顧俏麗，楊文榮，裘之亮，董 超，李 英

（1.河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，天津300130；2.國機(jī)重工集團(tuán)國際裝備有限公司，北京100176）

0 引言

突發(fā)而至的新冠肺炎疫情防控使得全國乃至全世界的學(xué)校教學(xué)模式從2020年春季開始，被強(qiáng)制納入線上教學(xué)模式［1］。傳統(tǒng)的線下實驗教學(xué)因需要借助實驗設(shè)備，受到時間、空間等方面的現(xiàn)實局限，在恢復(fù)正常實驗教學(xué)日期不明朗的前提下，需要有新的方法來滿足大學(xué)生實驗教學(xué)的要求［2～3］。如何利用現(xiàn)有的信息技術(shù)轉(zhuǎn)換教學(xué)模式，將實驗搬到線上，并能有效調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，完整的還原和實現(xiàn)各個實驗環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮線上資源的優(yōu)勢對實驗內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄U(kuò)充和提升，已經(jīng)成為當(dāng)前亟待解決的問題。

本文將詳細(xì)介紹在延期開學(xué)期間，我院基于北京潤尼爾網(wǎng)絡(luò)科技有限公司提供的“電路分析虛擬實驗室”，結(jié)合線上交流媒介，為學(xué)生構(gòu)建的立體的線上實驗課。本文還對線上實驗課的教學(xué)效果以及存在的問題進(jìn)行了評價分析，旨在對線上實驗課的廣泛開展提供一定借鑒作用。

1 虛擬實驗教學(xué)平臺與實驗課程的結(jié)合

我校“電路理論基礎(chǔ)實驗”課程是電子信息、自動化等信息類專業(yè)學(xué)生接觸的第一門專業(yè)基礎(chǔ)實驗必修課，課程為20學(xué)時，包含10個實驗。該課程旨在幫助學(xué)生鞏固并加深對所學(xué)理論知識的理解，掌握基本電路的測量、分析方法，其教學(xué)效果的好壞直接影響到“模擬、數(shù)字電路實驗”等后繼實驗課程的開設(shè)［4～5］。

經(jīng)過資源對比，我們選擇的虛擬實驗平臺為北京潤尼爾網(wǎng)絡(luò)科技有限公司針對“電路分析”實驗課程，配套開發(fā)的開放式網(wǎng)上電路分析虛擬實驗室。仿真平臺模擬真實實驗中用到的器材和設(shè)備，提供相似的實驗環(huán)境，學(xué)生可以自主選擇邏輯器件或者電路元件搭建電路進(jìn)行仿真實驗。

虛擬實驗室提供了108個實驗元件和16個典型實驗案例，將實驗教學(xué)計劃和平臺資源充分融合后，我們可將實驗分為三類，完成10個原教學(xué)計劃其中的8個：典型實驗案例中可直接使用的4個；實驗內(nèi)容相對簡單需進(jìn)行擴(kuò)充的2個；提供的實驗列表中沒有，但是借助實驗平臺可獨(dú)立設(shè)計完成的2個。由于條件限制，2個交流電路的實驗需返校后到實驗室完成或利用其它實驗替換。實驗計劃每周開放一個，學(xué)生可自主選擇課余時間完成，內(nèi)容與授課計劃保持一致。

2 線上實驗教學(xué)實踐操作

疫情環(huán)境下，隨著授課形式的改變，實驗室教師的職責(zé)也相應(yīng)的發(fā)生轉(zhuǎn)變。

2.1 教師課前準(zhǔn)備工作

課前無需再準(zhǔn)備相關(guān)實驗器材，但需要提前熟悉虛擬實驗環(huán)境，通過親自搭建各個實驗電路，逐步操作并試錯，找出學(xué)生的易錯點和實驗注意事項；及時發(fā)現(xiàn)個別實驗過程中，虛擬實驗環(huán)境需要的特殊操作規(guī)范或與常規(guī)實際情況不相符之處；制作與課程有關(guān)的實驗講義、PPT或視頻講解；合理安排學(xué)習(xí)進(jìn)度，通過網(wǎng)絡(luò)及時發(fā)布相關(guān)學(xué)習(xí)材料。

