郝川艷 鄭安琪 姜玻 吳偉敏 張金帥

[摘 要]該文介紹了結合線上虛擬實驗室和線下傳統(tǒng)定制實驗臺的混合實驗教學方案的設計理念和教學實踐。首先，描述了數(shù)字電路虛擬實驗室的設計和實現(xiàn);其次，展示實驗課程的混合教學方案;最后，通過分組實驗及問卷調查進行該方案的驗證和分析。測試和評估說明該系統(tǒng)能激發(fā)學生實驗操作的主觀能動性和創(chuàng)造性。問卷調查亦指出學生對基于該虛擬實驗系統(tǒng)的混合教學方案接受度較高，認為是有效學習方式。

[關鍵詞]虛擬實驗室;計算機仿真;混合實驗教學;實驗設計

[基金項目]2017年度南京郵電大學教學改革研究項目“虛擬現(xiàn)實技術在互動教育體系中的研究與實現(xiàn)”（JG01717JX44）;2017年度南京郵電大學引進人才科研啟動基金項目“基于樣例的外觀流合成與重構”（NY217015）

[作者簡介]郝川艷（1982—），女，重慶人，工學博士，南京郵電大學教育科學與技術學院數(shù)字媒體技術系講師，碩士生導師，主要從事計算機視覺、教育信息化研究。

[中圖分類號] G40-057[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）33-0326-03[收稿日期] 2020-03-26

傳統(tǒng)工科實驗多在指定時間和具有定制實驗臺的固定實驗室按照教師指導進行。這種實驗教學模式帶給學生的實際動手經驗和對實驗元器件及設備的直觀體驗是被師生普遍認同的。然而其缺陷也是明顯的，包括維運成本高、不利于新實驗的開發(fā)、教學靈活性差等。隨著多媒體技術在教育領域的不斷融入[1]，虛擬實驗室已成為一種潛在并有效的替換方案。在計算機上實現(xiàn)的虛擬實驗已經在工程和科學等領域展示出媲美傳統(tǒng)實驗的教學效果，包括電路仿真[2]、電子電氣實驗[3]、光學模擬[4]、化學實驗[5]等。但單一的虛擬實驗容易忽略學生實際動手能力的培養(yǎng)。

因此，本研究基于數(shù)字電路實驗課程，提出了一種結合線上數(shù)字電路虛擬實驗室和線下傳統(tǒng)定制實驗臺的混合實驗教學改革方案。該虛擬實驗系統(tǒng)為師生提供了包括數(shù)字電路仿真設計與實現(xiàn)、結果測試、數(shù)據(jù)保存與上傳、生成實驗報告、3D學生端、Web教師端、在線測評等功能。由于虛擬實驗室是作為實體實驗室的補充而建造，本研究也展示出針對混合實驗教學更合理的時序安排。

一、虛擬實驗室的設計和實現(xiàn)

（一）虛擬實驗室的設計理念

如何培養(yǎng)學生在工程類實驗中的設計能力是目前工程類課程中較難解決的問題?，F(xiàn)有的實驗課程雖然提供多種教學方案，比如傳統(tǒng)實體實驗、基于MOOC的虛擬實驗、基于軟件的仿真實驗以及基于移動設備的線上實驗等，但實驗的設計部分多由教師完成。學生只能被動接受，并將大量時間精力耗費在實現(xiàn)實驗和完成實驗報告這兩個環(huán)節(jié)上，忽略了對實驗設計性部分的思考和實踐。因此本研究以培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維為出發(fā)點，探討虛擬實驗室設計方案。

圖1在宏觀層面上定義了一個完整的實驗設計性過程，其中黃色箭頭表示迭代過程，陰影方框表示學生投入最多的實驗活動。這個過程有助于學生主觀能動地對實驗設計和實施過程進行審視和思考，以確定下一個實驗步驟（結論/決策）。因此，圖1中的實驗及分析步驟是一個重復過程直到實驗要求被滿足，做出實驗報告。而傳統(tǒng)實驗卻是一種線性的設計過程。學生投入主要精力和時間的步驟是執(zhí)行實驗和完成實驗報告。留給實驗設計和數(shù)據(jù)歸納分析方面的思維活動非常少。圖1展示出的流程同時符合使用虛擬實驗室的完整實驗流程?，F(xiàn)在學生的工作重點是開發(fā)一個實驗策略以便探索和解決問題。而實驗的實際執(zhí)行過程是通過模擬來完成的。于是學生可以將工作重心側重到數(shù)據(jù)的分析和解釋上，也可以將他們的結論用于迭代實驗設計。

