何富運　朱紅艷　王勛

［摘 要］課題組針對地方院校電子信息類專業(yè)實驗實訓(xùn)教學(xué)存在的問題，以應(yīng)用型電子信息類人才培養(yǎng)為目標(biāo)，將新一代信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、人工智能技術(shù)引入電子信息學(xué)實驗實訓(xùn)教學(xué)中，構(gòu)建了“虛實融合、虛實互補”的實驗實訓(xùn)課程體系，打造了智能化、信息化與工程教育高度融合的實驗實訓(xùn)平臺，強化了電子信息類專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新思維和工程實踐能力訓(xùn)練，以推進“學(xué)生為主、教師引導(dǎo)”的多元化電子信息學(xué)實驗實訓(xùn)教學(xué)理念、教學(xué)模式、考核模式、評價模式的改革，為電子信息學(xué)智慧實驗實訓(xùn)教學(xué)模式的構(gòu)建及應(yīng)用提供了可供參考的實踐途徑。

［關(guān)鍵詞］地方院校；電子信息；實驗實訓(xùn)；虛實融合；學(xué)生為主

［中圖分類號］ G642 ［文獻標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）16-0023-04

為了應(yīng)對經(jīng)濟社會發(fā)展中不斷涌現(xiàn)的新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新技術(shù)所帶來的新一輪變革，國家開始大力探索和發(fā)展新工科[1]，特別是教育部在新工科的高等教育建設(shè)上不斷持續(xù)發(fā)力，積極探索以新思想引領(lǐng)新工科發(fā)展，發(fā)展新興工科專業(yè)[2]，目的在于不斷深化工程教育改革，把我國從工程教育大國建設(shè)成為工程教育強國。新工科建設(shè)所引發(fā)的工程教育模式改革、學(xué)科交叉融合、專業(yè)建設(shè)與升級、教學(xué)方法創(chuàng)新、產(chǎn)學(xué)研協(xié)同育人等已成為我國高等教育改革的焦點，為創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型工程人才培養(yǎng)帶來了重大變革[3]。

實驗實訓(xùn)是培養(yǎng)電子信息類專業(yè)學(xué)生實踐技能、創(chuàng)新意識和科學(xué)思維的重要途徑[4]。受傳統(tǒng)實驗實訓(xùn)教學(xué)條件和方式、優(yōu)質(zhì)師資力量緊缺、辦學(xué)經(jīng)費相對有限等多方面因素的影響，目前地方院校電子信息類專業(yè)的實驗實訓(xùn)教學(xué)存在實驗時間不足、生均實驗儀器及設(shè)備配比低、學(xué)生動手能力不強等問題，從而導(dǎo)致部分地方院校電子信息類專業(yè)應(yīng)用型人才的職業(yè)素養(yǎng)不高、創(chuàng)新思維欠缺、實踐能力不強。

《教育部2019年工作要點》明確提出實施教育信息化2.0行動計劃，推進信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，系統(tǒng)推進國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作，強調(diào)在加強教育信息化硬件基礎(chǔ)建設(shè)的同時，加快信息技術(shù)在教育教學(xué)改革中的應(yīng)用[5]。我國的教育信息化建設(shè)是從2008年開始的，經(jīng)過十余年的建設(shè)，我國的教育信息化歷經(jīng)了開放教學(xué)、虛擬仿真教學(xué)、移動教學(xué)等多維度發(fā)展。將虛實融合的教育理念、新一代信息技術(shù)、人工智能技術(shù)等引入電子信息類專業(yè)實驗實訓(xùn)教學(xué)平臺建設(shè)，平臺的建成將為實踐教學(xué)活動的組織賦予更多的創(chuàng)造性，對實驗實訓(xùn)教學(xué)更深入化的改革起到至關(guān)重要的作用。

目前，傳統(tǒng)的基于實體平臺的電子信息類專業(yè)實驗實訓(xùn)教學(xué)模式存在著諸多問題，制約了應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升。因此，以培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和工程素養(yǎng)的高級應(yīng)用型人才為根本出發(fā)點，在目前電子信息類專業(yè)全體學(xué)生參加專業(yè)認知實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)、專業(yè)實習(xí)、畢業(yè)設(shè)計等各個工程實踐環(huán)節(jié)已經(jīng)趨于飽和的情況下，非常有必要從虛擬仿真的角度補充新的教學(xué)資源、提供新的支撐。基于此，課題組圍繞電子信息類專業(yè)人才培養(yǎng)所必備的綜合應(yīng)用能力、工程實踐能力、創(chuàng)新能力，開展了“虛實融合、虛實互補”的實驗實訓(xùn)教學(xué)模式的研究與應(yīng)用。

