張亞南 文福安

摘 要：虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是學科專業(yè)與信息技術深度融合的產物[1]。為了研究基于虛擬仿真實驗教學系統進行自主學習的過程和效果，文章基于北京郵電大學電子信息虛擬仿真實驗教學中心的虛擬仿真實驗教學平臺，以《集成運算放大器的基本應用—低通濾波器》實驗為例，歸納沒有模擬電路基礎的學習者通過自主學習完成虛擬仿真電路實驗的過程，并采用調查問卷的方式收集學習者的學習效果。實驗結果表明，虛擬實驗可以讓學習者獲得相關的電路知識，虛擬仿真實驗平臺可以作為學習者自主學習的工具，并且在自主學習的過程中提高了學習者的學習興趣和發(fā)現問題解決問題的能力，培養(yǎng)了學習者的探索精神。

關鍵詞：自主學習；虛擬仿真實驗系統；模擬電路；學習效果

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2018）06-0093-04

在現代教育中，實驗教學占有越來越重要的地位，為了培養(yǎng)學生的實際動手能力和觀察能力，很多課程往往需要學生進行大量的實驗，而且許多實驗需要多協同操作才能完成。但現實中許多問題在真實環(huán)境下實驗具有不可見性、危險性或需要昂貴的實驗設備，成為制約教學質量提高的重要因素。虛擬仿真實驗是解決此問題的有效方案[2]。

虛擬實驗教學平臺不僅可以解決上述問題，而且對于提高學習者的學習興趣，激發(fā)學習者的學習動機有很大的幫助。在利用虛擬仿真實驗平臺進行自主學習的過程中，完全是以學習者為中心，學生可以自主調節(jié)學習的時間、地點、順序以及學習的進度，鼓勵學生的自主學習、協作學習，有利于學習者的主動建構，符合建構主義的教育觀和學習觀，具有較高的理論意義和實踐價值[3]。自主學習虛擬實驗還有利于培養(yǎng)學習者的探索精神和實踐能力。學習者在自主學習虛擬仿真實驗的過程中，也提高了遇到問題解決問題的能力，并且確實獲得了實驗的相關知識。將虛擬仿真實驗引入教學有利于推進高等學校實驗教學信息化建設和實驗教學的改革與發(fā)展。

一、 研究現狀及不足

1.虛擬實驗室建設現狀

虛擬仿真實驗室受到了各國高校的普遍關注，我國教育部從2013年起開展了國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作，截止2015年共評審出300個國家級虛擬仿真實驗教學中心?？萍疾?010年將《虛擬實驗教學環(huán)境關鍵技術研究與應用示范》作為“十一五”國家支撐計劃重點項目開展研究，清華大學、北京大學、上海交通大學、北京郵電大學、華南理工大學等高校已陸續(xù)在網上提供了虛擬實驗服務。在國際上有芝加哥伊利諾伊大學的數字化有機化學實驗室，卡羅萊納州立大學利用Java技術建設基于Web的探索式虛擬物理實驗室，密歇根大學為操作系統和高級語言課程建設了虛擬網上系統實驗室等。

2.國內研究現狀及啟示

虛擬仿真實驗與實驗教學的結合方式主要有兩種，一種是先實驗教學后虛擬實驗，這里虛擬實驗主要是用于鞏固知識，完善知識結構，提高學生的動手實踐能力。這也屬于先理論后實驗的教學方式，李旭鋒在《“先實驗后理論”化學教學方法探析》[4]中提出“先理論后實驗”的教學方法會抑制學生在實驗中發(fā)現問題的積極性和探索創(chuàng)新的主動性。另一種是先虛擬實驗后實驗教學，這里虛擬實驗主要是來達到預習實驗的目的，有利于教學更加順利地進行，如藺智挺在《基于虛擬仿真實驗的模擬集成電路實驗教學》[5]一文中，以模擬集成電路實驗教學為例，介紹了安徽大學基于虛擬仿真實驗進行實驗教學改革的做法和效果，利用虛擬仿真實驗中心，緩解了課時的矛盾，較好地達到了預習實驗的目的，拓展了實驗的內容，對實驗教學改革的深化產生了積極而深遠的影響。

虛擬仿真實驗可以作為學生自主學習的資源，培養(yǎng)學生的自主性、探究性學習能力。如潘雪濤、鄔華芝等在《創(chuàng)新虛擬實驗教學模式 培養(yǎng)自主學習能力》[6]一文中提出“三三三”教學理論新模式，其中虛擬實驗室在課前應用，激發(fā)學習者興趣，進行自主預習；在課中應用，主要用于教學互動，提高效率；在課后應用，用于自主復習，自主訓練。多年的實踐證明，教學改革成果顯著，教學效果明顯，學生的自主學習能力和實踐創(chuàng)新能力不斷提高。趙琪、孫紅等在《基礎醫(yī)學虛擬仿真實驗教學平臺構建研究》[7]中，提出開放式網絡化基礎醫(yī)學虛擬仿真實驗平臺豐富了實驗教學內容和手段，逐漸成為學生自主學習、自助學習的重要場所和學習方式，能夠突出探究、實踐和創(chuàng)新，提高學生自主學習和探究性學習能力。

