王志瓊 劉津彤 劉繼明 張碩

摘 要 從線上實驗教學(xué)內(nèi)容、實驗教學(xué)手段、實驗教學(xué)方法和實驗過程評價四大方面進行線上實驗教學(xué)模式探索。設(shè)計綜合考慮實驗安全教育、實驗項目和實驗試題等五個方面的線上實驗教學(xué)內(nèi)容，研究包含微視頻實驗、虛擬仿真實驗、虛擬現(xiàn)實實驗等六種線上實驗教學(xué)手段，探討基于基礎(chǔ)型，綜合型和創(chuàng)新研究型三種不同實驗類型的線上實驗教學(xué)方法，建立貫穿整個線上實驗教學(xué)過程的考核評價體系。重點研究了線上實驗教學(xué)的可操作性，對整體實驗教學(xué)模式進行了合理的規(guī)劃，并在實際教學(xué)中進行了應(yīng)用和驗證。線上實驗教學(xué)模式的探索對實驗教學(xué)的改革和發(fā)展有積極的促進作用。

關(guān)鍵詞 線上實驗教學(xué) 教學(xué)模式 虛擬仿真 虛擬現(xiàn)實 在線直播

中圖分類號：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.10.046

Abstract This paper explores the online experimental teaching mode from four aspects： online experimental teaching content， experimental teaching means， experimental teaching methods and experimental process evaluation. The online experiment teaching content is designed to comprehensively consider five aspects of experiment safety education， experiment project and experiment questions. Six kinds of online experiment teaching methods including micro video experiment， virtual simulation experiment and virtual reality experiment are studied. The online experiment teaching methods based on three different experimental types of basic type， comprehensive type and innovative research type are discussed， and the whole online experiment teaching model is established. This paper focuses on the operability of online experimental teaching， makes a reasonable planning of the overall experimental teaching mode， and carries out the application and verification in the actual teaching. The exploration of online experimental teaching mode has a positive role in promoting the reform and development of experimental teaching.

Keywords online experimental teaching; teaching mode; virtual simulation; virtual reality; live online

實驗教學(xué)是高等學(xué)校教學(xué)活動中一個必不可少的環(huán)節(jié)，對于一些實踐性較強的學(xué)科尤為重要。對于工科類專業(yè)，實驗教學(xué)是應(yīng)用型人才能力培養(yǎng)的關(guān)鍵部分，對于培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力、分析問題、解決問題的能力以及綜合創(chuàng)新能力都是至關(guān)重要的。[1]

近幾年，各高校充分利用在線課程教學(xué)資源，積極開展線上授課和線上學(xué)習(xí)等在線教學(xué)活動。[2-3]在統(tǒng)籌開展遠程教學(xué)的情況下，實驗教學(xué)課程同樣需要與理論在線教學(xué)同步進行，實現(xiàn)對學(xué)生能力的全方面培養(yǎng)。實驗是在理論知識的基礎(chǔ)上進行的實踐，一般以某一目標(biāo)或者某一產(chǎn)品為導(dǎo)向，需要根據(jù)學(xué)生分組，對某一個實驗內(nèi)容進行反復(fù)的教學(xué)，學(xué)生實際動手操作占據(jù)課程的主體時間。尤其工科類專業(yè)，實驗教學(xué)面臨課程項目多、參與人數(shù)多、儀器設(shè)備多等問題，如何快速開展線上實驗教學(xué)具有一定的挑戰(zhàn)。

1 線上實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

基于現(xiàn)有線上教學(xué)平臺，以學(xué)生為中心，以實驗?zāi)繕?biāo)或?qū)嶒灝a(chǎn)品為導(dǎo)向，根據(jù)實驗指導(dǎo)書中的理論知識和實驗現(xiàn)場操作的過程，結(jié)合實驗人數(shù)、實驗學(xué)時、實驗要求等進行線上實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計。線上實驗教學(xué)以課程為單位，內(nèi)容設(shè)計流程如圖1所示，首先向同學(xué)們介紹課程培養(yǎng)目標(biāo)、對學(xué)生進行實驗安全教育，然后以每個實驗項目作為實驗課程的一個章節(jié)，分別講解實驗知識點、實驗?zāi)康?、實驗儀器、實驗原理、實驗內(nèi)容、實驗步驟、實驗結(jié)果分析等，同時對每個實驗項目的學(xué)習(xí)情況進行在線測試，最后學(xué)生根據(jù)線上實驗獲得的數(shù)據(jù)進行線下實驗結(jié)果分析，提交實驗報告。實驗教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計要保證實驗過程清楚、表述簡單，使學(xué)生能夠形象、直觀的學(xué)習(xí)實驗。