一、電子信息類專業(yè)實驗實訓(xùn)教學(xué)模式的改革目標(biāo)

目前，在新工科背景下，國內(nèi)外高校將信息技術(shù)應(yīng)用于實驗實訓(xùn)教學(xué)方面都取得了較好的進展，虛實融合的教學(xué)案例較多，應(yīng)用也比較成熟，但是尚未形成有機的、系統(tǒng)的、結(jié)構(gòu)清晰的虛實融合的實驗實訓(xùn)教學(xué)模式[6]，同時在基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的教學(xué)管理、反饋和評價等方面還需要進一步建設(shè)和完善。地方院校一般受限于對教學(xué)理念認知不夠、師資力量相對較弱、高端儀器設(shè)備投入不足等因素，在新信息技術(shù)應(yīng)用于實驗實訓(xùn)教學(xué)方面是相對滯后的[7]。

課題組聚焦地方院校融合現(xiàn)代信息技術(shù)于教育教學(xué)的迫切需求，以廣西師范大學(xué)電子信息類專業(yè)虛實融合的實驗實訓(xùn)教學(xué)模式改革為例，探索在關(guān)聯(lián)主義學(xué)習(xí)理論、隨機通達教學(xué)理論、模擬教學(xué)法等教學(xué)理論和方法支撐下的實驗實訓(xùn)教學(xué)理念創(chuàng)新，結(jié)合已有的電子信息實驗教學(xué)中心的實體教學(xué)平臺，建設(shè)基于可視化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計算技術(shù)的虛擬仿真實驗實訓(xùn)教學(xué)平臺，以實現(xiàn)現(xiàn)代信息技術(shù)和實驗實訓(xùn)教學(xué)深度融合的新教學(xué)模式。

虛實融合教學(xué)模式可加速地方院校理工科類專業(yè)的實驗實訓(xùn)教學(xué)轉(zhuǎn)型；可大量減少實驗實訓(xùn)教學(xué)儀器及設(shè)備改造、升級的成本；可突破時間和空間上的限制，提升教學(xué)的開放性和交互性；可虛擬化升級實驗實訓(xùn)教學(xué)儀器及設(shè)備，提高教學(xué)質(zhì)量[8]。電子信息類專業(yè)有代表性的實驗實訓(xùn)虛擬仿真平臺的開發(fā)，充分和有效地發(fā)揮了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的臨場性、構(gòu)想性、沉浸性和交互性特征優(yōu)勢。虛擬仿真系統(tǒng)在教學(xué)過程中能創(chuàng)設(shè)“真實”教學(xué)環(huán)境，改善教學(xué)條件；突顯教師教學(xué)個性，提升學(xué)生思維品質(zhì)；豐富學(xué)生認知方式，增強學(xué)習(xí)主體體驗；轉(zhuǎn)換師生角色，展示德性教育。

二、虛實融合實驗實訓(xùn)教學(xué)的理論基礎(chǔ)分析

（一）基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論

虛實融合實驗實訓(xùn)教學(xué)提供給學(xué)生主動參與、實踐和探索的機會，使學(xué)生能夠通過親身經(jīng)歷和實踐，自主建構(gòu)知識和技能，從而提高學(xué)習(xí)效果和深度。

（二）基于情景學(xué)習(xí)理論

虛實融合實驗實訓(xùn)教學(xué)通過模擬真實情境，使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)和實物實驗設(shè)備，幫助學(xué)生身臨其境地體驗和解決真實問題，從而促進學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)的沉浸感和應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

（三）基于深度學(xué)習(xí)理論

虛實融合實驗實訓(xùn)教學(xué)通過創(chuàng)設(shè)情境、提供復(fù)雜的任務(wù)和問題，激勵學(xué)生思考和探索，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維、問題解決能力和跨學(xué)科的綜合思維。

（四）基于社會認知理論

虛實融合實驗實訓(xùn)教學(xué)倡導(dǎo)學(xué)生之間的合作與團隊精神，通過合作實驗、團隊項目等活動，促進學(xué)生之間的互動與協(xié)作，培養(yǎng)學(xué)生的溝通能力和團隊合作精神。