3.當前研究的不足之處

通過以上文獻分析可以看出，廣大研究者對開發(fā)出的虛擬實驗系統在教學中的應用情況不太關注，對虛擬實驗系統應用于教學的過程設計與效果分析、虛擬實驗系統開發(fā)評價等方面的研究不多，尤其是關于學生對虛擬實驗系統學習體驗的調查和從學生視角對使用虛擬實驗系統進行學習的評價很少。實際上，這方面的研究，對于檢查所開發(fā)平臺的有效性、實用性有很重要的意義[8]。

已有研究大多關注利用虛擬實驗進行教學改革或者虛擬實驗平臺建設，目前尚未有研究者進行虛擬實驗的自主學習過程以及學習效果驗證的研究，而基于沒有模擬電路知識基礎的學習者的自主學習更能反映出虛擬實驗平臺對于知識掌握和實踐能力提高的效果。因此筆者基于北京郵電大學自主研發(fā)的電子信息虛擬仿真實驗教學中心，以未學習過《模擬電路》相關課程的學習者為研究對象，對學習者的學習過程、學習積極性、學習效果進行研究。

二、 研究方法及過程

1.研究目的

本研究旨在通過對沒有模擬電路知識基礎的學生進行虛擬仿真實驗的自主學習過程和效果的調查研究，來分析通過自主學習虛擬仿真實驗，學生是否可以獲得相關的電路知識；學生在學習過程中積極性和注意力的集中程度如何，發(fā)現問題解決問題的能力是否有所提高，以及實驗平臺的易用性等問題，通過此次調查，了解虛擬仿真實驗是否可以作為學生自主學習的工具。

2.研究對象

本次調查問卷以40名研究生為例。在樣本的選取上，本次調查對象為沒有學過《模擬電路》相關課程、沒有做過任何一個模擬電路實驗的學習者，這樣更能體現出自主學習虛擬仿真實驗的效果；本研究所用的實驗平臺是由北京潤尼爾網絡科技有限公司研發(fā)、北京郵電大學電子信息虛擬仿真實驗教學中心運營的。實驗課程類屬《模擬電路》，實驗名稱：《集成運算放大器的基本應用—低通濾波器》，學習方式：自主學習。

3.研究工具

本次研究采用的工具為一份問卷調查表，在填寫完問卷之后采用訪談的方法來獲取被試者的主觀感受。

（1）問卷調查

本問卷的題目包括三個部分：第一個部分是第1題，是關于研究對象的個人信息，是否做過任何一個模擬電路的實驗。若做過，則被視為無效問卷；第二個部分是2～6題，從做實驗的積極性和注意力的集中性（問題2～3），遇到問題的解決辦法（問題4～6）三個方面來了解學生做實驗的過程。第三部分是7～9題，分別從實驗的原理（問題7）、器材的種類（問題8）、器材的作用（問題9）、學習虛擬實驗的基本步驟（問題10）、虛擬實驗對學習的幫助程度（問題11）四個方面來調查學習效果以及虛擬實驗對自主學習的有用性。

實驗在2017年6月份進行，每個學生自主學習虛擬仿真實驗的時間不限制，可以使用互聯網進行信息的查詢，學習過程沒有硬性要求，學習順序自主安排。調查問卷安排在做完實驗之后，其中問卷的第10題是關于學習者對學習虛擬仿真實驗的步驟排序。將學習虛擬仿真實驗的過程進行精簡和編碼：①進入虛擬實驗界面，瀏覽實驗內容；②打開各個儀器的開關；③根據網絡實物圖連接完整的電路圖；④尋求場外人員幫助；⑤調節(jié)各個儀器的量程；⑥根據實驗原理圖連接實物圖的基本部分。分析學習者的排序，得出學習過程的活動圖如圖1所示。

進入虛擬實驗界面，瀏覽實驗目的、實驗器材、實驗原理、實驗報告以及實驗操作平臺。通過實驗原理可得知：濾波電路的基本功能是濾除（抑制）某一頻率段的輸入信號。低通濾波器抑制的是高頻段的信號，通過低頻段的信號，當信號和噪聲在不同的頻帶時，可以實現信號分離，濾除噪聲。

通過參照實驗原理圖和百度的完整實物圖在虛擬實驗臺上進行電路連接。在實驗過程中遇到不認識的器材，通過雙擊實驗器材來獲得器材的屬性以及幫助信息，遇到不太懂的地方則通過網絡搜索或者尋求他人的幫助，原理圖中的三角形器件為運算放大器，有八個引腳，有放大信號的功能；信號發(fā)生器發(fā)出信號，通過泰克示波器來展示波形。

當完成電路的物理連接后，打開和調節(jié)各個儀器設備。但是波形并沒有顯示出來，然后通過檢查自己的電路圖是否連接正確來進行排錯處理，查完之后還沒有出現波形，請其他人員幫助，通過調節(jié)泰克示波器的量程來顯示出波形，實驗成功。實驗臺如圖2所示。

