毛景魁 仝戰(zhàn)營

摘 要：目前，新冠疫情的肆虐打破了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。根據(jù)當(dāng)前形勢，依托計(jì)算機(jī)通信與仿真技術(shù)，在電類專業(yè)開展虛擬仿真與實(shí)際實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)實(shí)踐，完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中注重虛實(shí)結(jié)合，貼近實(shí)際生活，寓教于虛，訓(xùn)練于實(shí)，保證實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的可行性和系統(tǒng)性。實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施效果表明，虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式符合教學(xué)目標(biāo)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生清楚為何而學(xué)，所學(xué)為何，切實(shí)提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：新冠疫情 電類專業(yè) 虛擬仿真 虛實(shí)結(jié)合 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式 實(shí)驗(yàn)評價

1 引言

2019年末，爆發(fā)了突如其來的新冠肺炎疫情。新冠肺炎疫情給人類帶來了全方位的沖擊和影響，至今仍然沒有結(jié)束的趨勢。為了防止新冠肺炎疫情蔓延，各高校先后采取了封閉管理，傳統(tǒng)教學(xué)秩序被迫進(jìn)行改變，減少甚至取消現(xiàn)線下教學(xué)，推廣線上教學(xué)（網(wǎng)課）[1-3]。利用各種現(xiàn)代信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備繼續(xù)教學(xué)內(nèi)容成為新冠疫情背景下的重要教學(xué)手段，虛擬仿真也理所當(dāng)然的成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)際操作之外的首選途徑[4]。

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，指導(dǎo)老師通常根據(jù)實(shí)驗(yàn)大綱設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，在固定場所中指導(dǎo)學(xué)生使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行操作，通過實(shí)際儀器設(shè)備的操作、線路連接、數(shù)據(jù)測量以及電路故障排查等實(shí)踐環(huán)節(jié)使學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)原理，達(dá)到理論與實(shí)踐結(jié)合的目的[5-7]。

在疫情背景下，如何充分發(fā)揮虛擬仿真在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要作用，回歸實(shí)驗(yàn)教學(xué)的本質(zhì)，線上虛擬仿真與線下實(shí)操并重，虛實(shí)結(jié)合，提升學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力[8]，成為目前教學(xué)模式改革的主要方向。因此，結(jié)合目前疫情管控形勢，立足河南工學(xué)院電類專業(yè)電氣控制與PLC課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，結(jié)合虛擬仿真和實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作的優(yōu)點(diǎn)，本文提出虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，并在在校生中實(shí)施，取得了較好的教學(xué)效果。

2 虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

實(shí)際實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生動手能力的重要途徑，虛擬仿真是實(shí)際實(shí)驗(yàn)的輔助。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，必須在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中自己親自動手并解決遇到的問題才能真正獲得[9，10]。為此，教育部高教司明確提出了“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)十二字原則[11，12]。鑒于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)對于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各自優(yōu)勢，本文提出“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)使得每個學(xué)生可以獨(dú)立操作，獲得的實(shí)驗(yàn)技能通過正向遷移，反映到實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，有利于養(yǎng)成實(shí)驗(yàn)技能。實(shí)際實(shí)驗(yàn)不僅培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作精神，而且通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的反向映射，可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的掌握程度，進(jìn)而有針對性的調(diào)整實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)的互相促進(jìn)關(guān)系如圖1所示。

在實(shí)際教學(xué)實(shí)施過程中，充分融合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)，真正形成虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，才能有效提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果與質(zhì)量[13-15]。

3 教學(xué)模式的實(shí)施

在虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中，虛擬仿真可以完成實(shí)驗(yàn)原理驗(yàn)證，確保學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)?zāi)康模煜?shí)驗(yàn)流程和正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)際操作時，可以避免學(xué)生盲目實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)出錯或者結(jié)果偏差較大時，學(xué)生茫然不知所措的情形。通過實(shí)施虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，不僅提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)效率，而且使學(xué)生軟硬兼?zhèn)?，并通過虛擬仿真界面，使學(xué)生了解所作實(shí)驗(yàn)與實(shí)際生活中對應(yīng)的實(shí)物或設(shè)備，提高他們的成就感，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。因此，虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式積極促進(jìn)高校大學(xué)生工程素質(zhì)的培養(yǎng)，主要體現(xiàn)在下面2個方面。