三、虛實融合實驗實訓(xùn)教學(xué)的基本屬性分析

（一）虛擬與現(xiàn)實融合

通過虛擬場景的模擬和真實設(shè)備的操作，學(xué)生在虛擬場景中進行實驗操作，能夠更好地感受到真實性和沉浸感。

（二）實踐與探索導(dǎo)向

學(xué)生通過實驗操作和探索，親身體驗和解決真實問題，積極參與學(xué)習(xí)過程，從而建構(gòu)知識、掌握技能。

（三）情景化與情境化

學(xué)生可以在虛擬現(xiàn)實場景中進行實驗操作，面對各種情境化的問題和挑戰(zhàn)，在真實場景下提高適應(yīng)能力和應(yīng)用能力。

（四）合作與交流

學(xué)生可以在團隊中合作實驗、共同解決問題，從而促進彼此的學(xué)習(xí)和成長，提高溝通能力和團隊協(xié)作精神。

（五）強化學(xué)習(xí)與反饋

學(xué)生在實驗過程中可以獲得實時的數(shù)據(jù)和反饋、了解自己的表現(xiàn)和進步情況。教師也可以根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)和反饋，及時調(diào)整教學(xué)策略和指導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)方向。

厘清虛實融合實驗實訓(xùn)教學(xué)的基本屬性，便于有的放矢地對虛實融合實驗實訓(xùn)教學(xué)進行研究分析，探索虛實融合實驗實訓(xùn)教學(xué)的可行性措施。

四、虛實融合實驗實訓(xùn)教學(xué)組織形式設(shè)計及教學(xué)平臺設(shè)計

（一）教學(xué)組織形式設(shè)計

1.前期虛擬學(xué)習(xí)：在實驗實訓(xùn)之前，學(xué)生可以先熟悉相關(guān)的理論知識和操作流程。通過虛擬場景的模擬和電子教材的輔助，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進行模擬實驗操作，掌握實驗步驟和操作技巧。

2.實際實驗操作：學(xué)生在經(jīng)歷前期虛擬學(xué)習(xí)階段后，進入實際實驗操作階段。此時，因為學(xué)生上一階段已經(jīng)在虛擬環(huán)境中掌握了一定的理論和操作知識，所以能夠更加有效地在真實的實驗室或?qū)嵱?xùn)場所中使用實物實驗設(shè)備進行實驗操作和探索。

3.虛實融合模擬：在實際實驗操作過程中，學(xué)生同時可以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行模擬，感受真實性和沉浸感，同時獲得更多的學(xué)習(xí)資源和支持。

（二）教學(xué)平臺設(shè)計

以虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的微納電子器件與工藝實訓(xùn)為研究案例，設(shè)計可與目前實體實驗實訓(xùn)教學(xué)平臺互為融合、互為補充的虛擬仿真實驗平臺，具體分析所構(gòu)建的虛擬仿真實驗平臺的教學(xué)目標(biāo)、組織形式、教學(xué)過程設(shè)計等，并分析有關(guān)的實驗結(jié)論。

五、建設(shè)虛實融合、開放共享的實驗實訓(xùn)平臺

緊密結(jié)合地方院校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)和要求，以完整的電子信息類專業(yè)實驗實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，在目前已有的線下實體實驗實訓(xùn)教學(xué)平臺的基礎(chǔ)上，分層次、分階段建設(shè)涵蓋實驗實訓(xùn)教學(xué)各個環(huán)節(jié)的虛擬仿真教學(xué)平臺，著力推進現(xiàn)代信息技術(shù)與實驗實訓(xùn)教學(xué)的深度融合，從而拓展相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度、延伸實驗實訓(xùn)教學(xué)的時間和空間，借助“互聯(lián)網(wǎng)+”、人工智能、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)實現(xiàn)實驗實訓(xùn)平臺的開放共享。平臺建設(shè)的框架如圖1所示。

理工科的理論教學(xué)環(huán)節(jié)和實驗實訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)是相輔相成的，共同承擔(dān)著培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)、實踐能力與創(chuàng)新精神的重要使命。各學(xué)科的理論知識只有通過實驗實訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)的親身實踐，才能使學(xué)生的工程綜合素質(zhì)、應(yīng)用創(chuàng)新能力得到鍛煉與提升。課題組通過查閱相關(guān)文獻資料、實地調(diào)研，研究學(xué)習(xí)虛實融合相關(guān)教學(xué)理論及方法，吸收已有實踐教學(xué)成果，借鑒其他院校虛實融合實驗實訓(xùn)教學(xué)模式的建設(shè)與運行經(jīng)驗，結(jié)合地方院校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)和要求，在已有的線下實體實驗實訓(xùn)平臺和資源的基礎(chǔ)上，整合現(xiàn)有教學(xué)資源，攻關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進行虛擬仿真教學(xué)平臺建設(shè)，完成了相關(guān)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計和現(xiàn)有實體平臺的融合對接，指導(dǎo)學(xué)生在虛實融合的教學(xué)環(huán)境中學(xué)習(xí)實驗實訓(xùn)類課程，并根據(jù)學(xué)習(xí)成效和反饋，論證教學(xué)過程設(shè)計的有效性。