2 線上實驗教學(xué)手段研究

2.1數(shù)字化實驗

學(xué)生通過線上觀看網(wǎng)頁版實驗內(nèi)容進行學(xué)習(xí)，或者將實驗教學(xué)資源下載，線下自行學(xué)習(xí)。教師需要將電子版本實驗指導(dǎo)書、實驗講解PPT教案以及實驗視頻等上傳到線上教學(xué)平臺，進行實驗教學(xué)資源共享，幫助學(xué)生預(yù)習(xí)實驗與復(fù)習(xí)實驗。

2.2微視頻實驗

以實驗項目為單位錄制微視頻，最終整合成微視頻實驗課程，學(xué)生通過在線觀看視頻學(xué)習(xí)，首次學(xué)習(xí)需要按照學(xué)習(xí)進度依次學(xué)習(xí)，全部學(xué)習(xí)完成之后也可以自由選擇分段學(xué)習(xí)，根據(jù)掌握情況重復(fù)學(xué)習(xí)部分實驗內(nèi)容。

2.3虛擬仿真實驗

學(xué)生通過仿真軟件進行虛擬操作完成實驗，教師在線進行交流指導(dǎo)。通過建立虛擬仿真實驗室，實現(xiàn)虛擬實驗室設(shè)備儀器的三維立體觀看與操作，實驗操作過程基本與線下現(xiàn)場實驗操作過程一致。同時每一個實驗操作步驟都設(shè)置相應(yīng)的分值，如果操作正確，給予分值，學(xué)生可以繼續(xù)操作;如果操作錯誤，根據(jù)錯誤次數(shù)扣除分值，設(shè)定多次錯誤操作后提示正確操作步驟，保證學(xué)生繼續(xù)操作。

2.4虛擬現(xiàn)實實驗

教師遠程實時指導(dǎo)學(xué)生在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下進行操作。借助5G通信技術(shù)和虛擬現(xiàn)實設(shè)備，開發(fā)虛擬現(xiàn)實實踐教學(xué)系統(tǒng)，通過發(fā)布的虛擬現(xiàn)實實驗實現(xiàn)多人協(xié)同同地、異地操作，教師實時遠程協(xié)助與指導(dǎo)，給予學(xué)生實驗過程強烈的沉浸感和操作感，在有效規(guī)避現(xiàn)實實驗操作的安全隱患下，達到猶如現(xiàn)場實驗般的體驗。

2.5遠程操作實驗

根據(jù)學(xué)生的遠程指導(dǎo)和互動需求，教師在實驗現(xiàn)場幫助學(xué)生進行實驗操作，整個實驗過程通過直播形式分享給學(xué)生，學(xué)生可以根據(jù)實驗?zāi)繕?biāo)解決實際實驗中出現(xiàn)的問題，并且獲得實驗現(xiàn)象、實驗數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果。遠程操作實驗只需要在實驗室安裝錄播裝置即可，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)進行遠程實驗學(xué)習(xí)與觀察。

2.6在線直播實驗

教師在實驗室進行邊操作邊講解，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)實時觀看學(xué)習(xí)實驗內(nèi)容和實驗操作過程，最后將實驗操作數(shù)據(jù)結(jié)果記錄下來，并進行實驗結(jié)果處理分析。在整個實驗過程中學(xué)生全程參與，教師和學(xué)生可以實時互動交流，達到實驗教學(xué)目的。

3 線上實驗教學(xué)方法探索

針對基礎(chǔ)型實驗，綜合型實驗和創(chuàng)新研究型實驗等不同類型的實驗，分別探索合理的實驗教學(xué)方法，能夠起到更好的實驗教學(xué)效果，如圖2所示。

3.1 基礎(chǔ)型實驗

基礎(chǔ)型實驗主要是理論課程中包含的實驗，一般為4-12學(xué)時，包含1-6個實驗項目，每個實驗項目2-4學(xué)時?；A(chǔ)型實驗的實驗人數(shù)一般較多，實驗項目多為驗證性、演示性等類型，通過實驗加深學(xué)生對理論知識點的理解，掌握實驗的儀器操作和數(shù)據(jù)處理等知識點。對于基礎(chǔ)型實驗，以實驗對應(yīng)的理論課程為單位，以每個實驗項目為實驗章節(jié)，進行線上實驗教學(xué)：（1）實驗的講解可以通過兩種方式實現(xiàn)，一種是教師提前錄制好實驗視頻，學(xué)生觀看視頻學(xué)習(xí)，另一種是教師直接到實驗室實時錄播講解實驗;（2）每個實驗結(jié)束后學(xué)生可以通過教師設(shè)置的實驗試題進行簡單測試，試題一般設(shè)定為是非題和選擇題;（3）實驗課前和課后，學(xué)生分別可以通過線上實驗資源進行預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí);（4）若該實驗具備線上虛擬仿真或者虛擬現(xiàn)實的條件，則可以在線上學(xué)習(xí)之后進行虛擬仿真和虛擬現(xiàn)實實驗操作;（5）學(xué)生根據(jù)線上實驗所獲得的實驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析和處理，提交實驗報告;（6）在實驗過程中，學(xué)生和學(xué)生之間，學(xué)生和教師之間皆可以線上邊學(xué)習(xí)邊交流，也可以課后通過QQ、微信等進行交流討論。