（1）模擬實(shí)際應(yīng)用，虛擬仿真與實(shí)際操作相結(jié)合，有助于深刻理解控制系統(tǒng)，提高實(shí)驗(yàn)效率

以電氣控制與PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)常用的交通燈控制實(shí)驗(yàn)為例。實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作平臺繪制十字路口，并設(shè)置紅綠黃三種顏色的發(fā)光二極管表示路口交通燈狀態(tài)，如圖2（b）所示。此種實(shí)驗(yàn)方式簡單復(fù)現(xiàn)了十字路口的交通燈狀態(tài)，但缺少環(huán)境參照，學(xué)生缺乏身臨其境的感覺。其次，實(shí)驗(yàn)前需要系統(tǒng)連線。如果學(xué)生不熟悉平臺，或者實(shí)際動手能力差而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)接線有問題時，往往得不到正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此時，如何確定是硬件故障還是程序錯誤，這對于作為初學(xué)者的學(xué)生來說，無疑是一個艱巨的任務(wù)。

以虛擬仿真先行的虛擬仿真系統(tǒng)中，學(xué)生可以首先進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，無需擔(dān)心硬件故障。而且，切入真實(shí)仿真環(huán)境，可以使學(xué)生有身臨其境的感覺，提高實(shí)驗(yàn)的認(rèn)同感，如圖2（a）所示。在虛擬仿真階段運(yùn)行成功的程序，在進(jìn)行實(shí)際操作時，可以排除程序錯誤，專心排查硬件故障，減小時間浪費(fèi)，提高實(shí)驗(yàn)效率。

（2）貼近真實(shí)環(huán)境，強(qiáng)化現(xiàn)場感受

電氣控制與PLC是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。只有多結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，學(xué)生才能深刻理解所學(xué)的知識和應(yīng)用場景。如生產(chǎn)車間的行車及其控制系統(tǒng)，體積龐大，一般安裝于車間上方，占用較大的空間。雖然行車的電氣控制系統(tǒng)和操作簡單，但如果不到現(xiàn)場，就難以感受到電氣控制系統(tǒng)對于行車運(yùn)動的重要意義。

結(jié)合三維虛擬仿真軟件，不僅可以看到行車控制電路的組成，而且還可以形象的演示電動葫蘆的運(yùn)動情況，使學(xué)生體會到貼合實(shí)際的控制效果，如圖3（a）所示。此外，使用仿真模擬軟件，使用電動推桿代替電動葫蘆，可以實(shí)時查看電氣控制電路的運(yùn)行情況，為學(xué)生學(xué)習(xí)電氣控制系統(tǒng)提供便利，如圖3（b）所示。

因此，結(jié)合真實(shí)的控制系統(tǒng)或者實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，不僅可以完成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的任務(wù)，還可以使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更貼近實(shí)際生活，使學(xué)生知道為何而學(xué)，所學(xué)為何，寓教于虛，訓(xùn)練于實(shí)。

4 評價方式及評價結(jié)果

在電氣控制與PLC課程實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行虛擬仿真與實(shí)際實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)實(shí)踐，其實(shí)驗(yàn)效果是否符合教學(xué)要求，需要根據(jù)培養(yǎng)計(jì)劃要求和實(shí)施效果進(jìn)一步確定。

（1）培養(yǎng)計(jì)劃要求

根據(jù)河南工學(xué)院智能電網(wǎng)信息工程專業(yè)2019級培養(yǎng)計(jì)劃，電氣控制與PLC課程對于畢業(yè)生能力的支撐強(qiáng)度如表1所示。

根據(jù)電氣學(xué)院畢業(yè)生的能力要求，可以看出，電氣控制與PLC對于畢業(yè)生實(shí)踐能力、解決工程實(shí)際問題的能力為強(qiáng)支撐；對于分析問題和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析數(shù)據(jù)等為中等支撐。電氣控制與PLC課程作為實(shí)踐課程，提升學(xué)生實(shí)際動手能力的重要地位再次得以體現(xiàn)。因此，做好實(shí)驗(yàn)教學(xué)，切實(shí)提升學(xué)生實(shí)踐能力至關(guān)重要。