（二）虛擬實驗室的實現(xiàn)

虛擬實驗室軟件的實現(xiàn)要確保該軟件的可移植性和良好的適應性，以便能適用于不同的教育群體?？傮w看，該軟件由三個獨立的部分組成：3D學生客戶端、基于Web的教師界面和數(shù)據(jù)服務器。

3D學生客戶端是一個三維圖形界面，提供一個典型的虛擬實驗環(huán)境。在這里，學生可以進行電路設計、測試、獲得輸出數(shù)據(jù)、進行數(shù)據(jù)分析、完成實驗報告等任務。本研究利用建模軟件3dsMax和功能強大的游戲引擎Unity3D創(chuàng)建了該交互式虛擬實驗平臺。其中，3dsMax主要用于實現(xiàn)平臺的靜態(tài)模型框架、虛擬儀器設備和虛擬實驗室課堂環(huán)境等;而動態(tài)交互控制模塊、電路連線輸入和輸出之間的邏輯控制機制、數(shù)據(jù)通信機制、實驗操作反饋機制等在Unity3D中采用開發(fā)語言C#實現(xiàn)。在此虛擬實驗環(huán)境界面中，學生可以進行實驗、選擇和拿取實驗設備、調用電子電路類實驗常用的仿真軟件，如EasyEDA、Multisim等。整個虛擬實驗室即還原了傳統(tǒng)實驗室的真實場景功能，又保留了系統(tǒng)仿真分析能力，為學生提供了現(xiàn)場沉浸感強、交互性好的虛擬實驗環(huán)境，有利于增強學生自主實驗的積極性，將實驗重心轉化到培養(yǎng)學生的創(chuàng)新設計能力和邏輯思維能力上，也為教師開啟了高效互動的現(xiàn)代化教學模式。

第二個部分，教師Web界面。在這個界面中，教師可以設置、管理學生帳戶，查看學生在虛擬實驗室中的行為與表現(xiàn)，并根據(jù)需要添加、修改、刪除實驗等。教師Web界面包含一個概述頁面，頁面顯示了教學安排的實驗總數(shù)。教師選擇學生的學號和實驗號，可以查看學生為該項實驗所設計的電路圖，以及學生的實驗連線結果和實驗報告。實驗數(shù)據(jù)也可以導出到Microsoft Excel電子表格中，成為單獨的運行測量集。教師向學生提供實時反饋，從而實現(xiàn)實時評估。當學生完成任務后，評估工具會自動生成總結性評估或個人評估報告。

數(shù)據(jù)服務器執(zhí)行所有計算，存儲數(shù)據(jù)，執(zhí)行用戶請求的操作，并將結果反饋給用戶。數(shù)據(jù)服務器由以下幾個子部分組成：一個用于進行電路相關計算的數(shù)學模型庫;一個數(shù)據(jù)庫，用于存儲用戶關系和測得的每個用戶帳戶中的數(shù)據(jù);以及主要處理來自3D學生客戶端和教師Web界面的請求的、作為后臺程序運行的服務器。

二、混合教學方案的設計與開發(fā)

受益于3D虛擬實驗室，教師得以為實驗課程設計與開發(fā)合理的混合教學方案。這對混合課程的設計者和講授者提出了若干挑戰(zhàn)，包括混合課程結構的設計和組織、編寫和實施不同形式的教材、適當利用所有現(xiàn)有資源、與學生建立有效的教與學關系等。它們通常涉及到一定數(shù)量的發(fā)布在因特網上的常規(guī)課程，以及少量會在教室內保留的面對面課程。課程實施者可以分割出放置在網絡上的實驗部分和留在實體實驗室的部分。

