王志瓊 劉津彤 劉繼明 張碩

摘 要 從線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)過(guò)程評(píng)價(jià)四大方面進(jìn)行線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索。設(shè)計(jì)綜合考慮實(shí)驗(yàn)安全教育、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)試題等五個(gè)方面的線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，研究包含微視頻實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)等六種線上實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)類型的線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，建立貫穿整個(gè)線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程的考核評(píng)價(jià)體系。重點(diǎn)研究了線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可操作性，對(duì)整體實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行了合理的規(guī)劃，并在實(shí)際教學(xué)中進(jìn)行了應(yīng)用和驗(yàn)證。線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革和發(fā)展有積極的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞 線上實(shí)驗(yàn)教學(xué) 教學(xué)模式 虛擬仿真 虛擬現(xiàn)實(shí) 在線直播

中圖分類號(hào)：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等學(xué)校教學(xué)活動(dòng)中一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)，對(duì)于一些實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科尤為重要。對(duì)于工科類專業(yè)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是應(yīng)用型人才能力培養(yǎng)的關(guān)鍵部分，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、分析問(wèn)題、解決問(wèn)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(dòng)。[2-3]在統(tǒng)籌開展遠(yuǎn)程教學(xué)的情況下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程同樣需要與理論在線教學(xué)同步進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生能力的全方面培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)是在理論知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的實(shí)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(duì)某一個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行反復(fù)的教學(xué)，學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作占據(jù)課程的主體時(shí)間。尤其工科類專業(yè)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨課程項(xiàng)目多、參與人數(shù)多、儀器設(shè)備多等問(wèn)題，如何快速開展線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有一定的挑戰(zhàn)。

1 線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

基于現(xiàn)有線上教學(xué)平臺(tái)，以學(xué)生為中心，以實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)或?qū)嶒?yàn)產(chǎn)品為導(dǎo)向，根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)操作的過(guò)程，結(jié)合實(shí)驗(yàn)人數(shù)、實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)要求等進(jìn)行線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)。線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)以課程為單位，內(nèi)容設(shè)計(jì)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(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)安全教育，然后以每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作為實(shí)驗(yàn)課程的一個(gè)章節(jié)，分別講解實(shí)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等，同時(shí)對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行在線測(cè)試，最后學(xué)生根據(jù)線上實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行線下實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)要保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程清楚、表述簡(jiǎn)單，使學(xué)生能夠形象、直觀的學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)。

2 線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段研究

2.1數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

學(xué)生通過(guò)線上觀看網(wǎng)頁(yè)版實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)，或者將實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、實(shí)驗(yàn)講解PPT教案以及實(shí)驗(yàn)視頻等上傳到線上教學(xué)平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享，幫助學(xué)生預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)與復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)。

2.2微視頻實(shí)驗(yàn)

以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為單位錄制微視頻，最終整合成微視頻實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)生通過(guò)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(jìn)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2.3虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

學(xué)生通過(guò)仿真軟件進(jìn)行虛擬操作完成實(shí)驗(yàn)，教師在線進(jìn)行交流指導(dǎo)。通過(guò)建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)備儀器的三維立體觀看與操作，實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程基本與線下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程一致。同時(shí)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)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(cuò)誤，根據(jù)錯(cuò)誤次數(shù)扣除分值，設(shè)定多次錯(cuò)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(shí)實(shí)驗(yàn)

教師遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)指導(dǎo)學(xué)生在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下進(jìn)行操作。借助5G通信技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)發(fā)布的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)多人協(xié)同同地、異地操作，教師實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程協(xié)助與指導(dǎo)，給予學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程強(qiáng)烈的沉浸感和操作感，在有效規(guī)避現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)操作的安全隱患下，達(dá)到猶如現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)般的體驗(yàn)。

2.5遠(yuǎn)程操作實(shí)驗(yàn)

根據(jù)學(xué)生的遠(yuǎn)程指導(dǎo)和互動(dòng)需求，教師在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)幫助學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程通過(guò)直播形式分享給學(xué)生，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)解決實(shí)際實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，并且獲得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。遠(yuǎn)程操作實(shí)驗(yàn)只需要在實(shí)驗(yàn)室安裝錄播裝置即可，學(xué)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)與觀察。

2.6在線直播實(shí)驗(yàn)

教師在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行邊操作邊講解，學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)觀看學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，最后將實(shí)驗(yàn)操作數(shù)據(jù)結(jié)果記錄下來(lái)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理分析。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生全程參與，教師和學(xué)生可以實(shí)時(shí)互動(dòng)交流，達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。