（2）實(shí)施結(jié)果對比

根據(jù)實(shí)際教學(xué)情況，以平行班級88人作為對照組，智能電網(wǎng)2019級79名學(xué)生作為研究組，將累計(jì)實(shí)驗(yàn)時長和實(shí)驗(yàn)課成績考核結(jié)果作為考核指標(biāo)，分別進(jìn)行對比，如圖4所示。

由對照組、研究組的學(xué)生累計(jì)實(shí)驗(yàn)時長和實(shí)驗(yàn)課考核成績對比結(jié)果可以看出，實(shí)行虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式后，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣被有效的激發(fā)出來，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果也隨之得到明顯提升。

5 結(jié)論

在當(dāng)前新冠疫情背景下，為提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效果，分別在虛擬仿真環(huán)境與實(shí)際實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，解決了實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量與學(xué)生人數(shù)之間的矛盾。首先在仿真環(huán)境中獲得正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，然后在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行交叉環(huán)境、多教學(xué)層次和多種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降膶?shí)驗(yàn)教學(xué)。依托計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、方法和技術(shù)等方面與時俱進(jìn)，不斷完善實(shí)驗(yàn)手段，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)的執(zhí)行效果表明，虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式可以拓寬學(xué)生知識視野，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高了電類專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)成效，為學(xué)生的后續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

基金項(xiàng)目：河南工學(xué)院教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目（DQXY-2019010，2021-YB033）。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭宏，謝作栩，王婧.后疫情時代高校教師在線教學(xué)態(tài)度的調(diào)查研究[J].華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)（ 教育科學(xué)版）， 2020， 38（7） ： 54-64.

[2] 郁悅，張紹文，張樂天.后疫情時代高校在線教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)融合發(fā)展的路徑探析[J]. 教育探索， 2020（12） ：42-46.

[3] 王竹立.后疫情時代， 教育應(yīng)如何轉(zhuǎn)型？[J]. 電化教育研究， 2020， 41（4） ：13-20.

[4] 許雨喬，宋為娟.虛實(shí)結(jié)合的新型教學(xué)模式在微生物檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代醫(yī)藥衛(wèi)生，2022，38（18）：3202-3204.

[5] 苗風(fēng)東，陳永超，丁電寬，鄒玉煒.虛實(shí)結(jié)合的電類專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)模式研究——以安陽師范學(xué)院為例[J].安陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2018（05）：132-135.

[6] 高攀，鄒胤，湯超，劉揚(yáng)開，王曉軍.虛實(shí)結(jié)合的工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺和方法[J].機(jī)電工程技術(shù)，2022，51（09）：116-121.

[7] 蔡曉磊，朱孝勇，徐磊，黃永紅，康梅.新常態(tài)下“虛實(shí)結(jié)合”開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索[J].中國教育信息化，2022，28（08）：110-115.

[8] 夏定元，張家亮，王永圣，羅強(qiáng)，石道生.虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺助力創(chuàng)新人才培養(yǎng)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索， 2022， 41（01）：165-168.

[9] 強(qiáng)彥，趙涓涓，吳俊霞，董云云，武儀佳.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中的幾點(diǎn)問題思考[J].計(jì)算機(jī)教育，2020（02）：72-75.

[10]謝愛娟，劉文杰，孔泳，羅士平，陳艷麗.新工科視域下虛實(shí)結(jié)合的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索[J].化工高等教育，2022，39（04）：68-73+115.

[11] 楊麗艷. 思想政治理論課虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺的構(gòu)建[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索， 2016， 35（5）： 272-274， 295.

[12]王滿意，渠暉，張銳，寧信，楊曉峰，高振元，虞俊超.虛實(shí)結(jié)合的體驗(yàn)式實(shí)驗(yàn)室安全培訓(xùn)探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2022，39（08）：205-209.

[13］汪明珠，毛德梅，趙江東，黃濟(jì)，李澤彬.“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在基礎(chǔ)電子實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].中國新通信，2018，20（03）：188-189.

[14]王永玲，李劍鋒，徐悅.虛實(shí)結(jié)合的便攜式“計(jì)算機(jī)控制”實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)建與應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2022，41（06）：86-91.

[15]朱麗軍，呂勇，王斌，高振元.“虛實(shí)結(jié)合”的開放式嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].嘉興學(xué)院學(xué)報(bào)：1-6.