張靜?肖明

摘要：創(chuàng)新應(yīng)用型人才的培養(yǎng)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深化與改革提出了新命題，構(gòu)建開放式虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是一種有效的解決方案。以“傳感器技術(shù)與應(yīng)用”為例，整合和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建開放式網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，建立“科研融入教學(xué)”等課外科技實(shí)踐機(jī)制，開展研討式、啟發(fā)式、探討式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，形成了適應(yīng)時(shí)代需求的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。實(shí)踐證明，該實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革培養(yǎng)了學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，取得顯著的成效。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué)；創(chuàng)新應(yīng)用型人才；開放式實(shí)驗(yàn)；虛擬實(shí)驗(yàn)；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）36-0176-02

隨著我國建設(shè)“產(chǎn)業(yè)信息化”和“信息產(chǎn)業(yè)化”強(qiáng)國戰(zhàn)略的提出，培養(yǎng)滿足電子信息類產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的創(chuàng)新應(yīng)用型人才已成為高校人才培養(yǎng)的重要目標(biāo)之一。[1]實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、開拓創(chuàng)新意識(shí)和提升綜合素質(zhì)的重要途徑。因此，深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量成為當(dāng)前高校教學(xué)改革的重要任務(wù)。[2]目前，高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)已難以滿足學(xué)科發(fā)展所需，開放式實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健⑻摂M實(shí)驗(yàn)等均是有效的解決方法。

“傳感器技術(shù)及應(yīng)用”是一門既注重理論更注重實(shí)踐的課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是幫助學(xué)生理解原理、加深認(rèn)識(shí)以達(dá)到學(xué)以致用的必要途徑。[3]但由于傳感器類型眾多、更新較快，因此建立完備的實(shí)驗(yàn)環(huán)境是比較困難的。我系基于培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型人才的指導(dǎo)思想，結(jié)合課程的具體內(nèi)容，提出開放式虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。經(jīng)過一系列教學(xué)改革與實(shí)踐，現(xiàn)已初見成效。

一、開放式虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的提出

虛擬實(shí)驗(yàn)是指綜合運(yùn)用多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)仿真軟件等產(chǎn)生和發(fā)展的一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式，不同于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式和技術(shù)手段，通過軟件模擬技術(shù)來達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)的效果。[4]它既能解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足和價(jià)格昂貴的問題，又不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制，還可為網(wǎng)絡(luò)教育和遠(yuǎn)程教育提供支撐。但虛擬實(shí)驗(yàn)也有不足之處，如不能完全反映實(shí)物實(shí)驗(yàn)所面臨的環(huán)境影響，實(shí)驗(yàn)步驟無法完全和現(xiàn)實(shí)細(xì)節(jié)一一對應(yīng)等。[5]實(shí)物實(shí)驗(yàn)有利于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題和動(dòng)手操作能力。開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，是指實(shí)驗(yàn)時(shí)間、空間、內(nèi)容、手段及教學(xué)方法等都是開放的，[1]學(xué)生還可根據(jù)自己的能力和愛好，選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，也可將自己的創(chuàng)意帶入實(shí)驗(yàn)。

“傳感器技術(shù)及應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)課分為兩大類：基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)。目前，實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在如下問題：

作為一門專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)，教學(xué)定位未得到充分重視。傳統(tǒng)觀念上，實(shí)驗(yàn)教學(xué)依賴于理論教學(xué)，學(xué)生參與自主度不高，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程基本固定，從而導(dǎo)致學(xué)生漠視實(shí)驗(yàn)課程，如不認(rèn)真預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，機(jī)械地按照教師講解或?qū)嶒?yàn)教材上的實(shí)驗(yàn)步驟完成，甚至部分學(xué)生抄襲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。[6]實(shí)驗(yàn)教學(xué)已不能滿足高素質(zhì)的應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需求。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)受到許多限制，如實(shí)驗(yàn)場地、時(shí)間；實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊、數(shù)量有限，許多先進(jìn)的新型傳感器無法及時(shí)更新；檢測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)難度大等問題。虛擬實(shí)驗(yàn)的開設(shè)不僅能彌補(bǔ)實(shí)物實(shí)驗(yàn)的上述不足，還將對現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)提供有力的補(bǔ)充。由于電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，基于虛擬儀器的現(xiàn)代檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生，在課程設(shè)計(jì)中引入虛擬儀器Labview具有重要意義。

現(xiàn)有不少文獻(xiàn)[5-9]提及虛擬實(shí)驗(yàn)在各個(gè)課程的實(shí)施案例，也有部分提出虛實(shí)結(jié)合的方案，但極少從分析具體的教學(xué)內(nèi)容，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和動(dòng)手操作能力為出發(fā)點(diǎn)，從虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合這一方面進(jìn)行論述。