3.2 綜合型實驗

綜合型實驗多為獨立設(shè)課、獨立記學(xué)分的實驗，實驗學(xué)時為16學(xué)時或者1-2周，這類實驗層次分明、綜合性強、知識點集成度高，旨在提高學(xué)生綜合知識運用能力。[4]綜合型實驗以產(chǎn)品或典型機構(gòu)為導(dǎo)向，實驗流程與基礎(chǔ)型實驗基本一致，將每個實驗項目設(shè)置為單元章節(jié)，此外以小組合作與討論方式進行實驗操作，最終以答辯形式進行實踐結(jié)果匯報。

3.3 創(chuàng)新研究型實驗

創(chuàng)新研究型實驗多為開放創(chuàng)新性的選修實驗課程，實驗學(xué)時一般8學(xué)時以上，實驗人數(shù)相對較少。實驗以理論課程為基礎(chǔ)，以學(xué)生為中心，結(jié)合科研項目進行自主創(chuàng)新的實驗設(shè)計，通過拓展和深化實驗教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力。根據(jù)創(chuàng)新研究型實驗的特點和實驗思想，進行線上實驗教學(xué)設(shè)計與構(gòu)建：（1）將實驗相關(guān)知識點制作成實驗資源，學(xué)生在實驗前通過平臺下載實驗資源進行相關(guān)理論的學(xué)習(xí);（2）根據(jù)學(xué)習(xí)情況，學(xué)生3-5人自行分組，以小組為單位，根據(jù)實驗?zāi)繕?biāo)與要求進行實驗設(shè)計，在實驗設(shè)計過程中，小組要通過線上平臺進行交流、研討，同時教師給予指導(dǎo);（3）根據(jù)設(shè)計的實驗內(nèi)容，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)視頻遠程在線互動指導(dǎo)，教師到實驗室?guī)椭鷮W(xué)生完成實驗操作，將實驗結(jié)果反饋給學(xué)生;（4）學(xué)生以小組為單位對實驗結(jié)果進行討論與數(shù)據(jù)處理分析，形成總結(jié)報告;（5）以在線視頻方式進行小組答辯，獲得實驗成績和教學(xué)反饋。

4 線上實驗考核評價體系建設(shè)

線上實驗的考核與評價貫穿整個實驗教學(xué)過程，從實驗考勤、學(xué)習(xí)測試、在線操作到實驗報告、實驗互動，全方位考察學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，包括知識點掌握、儀器設(shè)備了解、實驗操作、數(shù)據(jù)處理、實驗結(jié)果分析能力等方面，嚴格實行實驗教學(xué)過程的監(jiān)督與控制，保證實驗教學(xué)評價的客觀性和合理性，提高實驗教學(xué)質(zhì)量。在實驗教學(xué)過程考核評價中，采用加權(quán)法評定實驗成績，借助實驗教學(xué)信息化管理平臺，分別給予各實驗考核部分一定的權(quán)重，然后將各項成績加權(quán)獲得實驗的最終成績（圖3）。

5 結(jié)語

信息技術(shù)、智能技術(shù)與實驗教學(xué)的深度融合實現(xiàn)了學(xué)生實驗學(xué)習(xí)、實驗選課、實驗教學(xué)管理和實驗教學(xué)資源的信息化，使得實驗教學(xué)的實施與管理更便捷、更有效。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)永遠無法通過線上實驗教學(xué)來取代，但是線上實驗教學(xué)能夠有效的輔助線下實驗教學(xué)的快速完成，因此線上線下實驗教學(xué)是相輔相成、相互補充的。對于工科類專業(yè)的部分實驗，形成線上線下相結(jié)合的混合式實驗教學(xué)模式，有助于學(xué)生通過線上教學(xué)實現(xiàn)自我學(xué)習(xí)，全面掌握實驗理論知識和操作過程，起到更好的實驗教學(xué)效果。在未來的實驗教學(xué)過程中，需要對在線教學(xué)模式進行不斷的完善和改革，研究和探索線上線下實驗教學(xué)模式的相互融合、相互促進的內(nèi)在規(guī)律，充分發(fā)揮實驗教學(xué)在人才培養(yǎng)中的作用。

基金項目：2020年吉林省高等教育教學(xué)改革研究課題：虛擬現(xiàn)實實踐教學(xué)平臺建設(shè)與應(yīng)用研究（2019XYB122）;教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目：基于機械專業(yè)的混合式VR教育師資培訓(xùn)體系建設(shè)與應(yīng)用（201901230010）

參考文獻

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