2.2 虛擬仿真實驗操作

學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)教師發(fā)布的相關(guān)課程資源后，即可通過登錄相關(guān)網(wǎng)址進(jìn)入虛擬仿真實驗平臺開始獨(dú)立的實驗操作。圖1為實驗臺頁面截圖。

圖1 實驗臺

“電路分析虛擬實驗室”系統(tǒng)總體框架包含：元件庫、實驗臺、屬性欄和菜單欄。實驗臺居中，學(xué)生可從左側(cè)元件庫選擇器材構(gòu)建電路。選中相應(yīng)元件，通過右側(cè)屬性欄可修改顯示標(biāo)簽、設(shè)置參數(shù)。點擊上方菜單欄下的虛擬儀器標(biāo)簽，可在電路中加入示波器、電壓表、電流表等虛擬儀表。通過點擊鼠標(biāo)可完成元件連接，電路搭建完成后，點擊運(yùn)行按鈕，即可進(jìn)行實驗的仿真運(yùn)算，等待運(yùn)行結(jié)果顯示。

如電路搭建有誤，儀表示數(shù)不正確甚至不顯示，學(xué)生可根據(jù)不正確的數(shù)據(jù)預(yù)判錯誤點，檢查連接是否正常，元件參數(shù)是否正確。有一些特殊事項需提醒學(xué)生注意，如：實驗運(yùn)行過程中不可進(jìn)行修改參數(shù)、標(biāo)簽等設(shè)置操作，需先停止程序后進(jìn)行；盡量確保有接地端等，這些都會導(dǎo)致誤操作或結(jié)果出錯。如反復(fù)檢查后未能自行解決，可進(jìn)一步求助教師或同學(xué)，進(jìn)行線上交流和討論。實驗完畢后學(xué)生可在實驗臺下方實驗內(nèi)容部分填寫相關(guān)表格，上傳要求圖片完成實驗報告并提交。

2.3 線上教學(xué)

從課上以教師講授為主、面對面指導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)榻處熭o導(dǎo)為主，學(xué)生自主學(xué)習(xí)與師生合作學(xué)習(xí)相結(jié)合的線上學(xué)習(xí)方式。學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)相關(guān)實驗課程資源，獲得對實驗內(nèi)容、實驗操作以及注意事項等的初步認(rèn)識和基本了解。教師應(yīng)及時組織線上答疑，針對學(xué)習(xí)或?qū)嶒灢僮髦写嬖诘囊蓡枺ㄟ^師生或生生互動釋疑，使學(xué)生走出認(rèn)知誤區(qū)，實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)與合作學(xué)習(xí)的有機(jī)結(jié)合，同時可實現(xiàn)教師線上監(jiān)督學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和質(zhì)量。

2.4 實驗考核

登錄教師端可在實驗提交列表中查看已提交同學(xué)的相關(guān)信息，系統(tǒng)通過智能批改給出預(yù)判成績，教師可手動批改進(jìn)行成績修正。教師可進(jìn)入對應(yīng)學(xué)生的實驗臺查看電路，給出實驗成績，在線批改實驗報告，給出報告成績。通過預(yù)設(shè)的實驗成績與報告成績的比例得到總成績，提交后錄入系統(tǒng)。點擊發(fā)布成績后，學(xué)生可登錄賬號查看成績，通過教師的批注和評語檢查電路和報告內(nèi)容的錯誤之處。圖2為已批改的實驗報告內(nèi)容。