在整個實驗進行的過程中發(fā)現，認知虛擬實驗平臺只需要三分鐘左右，實驗平臺簡單易用，查詢信息方式很多，有獲取實驗幫助、獲取智能指導、獲取器材信息等等，實驗過程中，學生一直都保持很高的積極性，注意力很集中，遇到問題時，能夠積極主動的尋找問題的來源，主動尋求幫助，提高了發(fā)現問題和解決問題的能力。

（2）訪談

填寫完問卷，筆者對于調查對象關于做虛擬實驗的主觀感受以及填寫問卷的認真程度進行訪談。經訪談發(fā)現，學習者表示不用去實驗室就能把實驗做出來，很方便快捷，學習者在學習過程中充滿了好奇心，尤其是當波形調出來之后，覺得很神奇，自主學習的結果能夠實時的被觀察到，能夠激勵學習者進一步學習，并且所有的被試者都認真完成實驗和問卷，沒有無效問卷。

4.資料處理與分析

本研究共回收實驗問卷40份，其中第一題的選項均為B，即在本次實驗之前沒有做過虛擬實驗，因此問卷全部為有效問卷。

問卷首先調查了學習者在進行實驗時的注意力保持情況，和學習者在使用虛擬實驗平臺時的態(tài)度，筆者將注意力的五級進行編碼，在SPSS（“統計產品與服務解決方案”軟件，用于統計分析）中將選項依次賦值，A為4分，B為3分，C為2分，D為1分，E為0分，統計結果顯示，被試學習者的注意力平均水平為2.9分，說明虛擬實驗教學系統可以使學習者的注意力保持在中等偏上水平。

相關研究表明，根據認知負荷理論，當使用虛擬實驗室進行虛擬實驗時，學習者往往需要先掌握相關的知識與技能，比如了解虛擬實驗系統的操作規(guī)范和技術流程等，雖然這些知識和技能可能跟當前學習任務沒有必然聯系，但其實無形中增加了學習者的認知負荷[9]。本組下的另一個研究主題是關于學習者的學習積極性，通過圖3可以看出，被試對象的積極性保持在較高水平，所有的學習者都選擇了“積極”或“非常積極”。本主題的研究結果表明，與傳統實驗教學方式相比，學習者的認知負荷反而降低了。

虛擬實驗過程中，學生可以隨時登錄網站進行各種實驗，操作實驗設備，不受時間和空間的限制；學生在實驗中自主發(fā)現并解決問題，有利于培養(yǎng)在實際操作中分析和解決問題的能力，可以有效提高學生的動手能力[10]。本部分問卷題目設置的目的是探索學習者在自主學習、實驗過程中解決問題的途徑選擇。

由圖4、圖5可以看出，當學習者在自主學習過程中遇到問題時，最常用的辦法是查看實驗平臺中的實驗幫助。此結果說明，在未來的虛擬實驗平臺或者其他在線學習平臺建設過程中，需要提供盡可能詳細、準確的平臺幫助或說明。詢問他人，說明自主學習的過程常常與學習者的社會網絡相關。

本問卷的7至9題分別從實驗的原理（問題7）、器材的種類（問題8）、器材的作用（問題9）檢驗了虛擬實驗平臺的教學效果，其中問題7、8的正答率為100%，問題9正答率為97.5%，只有一位同學答錯，說明沒有模擬電路基礎的學習者經過虛擬實驗平臺的操作和學習，可以對模擬電路的基礎知識達到很好的掌握程度，驗證了虛擬實驗教學平臺的實際教學效果。

圖6顯示了被調查者在試驗后對于虛擬實驗平臺的主觀評價，如圖6可知90%的學習者認為虛擬實驗平臺對于掌握低通濾波器的知識和技能有幫助，驗證了筆者在上文中提出的假設，實驗證明，虛擬仿真實驗確實可以作為學生自主學習的工具。

三、研究結論

虛擬仿真實驗能夠提高學習者的興趣，可以作為自主學習的工具。在完成虛擬仿真實驗的過程中，學習者被深深吸引，能夠保持極高的注意力，學習效率極高。學習者在自主學習虛擬實驗的過程中能夠主動的發(fā)現問題并解決問題，提高了學習者的動手實踐能力。沒有模擬電路基礎的學習者通過虛擬實驗可以獲得相關的電路知識，學習效果良好。虛擬實驗室降低了實驗教學的成本，解決了傳統實驗室受時間、地點限制的問題，虛擬實驗簡單方便，虛擬儀器具有靈敏性與高效性。開展虛擬仿真實驗教學可以延伸實驗教學時間和空間，提升實驗教學質量和水平。在今后的教學實踐中，我們要發(fā)揮虛擬實驗的優(yōu)勢，使之能夠與傳統的實驗教學密切融合。課堂教學、虛擬實驗和實驗室教學深度融合是現代實驗教學的發(fā)展模式，能夠培養(yǎng)學生的自主學習能力、動手實踐能力以及發(fā)現問題和解決問題的能力。

參考文獻：

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（編輯：魯利瑞）