針對上述問題，以“傳感器技術(shù)及應(yīng)用”課程為例，我系進(jìn)行了開放式虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探析。

二、以“傳感器技術(shù)與應(yīng)用”為例的應(yīng)用探索

1.整合和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，建立“逐層深入，虛實(shí)結(jié)合”的資源體系。

我系在“重構(gòu)合理的知識(shí)體系，鍛煉專業(yè)技能和培養(yǎng)綜合素質(zhì)”的教學(xué)理念指導(dǎo)下，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，對傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行梳理、整合，發(fā)揮實(shí)物實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)各自的優(yōu)勢，虛實(shí)結(jié)合，各取所長，各補(bǔ)其短，建立以培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力為核心的“逐層深入，虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，“逐層深入”是指基礎(chǔ)型、綜合設(shè)計(jì)型（課程設(shè)計(jì)）和研究創(chuàng)新型三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)群逐層遞進(jìn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系如圖1所示。

其中，大部分基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)改為虛擬實(shí)驗(yàn)的形式。這類實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)在于加深學(xué)生對理論知識(shí)的理解，加強(qiáng)基本技能的鍛煉。采用虛擬實(shí)驗(yàn)的形式，方便學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)，減少設(shè)備的損耗，而且利用課程網(wǎng)站，便于實(shí)行遠(yuǎn)程式、個(gè)性化教學(xué)。學(xué)生不僅能自由安排自己的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，重點(diǎn)攻克自己的學(xué)習(xí)難點(diǎn)，還能按照自己的進(jìn)度，自主地選擇所需的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。[3]隨著現(xiàn)代測量技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬儀器在智能化程度、處理能力、性價(jià)比及可操作性等方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，在檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中備受關(guān)注。[10]因此，將虛擬儀器Labview引入了設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，結(jié)合真實(shí)電路完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。Labview幫助學(xué)生更易于完成較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，而真實(shí)的傳感器、數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)更好地培養(yǎng)學(xué)生全面動(dòng)手操作的能力，“虛實(shí)結(jié)合”的方式更好地提高學(xué)生全方位的綜合應(yīng)用能力。

2.以課程網(wǎng)站為載體，構(gòu)建開放式網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

為了更好地實(shí)施開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，利用課程網(wǎng)站為載體，采用多媒體、計(jì)算機(jī)編程技術(shù)等，構(gòu)建開放式網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)環(huán)境結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要分為虛擬實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)輔助模塊、成果展示模塊等三大模塊。其中：在虛擬實(shí)驗(yàn)室模塊中發(fā)布豐富的虛擬實(shí)驗(yàn)資源，支持學(xué)生進(jìn)行在線的基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)。利用Flash與Visio C++兩種技術(shù)，開發(fā)所占空間小且功能強(qiáng)大的虛擬實(shí)驗(yàn)室。虛擬實(shí)驗(yàn)室不僅為學(xué)生的課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)提供便利，還可用于課程教學(xué)演示。虛擬實(shí)驗(yàn)降低學(xué)生對硬件實(shí)驗(yàn)的畏難情緒，不受硬件設(shè)備的限制，增強(qiáng)了趣味性，提高了學(xué)生的自信心。實(shí)驗(yàn)輔助模塊發(fā)布實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目指南、時(shí)間安排表、背景知識(shí)等資源，為開放式實(shí)驗(yàn)提供信息交互的服務(wù)。輔助模塊激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情，提高設(shè)計(jì)分析能力。在成果展示模塊中展示往屆學(xué)生的優(yōu)秀作品，使學(xué)生充滿成就感，鼓勵(lì)學(xué)生不拘泥于既有的實(shí)驗(yàn)方案，發(fā)揮創(chuàng)新能力。

開放式的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境使學(xué)生參與整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，包括實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)等。學(xué)生還可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求和個(gè)人的學(xué)習(xí)情況，自由選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，鼓勵(lì)學(xué)生“百花齊放”地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，獲得良好的實(shí)驗(yàn)效果。

3.實(shí)時(shí)更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，建立“科研融入教學(xué)”等課外科技實(shí)踐機(jī)制

在研究、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容設(shè)置中，融入教師的科研項(xiàng)目，開設(shè)相關(guān)的課題，引導(dǎo)并組織部分學(xué)生參加。由于這類課題有一定的難度，學(xué)生對其中的技術(shù)和內(nèi)容比較陌生，教師除了明確課題目標(biāo)、待解決的問題和關(guān)鍵點(diǎn)，還需要預(yù)測學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中易出現(xiàn)的問題，以及解決方案。[11]所以教師要充分關(guān)注實(shí)驗(yàn)過程，開展定期的檢查工作。這類課題促使學(xué)生由單元設(shè)計(jì)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)過渡，掌握傳感器、虛擬儀器、電子電路和檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)等技能，培養(yǎng)學(xué)生初步的科研能力。