圖2 實驗報告

3 線上實驗教學(xué)的效果及評價

3.1 線上實驗的優(yōu)點

日前已按進(jìn)度在線完成4個實驗，并對學(xué)生進(jìn)行匿名問卷調(diào)查，綜合各個實驗完成情況和學(xué)生反饋可分析得出：

1）驗證性實驗通過仿真基本可以達(dá)到實驗?zāi)康?/p>

類似于“基爾霍夫定律的驗證”和“疊加定理的驗證”這種基礎(chǔ)性的驗證實驗，實驗電路較簡單，學(xué)生搭建好電路后即可利用虛擬平臺模擬電壓表和電流表的運(yùn)行，測量數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。一些注意事項如需注意直流儀表的正負(fù)極性同樣適用，操作過程簡單、目的明了。而且可避免實際實驗時，由于學(xué)生的一些誤操作如直接短接電壓源、電流表而造成的儀器儀表的毀壞。匿名問卷調(diào)查結(jié)果顯示，超過90%的同學(xué)認(rèn)為通過實驗平臺能達(dá)到實驗?zāi)康模鐖D3所示。

圖3 學(xué)生對驗證性實驗的反饋

2）可以實現(xiàn)儀器儀表功能熟悉和使用練習(xí)

在“數(shù)字萬用表、信號發(fā)生器與示波器的使用”這個實驗中，平臺模擬了萬用表和各個類型的信號發(fā)生器與示波器的面板與操作。通過問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)大約70%的同學(xué)認(rèn)為實驗界面清晰，控制面板還原度很高，使學(xué)生能達(dá)到在實驗室真實操作的目的，但部分學(xué)生反映操作過程不夠順暢，如圖4所示。

圖4 學(xué)生對儀表類實驗的反饋

3）線上實驗安排靈活，生生交流順暢

不需要統(tǒng)一安排實驗時間，學(xué)生可自主利用課余時間隨時進(jìn)行實驗并且操作時間不限時。學(xué)生除了完成既定實驗內(nèi)容外，還可以改變某一實驗條件或加入新儀表，自主設(shè)計并驗證相關(guān)實驗內(nèi)容，大大提高了學(xué)生的能動性和創(chuàng)新力。線上交流答疑時，很多同學(xué)會在群里積極參與交流與糾錯，共享自己的經(jīng)驗或小竅門。遇到問題或特殊情況如系統(tǒng)故障時，會互相打氣鼓勵，氣氛活躍。文獻(xiàn)［6］總結(jié)了“非典”時期的線上學(xué)習(xí)經(jīng)驗，得到結(jié)論：許多學(xué)生認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)教育可以“暢所欲言”，還可以“結(jié)交朋友”和“解除疑問、增長知識”，可見，合理利用線上形式，可消除老師固有的“呆板”和畏懼感，能加強(qiáng)師生間的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性。

4）學(xué)生報告記錄完整，考核方便

批改實驗環(huán)節(jié)，在教師端可同時查看學(xué)生的實驗臺和數(shù)據(jù)。教師能夠檢查學(xué)生是否搭建電路，避免個別同學(xué)作弊直接抄數(shù)據(jù)的行為。教師批改實驗報告時能標(biāo)對號和錯號，做批注、留評語給出建議，操作方式多樣、方便。通過檢查電路正確與否和批改數(shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)學(xué)生的操作誤區(qū)和知識點掌握不牢固之處。批改成績結(jié)束后，可根據(jù)實驗完成情況進(jìn)行總結(jié)，制作完成新的學(xué)習(xí)資源結(jié)合正確答案發(fā)放，幫助學(xué)生梳理本次實驗的知識點，糾正學(xué)生搭建電路的不規(guī)范之處，完成糾錯和知識的鞏固吸收。

3.2 線上實驗的不足之處

與實際操作相比，虛擬實驗不可避免的存在一些缺點。

1）個別元件參數(shù)理想化

例一，實際受控源輸入端接入電流和電壓不能過高，電流應(yīng)小于0.5 mA，電壓應(yīng)小于5 V，否則會燒毀芯片，而軟件庫中的模擬受控源，輸入端接入的電壓、電流數(shù)值大小可任意設(shè)置，沒有上限，輸出端按原理可測得無限大的電壓或電流，與實際不符。在實驗過程中，個別粗心的同學(xué)由于沒有注意電流單位或?qū)嶒炓螅斎攵穗娏髟O(shè)置了安培級別的電流，仿真仍可正常進(jìn)行，從而導(dǎo)致結(jié)果錯誤。例二，某個實驗的測量結(jié)果與理論結(jié)果完全一致，誤差為0，細(xì)心的同學(xué)難免會質(zhì)疑實驗數(shù)據(jù)的可靠性。