至此，實驗課程的授課模式可以轉換到常規(guī)在線實驗和重點課堂實驗相結合的混合教學模式上。在課程設計過程中，并不需要具體規(guī)定在課堂上或在網絡上實驗課程的數(shù)量。類似的混合課程案例[6]指出在最初引入網絡課程時，其數(shù)量應該至少相當于在教室的課程數(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。

分組實驗表明數(shù)字電路實驗課程的課堂與網絡課程的比例可設置為1∶1（10%的浮動變化）。在課堂課程部分，以下內容是必須參與的：師生的第一次課程、期中討論會課程、最后一次課程、考前復習課程和期末考試。其余的課堂課程是在每個在線單元實驗之前和之后再規(guī)劃的。這樣，課堂與網絡課程之間的比例約為1∶1（對于能夠參加所有建議的課堂課程的學生）和2∶3（對于在線自學而無法完全參加所有課堂課程的學生）。圖2給出了以上混合模式課程安排的一個示例圖。圖中，橫坐標表示一個典型的16周教學周?？v坐標表示學時數(shù)，負號僅區(qū)分不同的課程類型，不具有數(shù)學意義。另需說明，圖中網絡實驗課程學時安排僅是一個示例，具體時間可隨學生能力和對實驗掌握情況具體變化，授課者會建議學生不少于圖中所示學時數(shù)。

三、分組實驗與評估

本研究通過比對分組實驗學生的成績和收集學生問卷反饋信息，對所開發(fā)課程的質量進行評估。其中平行小組包括：選擇了混合課程的學生組和選擇了傳統(tǒng)課程的學生組。評估結果來自于課堂授課、實驗成績、平時測驗、期末考試、匿名問卷調查，以及關于課程質量的學生訪談等多方面的考查內容。

在132名參與分組實驗的學生中，有67名選擇了混合課程，另外65名選擇了傳統(tǒng)課程。混合課程要求學生對于課前預習和課后討論的參與度更高，在考前復習上做更多的工作，但課堂出勤率的要求較低;而選擇傳統(tǒng)課程的學生必須花費大量時間在定期的課堂授課和固定實驗室的實驗練習中，參看圖3前三項指標。學生團隊接下來進行了三次相對結構化的單元操作實驗。測試結果顯示混合課程能為學生提供所有必要的實驗知識水平。學生不僅取得了更令人滿意的成績，還在實驗設計思維方面得到了訓練。這歸功于學生在混合課程中可以借助虛擬實驗室任意次數(shù)重復和優(yōu)化實驗過程。同時，放棄課程的學生在混合課程中的頻率較低，因為他們能得到個性化的課程安排，學習的時間、地點和動力都可以根據(jù)他們的個人需求而調整，參看圖3后三項指標。另外，就教學材料方面，學生們在學生角色、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價。完成整個混合課程的學生認為該教學模式既便于與講師溝通，學習又不感到孤立，有足夠的教學時間，又能夠根據(jù)個體所需獨立安排實驗環(huán)節(jié)，更重要的是為學生創(chuàng)造性、設計性思維的訓練提供了平臺。

四、結語

本研究展示出一個沉浸感強、友好的三維數(shù)字電路虛擬實驗室。該軟件旨在補足實體實驗室的短處，讓學生更完全地參與到實驗設計過程的各個方面，以利于培養(yǎng)學生的設計性和創(chuàng)新性思維。同時，講授者可以據(jù)此改革傳統(tǒng)的實驗教學模式為在線混合教學模式，并在未來工作中開發(fā)實驗課程的翻轉課堂。

參與課程的多數(shù)學生都認為該虛擬實驗室是一種非常有效的學習媒介，搭配混合教學方案，達到了實體實驗室和虛擬實驗室的雙向互補學習效果。而所有的混合課程教師都認為這類課程要求很高，是一個很大的挑戰(zhàn)。但教師有機會了解他們的學生，更好地了解他們的學習方式，并與他們發(fā)展良好的教與學關系。同時他們的經驗可以幫助其他教師開發(fā)和開辦類似的混合模式實驗課程，從而向更多學生提供這門課程，以鼓勵在同一領域和其他領域發(fā)展一些類似的課程，促進全民教育的發(fā)展。

參考文獻

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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