此外，根據(jù)學(xué)生的興趣實(shí)施因材施教，積極引導(dǎo)學(xué)生參與競賽項(xiàng)目，如虛擬儀器設(shè)計(jì)大賽等，培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新型拔尖人才。

4.開展研討式、啟發(fā)式、探討式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式

針對當(dāng)前的“教師講，學(xué)生做”的被動(dòng)型教學(xué)方式，在設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)中，我們采用研討式、啟發(fā)式、探討式的教學(xué)方式。轉(zhuǎn)變學(xué)生的消極學(xué)習(xí)方式，構(gòu)建開放的學(xué)習(xí)環(huán)境，創(chuàng)造學(xué)生主動(dòng)參與、自主協(xié)作、探索創(chuàng)新的新型教學(xué)方式，[12]激發(fā)學(xué)生的探索創(chuàng)新，加強(qiáng)學(xué)生獨(dú)立操作、思考分析和相互協(xié)作的能力。

通過發(fā)布實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目指南代替實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，項(xiàng)目指南提供實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和參考資料，而非具體的方案和詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟，實(shí)現(xiàn)“以教師為引導(dǎo)，學(xué)生為主體”。[13]每3名學(xué)生組成學(xué)習(xí)小組，自主選擇課題，查找資料確定方案交由教師審核，包括完整的電路圖、設(shè)計(jì)計(jì)算、仿真結(jié)果等。教師參與小組討論和提供指導(dǎo)。項(xiàng)目完成后，以小組為單位進(jìn)行匯報(bào)。實(shí)驗(yàn)評價(jià)分三部分：教師評價(jià)、學(xué)生自評、組內(nèi)互評?？傮w評價(jià)除了注重實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)過程、問題的解決方案和實(shí)驗(yàn)成果外，還要關(guān)注協(xié)作能力和個(gè)體發(fā)展等，避免以往實(shí)驗(yàn)成績單靠實(shí)驗(yàn)報(bào)告“一刀切”的評價(jià)方式。

三、開放式虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的評估

該實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在我校電子信息工程系08級、09級學(xué)生中試行。學(xué)生先后完成了基礎(chǔ)型虛擬實(shí)驗(yàn)和基于Labview的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。

1.實(shí)驗(yàn)完成情況

從實(shí)驗(yàn)完成情況分析，虛擬實(shí)驗(yàn)便于學(xué)生隨時(shí)隨地自主學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)，基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)掌握較扎實(shí)?！疤搶?shí)結(jié)合”的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D的復(fù)雜性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)物實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。

2.問卷調(diào)查結(jié)果

為了客觀評價(jià)該實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和進(jìn)一步完善，進(jìn)行學(xué)生的問卷調(diào)查，具體回收情況如表1所示。問卷包括10道題目，其中7個(gè)多選題和3個(gè)開放型問答題，內(nèi)容包括學(xué)生對實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降恼J(rèn)可程度、教學(xué)效果評價(jià)以及實(shí)驗(yàn)方式選用情況等方面。具體問卷調(diào)查結(jié)果如表2所示。

實(shí)驗(yàn)方式的認(rèn)可度和教學(xué)效果均超過4分，說明大多數(shù)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)方式的評價(jià)較高。不少學(xué)生認(rèn)為，虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方式能更深入地了解實(shí)驗(yàn)過程，掌握相關(guān)知識(shí)，彌補(bǔ)實(shí)物實(shí)驗(yàn)不足。實(shí)驗(yàn)時(shí)間與地點(diǎn)靈活，結(jié)合網(wǎng)站，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)。基礎(chǔ)型和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的采用率均高于90%，越來越多的學(xué)生肯定了該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降谋匾浴?/p>

3.學(xué)習(xí)情況跟蹤

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降母母飿O大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在畢業(yè)設(shè)計(jì)選題中，選擇與該課程相關(guān)題目的學(xué)生數(shù)量大幅度增加，去年達(dá)到了30%。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降母母飿O大地提升了學(xué)生的應(yīng)用能力。不少學(xué)生在學(xué)科競賽中取得不錯(cuò)的成績。部分學(xué)生反映，課程改革對其深造和就業(yè)有著積極意義。

四、結(jié)論

我系以“傳感器技術(shù)及應(yīng)用”為例，從教學(xué)資源、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、課外實(shí)踐、教學(xué)方式等方面改革，構(gòu)建開放式虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。不僅實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用型人才全方位的培養(yǎng)，而且激發(fā)了學(xué)生的主觀能動(dòng)性與創(chuàng)造性思維。此外，該教學(xué)模式的研究對提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量有積極作用，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和方法均有借鑒與思考意義。

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（責(zé)任編輯：劉翠枝）