2）個別儀表操作規(guī)范與實際不同

例用示波器連接信號發(fā)生器與觀察波形時，兩個儀表的數(shù)據(jù)變化不能實時同步。實際操作時改變信號發(fā)生器的參數(shù)設(shè)置即可在示波器端同步觀察波形的改變，而在模擬環(huán)境下，需停止實驗，關(guān)閉信號發(fā)生器，重新打開信號發(fā)生器，設(shè)置新參數(shù)，示波器波形才會更新。如果不停止實驗直接修改信號參數(shù)，或不關(guān)閉信號發(fā)生器直接修改參數(shù)，示波器波形都不會更新，仍舊保持上一個觀察的波形。所以實驗過程中如果操作不規(guī)范，波形結(jié)果就會不正確，學(xué)生在連續(xù)操作過程中難免出錯，造成困擾。另外系統(tǒng)不能模擬一些參數(shù)的連續(xù)變化，如有的步驟需要連續(xù)調(diào)節(jié)電阻或電流以找到某個特定的合適的電阻或電壓值，模擬時只能不停的停止程序、試數(shù)如此往復(fù)。

3）其他情況

由于實驗資源大，比較耗費(fèi)服務(wù)器，當(dāng)學(xué)生集中在線實驗，訪問人數(shù)過多時，服務(wù)器壓力過大，會出現(xiàn)暫存或提交失敗，導(dǎo)致已填寫的數(shù)據(jù)或圖片丟失，影響學(xué)生正常使用和心情，需錯峰使用并注意及時清理瀏覽器緩存，多暫存，提前截圖或拍照片保存?zhèn)溆?。另外線上實驗要求網(wǎng)絡(luò)和電腦，一些家庭特殊或偏遠(yuǎn)地方的學(xué)生不滿足；平臺對電腦系統(tǒng)和配置有要求，一些同學(xué)的電腦達(dá)不到。

4 結(jié)語

運(yùn)用虛擬實驗平臺開展線上實驗教學(xué)對于大多數(shù)學(xué)生和教師來說是一種新生事物，它不僅是最大限度減少疫情對正常教學(xué)影響所采取的應(yīng)急措施，也是運(yùn)用信息技術(shù)拓展學(xué)習(xí)途徑、轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式、培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的一種積極嘗試。授課方式的轉(zhuǎn)變需要教師群策群力，提前認(rèn)真“備課”，精心設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，保證線上交流和答疑，監(jiān)督學(xué)生按時保質(zhì)量完成各項任務(wù)；需要學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體，變被動為主動，養(yǎng)成正確的學(xué)習(xí)方法和較強(qiáng)的自學(xué)能力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，利用虛擬仿真平臺在玩中學(xué)、學(xué)中做，實現(xiàn)理論知識的學(xué)習(xí)和動手能力的雙重提升。通過圖5和圖6我們可以看到，線上實驗得到了大概70%同學(xué)的認(rèn)可，很多同學(xué)評價良好。作為特殊時期停課不停學(xué)的解決途徑，虛擬實驗平臺能滿足本實驗課程大部分內(nèi)容的要求，充分保障實驗教學(xué)的內(nèi)容和質(zhì)量的同時，也促進(jìn)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。線上理論教學(xué)發(fā)展已久，實驗教學(xué)也可以借鑒，基礎(chǔ)的簡單的驗證實驗和一些儀表的使用練習(xí)可放到線上完成，也可以課下留一部分?jǐn)U充或綜合設(shè)計實驗到網(wǎng)上模擬，靈活機(jī)動。

圖5 學(xué)生認(rèn)可度調(diào)查

圖6 學(xué)生評語