shù)據(jù);以及主要處理來自3D學(xué)生客戶端和教師Web界面的請(qǐng)求的、作為后臺(tái)程序運(yùn)行的服務(wù)器。

二、混合教學(xué)方案的設(shè)計(jì)與開發(fā)

受益于3D虛擬實(shí)驗(yàn)室，教師得以為實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)與開發(fā)合理的混合教學(xué)方案。這對(duì)混合課程的設(shè)計(jì)者和講授者提出了若干挑戰(zhàn)，包括混合課程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和組織、編寫和實(shí)施不同形式的教材、適當(dāng)利用所有現(xiàn)有資源、與學(xué)生建立有效的教與學(xué)關(guān)系等。它們通常涉及到一定數(shù)量的發(fā)布在因特網(wǎng)上的常規(guī)課程，以及少量會(huì)在教室內(nèi)保留的面對(duì)面課程。課程實(shí)施者可以分割出放置在網(wǎng)絡(luò)上的實(shí)驗(yàn)部分和留在實(shí)體實(shí)驗(yàn)室的部分。

至此，實(shí)驗(yàn)課程的授課模式可以轉(zhuǎn)換到常規(guī)在線實(shí)驗(yàn)和重點(diǎn)課堂實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的混合教學(xué)模式上。在課程設(shè)計(jì)過程中，并不需要具體規(guī)定在課堂上或在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)驗(yàn)課程的數(shù)量。類似的混合課程案例[6]指出在最初引入網(wǎng)絡(luò)課程時(shí)，其數(shù)量應(yīng)該至少相當(dāng)于在教室的課程數(shù)量。隨著課程的深入，兩者的比例最終取決于課程類型和課程發(fā)展的具體情況。

分組實(shí)驗(yàn)表明數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程的課堂與網(wǎng)絡(luò)課程的比例可設(shè)置為1∶1（10%的浮動(dòng)變化）。在課堂課程部分，以下內(nèi)容是必須參與的：師生的第一次課程、期中討論會(huì)課程、最后一次課程、考前復(fù)習(xí)課程和期末考試。其余的課堂課程是在每個(gè)在線單元實(shí)驗(yàn)之前和之后再規(guī)劃的。這樣，課堂與網(wǎng)絡(luò)課程之間的比例約為1∶1（對(duì)于能夠參加所有建議的課堂課程的學(xué)生）和2∶3（對(duì)于在線自學(xué)而無法完全參加所有課堂課程的學(xué)生）。圖2給出了以上混合模式課程安排的一個(gè)示例圖。圖中，橫坐標(biāo)表示一個(gè)典型的16周教學(xué)周?？v坐標(biāo)表示學(xué)時(shí)數(shù)，負(fù)號(hào)僅區(qū)分不同的課程類型，不具有數(shù)學(xué)意義。另需說明，圖中網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程學(xué)時(shí)安排僅是一個(gè)示例，具體時(shí)間可隨學(xué)生能力和對(duì)實(shí)驗(yàn)掌握情況具體變化，授課者會(huì)建議學(xué)生不少于圖中所示學(xué)時(shí)數(shù)。

三、分組實(shí)驗(yàn)與評(píng)估

本研究通過比對(duì)分組實(shí)驗(yàn)學(xué)生的成績和收集學(xué)生問卷反饋信息，對(duì)所開發(fā)課程的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。其中平行小組包括：選擇了混合課程的學(xué)生組和選擇了傳統(tǒng)課程的學(xué)生組。評(píng)估結(jié)果來自于課堂授課、實(shí)驗(yàn)成績、平時(shí)測(cè)驗(yàn)、期末考試、匿名問卷調(diào)查，以及關(guān)于課程質(zhì)量的學(xué)生訪談等多方面的考查內(nèi)容。

