开放式虚实结合的实验教学模式的研究与探索

张静?肖明

摘要：创新应用型人才的培养为实验教学的深化与改革提出了新命题，构建开放式虚实结合实验教学模式是一种有效的解决方案。以“传感器技术与应用”为例，整合和优化实验教学内容，构建开放式网络实验环境，建立“科研融入教学”等课外科技实践机制，开展研讨式、启发式、探讨式的实验教学方式，形成了适应时代需求的实验教学体系。实践证明，该实验教学改革培养了学生的工程实践能力和创新精神，取得显著的成效。

关键词：实验教学；创新应用型人才；开放式实验；虚拟实验；教学改革

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）36-0176-02

随着我国建设“产业信息化”和“信息产业化”强国战略的提出，培养满足电子信息类产业发展需求的创新应用型人才已成为高校人才培养的重要目标之一。[1]实验教学是高校教学的关键环节，是培养学生实践能力、开拓创新意识和提升综合素质的重要途径。因此，深化实验教学改革和提高实验教学质量成为当前高校教学改革的重要任务。[2]目前，高校的实验教学已难以满足学科发展所需，开放式实验模式、虚拟实验等均是有效的解决方法。

“传感器技术及应用”是一门既注重理论更注重实践的课程，实验教学是帮助学生理解原理、加深认识以达到学以致用的必要途径。[3]但由于传感器类型众多、更新较快，因此建立完备的实验环境是比较困难的。我系基于培养创新应用型人才的指导思想，结合课程的具体内容，提出开放式虚实结合的实验教学体系。经过一系列教学改革与实践，现已初见成效。

一、开放式虚实结合的实验教学模式的提出

虚拟实验是指综合运用多媒体技术、计算机网络、虚拟现实、计算机仿真软件等产生和发展的一种新的实验教学形式，不同于传统实验的教学方式和技术手段，通过软件模拟技术来达到真实实验的效果。[4]它既能解决实验设备不足和价格昂贵的问题，又不受时间和地点的限制，还可为网络教育和远程教育提供支撑。但虚拟实验也有不足之处，如不能完全反映实物实验所面临的环境影响，实验步骤无法完全和现实细节一一对应等。[5]实物实验有利于培养学生解决实际问题和动手操作能力。开放式实验教学模式，是指实验时间、空间、内容、手段及教学方法等都是开放的，[1]学生还可根据自己的能力和爱好，选择相应的实验项目，也可将自己的创意带入实验。

“传感器技术及应用”实验课分为两大类：基础实验和课程设计。目前，实验教学存在如下问题：

作为一门专业课程的实验，教学定位未得到充分重视。传统观念上，实验教学依赖于理论教学，学生参与自主度不高，实验教学过程基本固定，从而导致学生漠视实验课程，如不认真预习实验，机械地按照教师讲解或实验教材上的实验步骤完成，甚至部分学生抄袭实验数据。[6]实验教学已不能满足高素质的应用型人才的培养需求。

传统的实验教学受到许多限制，如实验场地、时间；实验设备陈旧、数量有限，许多先进的新型传感器无法及时更新；检测系统的实现难度大等问题。虚拟实验的开设不仅能弥补实物实验的上述不足，还将对现有的实验提供有力的补充。由于电子和计算机技术的高速发展，基于虚拟仪器的现代检测系统设计应运而生，在课程设计中引入虚拟仪器Labview具有重要意义。

现有不少文献[5-9]提及虚拟实验在各个课程的实施案例，也有部分提出虚实结合的方案，但极少从分析具体的教学内容，以培养学生的实验设计和动手操作能力为出发点，从虚拟实验和实物实验的有机结合这一方面进行论述。

针对上述问题，以“传感器技术及应用”课程为例，我系进行了开放式虚实结合实验教学模式的探析。

二、以“传感器技术与应用”为例的应用探索

1.整合和优化实验内容，建立“逐层深入，虚实结合”的资源体系。

我系在“重构合理的知识体系，锻炼专业技能和培养综合素质”的教学理念指导下，结合教学内容，对传统的实验教学体系进行梳理、整合，发挥实物实验和虚拟实验各自的优势，虚实结合，各取所长，各补其短，建立以培养学生应用能力和创新能力为核心的“逐层深入，虚实结合”的实验教学资源，“逐层深入”是指基础型、综合设计型（课程设计）和研究创新型三个层次的实验群逐层递进。实验教学体系如图1所示。

其中，大部分基础验证型实验改为虚拟实验的形式。这类实验重点在于加深学生对理论知识的理解，加强基本技能的锻炼。采用虚拟实验的形式，方便学生进行课前预习、课后复习，减少设备的损耗，而且利用课程网站，便于实行远程式、个性化教学。学生不仅能自由安排自己的实验时间，重点攻克自己的学习难点，还能按照自己的进度，自主地选择所需的实验内容。[3]随着现代测量技术的飞速发展，虚拟仪器在智能化程度、处理能力、性價比及可操作性等方面具有明显的技术优势，在检测系统设计的实验教学中备受关注。[10]因此，将虚拟仪器Labview引入了设计型实验，结合真实电路完成系统设计。Labview帮助学生更易于完成较复杂的实验设计，而真实的传感器、数据采集电路的设计更好地培养学生全面动手操作的能力，“虚实结合”的方式更好地提高学生全方位的综合应用能力。