六、構(gòu)建虛實融合、服務(wù)學(xué)生的課程體系及教學(xué)方法

課題組將教學(xué)過程的互動和實踐始終貫穿于理論與實驗實訓(xùn)教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，增加實訓(xùn)和技能培養(yǎng)的比重，合理安排實驗實訓(xùn)環(huán)節(jié)的虛實比例，本著“虛實互補，能實不虛”的原則，將實驗實訓(xùn)教學(xué)的線上虛擬仿真與線下實體教學(xué)相結(jié)合，形成了理論教學(xué)→線下實體→線上虛擬的循環(huán)式交互式教學(xué)模式，從而實現(xiàn)多元化的“虛實融合”，如圖2所示。

課題組以廣西高校重點創(chuàng)新平臺——太陽能光伏發(fā)電工程研究中心、 區(qū)級協(xié)同育人平臺——電子信息創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)育人平臺、電子信息實驗教學(xué)區(qū)級示范中心作為線下教學(xué)基礎(chǔ)，與實驗實訓(xùn)教學(xué)虛擬仿真平臺相結(jié)合，形成入門級認知、基礎(chǔ)知識實驗、專業(yè)技能實訓(xùn)、綜合能力創(chuàng)新的遞進式、層次化的教學(xué)體系，實現(xiàn)虛實融合的個性化、智能化、泛在化實驗實訓(xùn)教學(xué)新模式，如圖3所示。

七、建立以能力評估為中心的教學(xué)評估體系

目前，實驗實訓(xùn)教學(xué)評估體系多數(shù)從學(xué)生角度出發(fā)，以最終結(jié)果作為唯一參考標(biāo)準(zhǔn)，這樣的評估方式相對單一。隨著實驗實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容不斷向虛實融合、多元化、層次化發(fā)展，高校需要建立以能力評估為中心的教學(xué)評估體系，從學(xué)校、學(xué)院、教師和學(xué)生這四個維度，對評估內(nèi)容、評估尺度、評估標(biāo)準(zhǔn)、評估方式等進行相應(yīng)的改革。如加大過程評估的比重，使評估尺度更寬松、不同評估標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重化，實現(xiàn)現(xiàn)場考核和觀察考核相結(jié)合，從學(xué)生創(chuàng)新意識、工程思維、實踐技能、成果質(zhì)量等方面，全方位考查與評估學(xué)生的實踐能力、綜合應(yīng)用及創(chuàng)新能力。

八、虛實融合電子信息類專業(yè)實驗實訓(xùn)教學(xué)模式的實施方案

實施過程分為“基礎(chǔ)分析→教學(xué)設(shè)計→案例應(yīng)用”三個階段，具體實施方案如圖4所示。

九、結(jié)語

通過打造智能化、信息化與工程教育高度融合的電子信息類專業(yè)一體化綜合實驗實訓(xùn)平臺，使得一些原來無法開設(shè)的實驗實訓(xùn)課程得以順利開展，同時將虛擬儀器設(shè)備與現(xiàn)有設(shè)備相結(jié)合，通過分階段融合的方式使學(xué)生的創(chuàng)新思維得到了培養(yǎng)，在工程實踐能力、專業(yè)綜合素質(zhì)等方面也得到了明顯提高，有力提升了實驗實訓(xùn)的成效。新一代信息技術(shù)、人工智能技術(shù)與電子信息學(xué)工程教育相融合，有利于優(yōu)化資源配置，推進電子信息學(xué)實驗實訓(xùn)平臺的智能化管理；有利于理論基礎(chǔ)與工程實踐融通，不斷提升電子信息類專業(yè)學(xué)生解決工程實際問題的能力；有利于創(chuàng)建智能化的學(xué)習(xí)空間，推進電子信息類專業(yè)實驗實訓(xùn)教學(xué)模式的“學(xué)生為主、教師引導(dǎo)”多元化改革，以培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合應(yīng)用型電子信息類專業(yè)人才為目標(biāo)，從而不斷提高學(xué)生的創(chuàng)新思維和工程實踐能力。

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［責(zé)任編輯：鐘 嵐］