在132名參與分組實(shí)驗(yàn)的學(xué)生中，有67名選擇了混合課程，另外65名選擇了傳統(tǒng)課程?；旌险n程要求學(xué)生對(duì)于課前預(yù)習(xí)和課后討論的參與度更高，在考前復(fù)習(xí)上做更多的工作，但課堂出勤率的要求較低;而選擇傳統(tǒng)課程的學(xué)生必須花費(fèi)大量時(shí)間在定期的課堂授課和固定實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)練習(xí)中，參看圖3前三項(xiàng)指標(biāo)。學(xué)生團(tuán)隊(duì)接下來進(jìn)行了三次相對(duì)結(jié)構(gòu)化的單元操作實(shí)驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果顯示混合課程能為學(xué)生提供所有必要的實(shí)驗(yàn)知識(shí)水平。學(xué)生不僅取得了更令人滿意的成績，還在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思維方面得到了訓(xùn)練。這歸功于學(xué)生在混合課程中可以借助虛擬實(shí)驗(yàn)室任意次數(shù)重復(fù)和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過程。同時(shí)，放棄課程的學(xué)生在混合課程中的頻率較低，因?yàn)樗麄兡艿玫絺€(gè)性化的課程安排，學(xué)習(xí)的時(shí)間、地點(diǎn)和動(dòng)力都可以根據(jù)他們的個(gè)人需求而調(diào)整，參看圖3后三項(xiàng)指標(biāo)。另外，就教學(xué)材料方面，學(xué)生們?cè)趯W(xué)生角色、用戶友好性、界面可理解性、虛擬環(huán)境的圖形解決方案等方面都給出了滿意的評(píng)價(jià)。完成整個(gè)混合課程的學(xué)生認(rèn)為該教學(xué)模式既便于與講師溝通，學(xué)習(xí)又不感到孤立，有足夠的教學(xué)時(shí)間，又能夠根據(jù)個(gè)體所需獨(dú)立安排實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，更重要的是為學(xué)生創(chuàng)造性、設(shè)計(jì)性思維的訓(xùn)練提供了平臺(tái)。

四、結(jié)語

本研究展示出一個(gè)沉浸感強(qiáng)、友好的三維數(shù)字電路虛擬實(shí)驗(yàn)室。該軟件旨在補(bǔ)足實(shí)體實(shí)驗(yàn)室的短處，讓學(xué)生更完全地參與到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程的各個(gè)方面，以利于培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性思維。同時(shí)，講授者可以據(jù)此改革傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式為在線混合教學(xué)模式，并在未來工作中開發(fā)實(shí)驗(yàn)課程的翻轉(zhuǎn)課堂。

參與課程的多數(shù)學(xué)生都認(rèn)為該虛擬實(shí)驗(yàn)室是一種非常有效的學(xué)習(xí)媒介，搭配混合教學(xué)方案，達(dá)到了實(shí)體實(shí)驗(yàn)室和虛擬實(shí)驗(yàn)室的雙向互補(bǔ)學(xué)習(xí)效果。而所有的混合課程教師都認(rèn)為這類課程要求很高，是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。但教師有機(jī)會(huì)了解他們的學(xué)生，更好地了解他們的學(xué)習(xí)方式，并與他們發(fā)展良好的教與學(xué)關(guān)系。同時(shí)他們的經(jīng)驗(yàn)可以幫助其他教師開發(fā)和開辦類似的混合模式實(shí)驗(yàn)課程，從而向更多學(xué)生提供這門課程，以鼓勵(lì)在同一領(lǐng)域和其他領(lǐng)域發(fā)展一些類似的課程，促進(jìn)全民教育的發(fā)展。

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An Exploratory Study on the Blended Learning Scheme of Experiment Courses

HAO Chuan-yan， ZHENG An-qi， JIANG Bo， WU Wei-min， ZHANG Jin-shuai

（College of Educational Science and Technology， Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing， Jiangsu 210023， China）

Abstract： This paper presents the design concepts and teaching practices of the blended learning scheme of experiment courses， which combines the online virtual laboratory and the offline traditional experimental platform. Firstly， the article describes the design and implementation of the digital circuit virtual laboratory. Secondly， it demonstrates the blended teaching scheme of experiment courses. Finally， this scheme is verified and analyzed by grouping experiments and questionnaire surveys. The test and evaluation show that the system can encourage the enthusiasm and the creativity of students in experiment operations. The questionnaire also points out that students have a high degree of acceptance of this blended teaching scheme based on the virtual experiment system， which is considered to be an effective learning method.

Key words： virtual laboratory; computer simulation; blended experiment teaching; experiment design