2.以课程网站为载体，构建开放式网络实验环境。

为了更好地实施开放式实验教学，利用课程网站为载体，采用多媒体、计算机编程技术等，构建开放式网络实验环境。实验环境结构如图2所示，主要分为虚拟实验室、实验辅助模块、成果展示模块等三大模块。其中：在虚拟实验室模块中发布丰富的虚拟实验资源，支持学生进行在线的基础型实验。利用Flash与Visio C++两种技术，开发所占空间小且功能强大的虚拟实验室。虚拟实验室不仅为学生的课前预习和课后复习提供便利，还可用于课程教学演示。虚拟实验降低学生对硬件实验的畏难情绪，不受硬件设备的限制，增强了趣味性，提高了学生的自信心。实验辅助模块发布实验项目指南、时间安排表、背景知识等资源，为开放式实验提供信息交互的服务。辅助模块激发学生自主学习的热情，提高设计分析能力。在成果展示模块中展示往届学生的优秀作品，使学生充满成就感，鼓励学生不拘泥于既有的实验方案，发挥创新能力。

开放式的网络实验环境使学生参与整个实验过程，包括实验准备、实验复习等。学生还可根据实验需求和个人的学习情况，自由选择实验内容，鼓励学生“百花齐放”地设计实验方案，获得良好的实验效果。

3.实时更新实验内容，建立“科研融入教学”等课外科技实践机制

在研究、创新型实验的内容设置中，融入教师的科研项目，开设相关的课题，引导并组织部分学生参加。由于这类课题有一定的难度，学生对其中的技术和内容比较陌生，教师除了明确课题目标、待解决的问题和关键点，还需要预测学生在实验中易出现的问题，以及解决方案。[11]所以教师要充分关注实验过程，开展定期的检查工作。这类课题促使学生由单元设计向系统设计过渡，掌握传感器、虚拟仪器、电子电路和检测系统设计等技能，培养学生初步的科研能力。

此外，根据学生的兴趣实施因材施教，积极引导学生参与竞赛项目，如虚拟仪器设计大赛等，培养高素质的创新型拔尖人才。

4.开展研讨式、启发式、探讨式的实验教学方式

针对当前的“教师讲，学生做”的被动型教学方式，在设计型实验中，我们采用研讨式、启发式、探讨式的教学方式。转变学生的消极学习方式，构建开放的学习环境，创造学生主动参与、自主协作、探索创新的新型教学方式，[12]激發学生的探索创新，加强学生独立操作、思考分析和相互协作的能力。

通过发布实验项目指南代替实验指导书，项目指南提供实验内容和参考资料，而非具体的方案和详细的实验步骤，实现“以教师为引导，学生为主体”。[13]每3名学生组成学习小组，自主选择课题，查找资料确定方案交由教师审核，包括完整的电路图、设计计算、仿真结果等。教师参与小组讨论和提供指导。项目完成后，以小组为单位进行汇报。实验评价分三部分：教师评价、学生自评、组内互评。总体评价除了注重实验设计、实验过程、问题的解决方案和实验成果外，还要关注协作能力和个体发展等，避免以往实验成绩单靠实验报告“一刀切”的评价方式。

三、开放式虚实结合的实验教学模式的评估

该实验教学模式在我校电子信息工程系08级、09级学生中试行。学生先后完成了基础型虚拟实验和基于Labview的设计型实验。

1.实验完成情况

从实验完成情况分析，虚拟实验便于学生随时随地自主学习和复习，基础知识点掌握较扎实。“虚实结合”的设计型实验拓扑图的复杂性也远远大于实物实验的设计。

2.问卷调查结果

为了客观评价该实验教学模式和进一步完善，进行学生的问卷调查，具体回收情况如表1所示。问卷包括10道题目，其中7个多选题和3个开放型问答题，内容包括学生对实验模式的认可程度、教学效果评价以及实验方式选用情况等方面。具体问卷调查结果如表2所示。

实验方式的认可度和教学效果均超过4分，说明大多数学生对实验方式的评价较高。不少学生认为，虚实结合的实验方式能更深入地了解实验过程，掌握相关知识，弥补实物实验不足。实验时间与地点灵活，结合网站，实现远程学习。基础型和设计型实验的采用率均高于90%，越来越多的学生肯定了该实验模式的必要性。

3.学习情况跟踪

实验模式的改革极大地提高了学生的学习兴趣。在毕业设计选题中，选择与该课程相关题目的学生数量大幅度增加，去年达到了30%。同时，实验模式的改革极大地提升了学生的应用能力。不少学生在学科竞赛中取得不错的成绩。部分学生反映，课程改革对其深造和就业有着积极意义。

四、结论

我系以“传感器技术及应用”为例，从教学资源、实验环境、课外实践、教学方式等方面改革，构建开放式虚实结合实验教学模式。不仅实现了应用型人才全方位的培养，而且激发了学生的主观能动性与创造性思维。此外，该教学模式的研究对提高实验教学质量有积极作用，对实验教学体系和方法均有借鉴与思考意义。

参考文献：

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[13]赵方，苏咏梅.基于CDIO的高职电子专业项目化教学探索与实践[J].教育与职业，2014，（24）.

（责任编辑：刘翠枝）