3 線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法探索

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

3.1 基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)

基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)主要是理論課程中包含的實(shí)驗(yàn)，一般為4-12學(xué)時(shí)，包含1-6個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目2-4學(xué)時(shí)。基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)人數(shù)一般較多，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多為驗(yàn)證性、演示性等類型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)點(diǎn)的理解，掌握實(shí)驗(yàn)的儀器操作和數(shù)據(jù)處理等知識(shí)點(diǎn)。對(duì)于基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)，以實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的理論課程為單位，以每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為實(shí)驗(yàn)章節(jié)，進(jìn)行線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)：（1）實(shí)驗(yàn)的講解可以通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)，一種是教師提前錄制好實(shí)驗(yàn)視頻，學(xué)生觀看視頻學(xué)習(xí)，另一種是教師直接到實(shí)驗(yàn)室實(shí)時(shí)錄播講解實(shí)驗(yàn);（2）每個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后學(xué)生可以通過(guò)教師設(shè)置的實(shí)驗(yàn)試題進(jìn)行簡(jiǎn)單測(cè)試，試題一般設(shè)定為是非題和選擇題;（3）實(shí)驗(yàn)課前和課后，學(xué)生分別可以通過(guò)線上實(shí)驗(yàn)資源進(jìn)行預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí);（4）若該實(shí)驗(yàn)具備線上虛擬仿真或者虛擬現(xiàn)實(shí)的條件，則可以在線上學(xué)習(xí)之后進(jìn)行虛擬仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)操作;（5）學(xué)生根據(jù)線上實(shí)驗(yàn)所獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告;（6）在實(shí)驗(yàn)過(guò)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(guò)QQ、微信等進(jìn)行交流討論。

3.2 綜合型實(shí)驗(yàn)

綜合型實(shí)驗(yàn)多為獨(dú)立設(shè)課、獨(dú)立記學(xué)分的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)為16學(xué)時(shí)或者1-2周，這類實(shí)驗(yàn)層次分明、綜合性強(qiáng)、知識(shí)點(diǎn)集成度高，旨在提高學(xué)生綜合知識(shí)運(yùn)用能力。[4]綜合型實(shí)驗(yàn)以產(chǎn)品或典型機(jī)構(gòu)為導(dǎo)向，實(shí)驗(yàn)流程與基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)基本一致，將每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置為單元章節(jié)，此外以小組合作與討論方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，最終以答辯形式進(jìn)行實(shí)踐結(jié)果匯報(bào)。

3.3 創(chuàng)新研究型實(shí)驗(yàn)

創(chuàng)新研究型實(shí)驗(yàn)多為開放創(chuàng)新性的選修實(shí)驗(yàn)課程，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)一般8學(xué)時(shí)以上，實(shí)驗(yàn)人數(shù)相對(duì)較少。實(shí)驗(yàn)以理論課程為基礎(chǔ)，以學(xué)生為中心，結(jié)合科研項(xiàng)目進(jìn)行自主創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)拓展和深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。根據(jù)創(chuàng)新研究型實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)思想，進(jìn)行線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與構(gòu)建：（1）將實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)制作成實(shí)驗(yàn)資源，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前通過(guò)平臺(tái)下載實(shí)驗(yàn)資源進(jìn)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(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)與要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，小組要通過(guò)線上平臺(tái)進(jìn)行交流、研討，同時(shí)教師給予指導(dǎo);（3）根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)視頻遠(yuǎn)程在線互動(dòng)指導(dǎo)，教師到實(shí)驗(yàn)室?guī)椭鷮W(xué)生完成實(shí)驗(yàn)操作，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果反饋給學(xué)生;（4）學(xué)生以小組為單位對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論與數(shù)據(jù)處理分析，形成總結(jié)報(bào)告;（5）以在線視頻方式進(jìn)行小組答辯，獲得實(shí)驗(yàn)成績(jī)和教學(xué)反饋。

4 線上實(shí)驗(yàn)考核評(píng)價(jià)體系建設(shè)

線上實(shí)驗(yàn)的考核與評(píng)價(jià)貫穿整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程，從實(shí)驗(yàn)考勤、學(xué)習(xí)測(cè)試、在線操作到實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)互動(dòng)，全方位考察學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，包括知識(shí)點(diǎn)掌握、儀器設(shè)備了解、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析能力等方面，嚴(yán)格實(shí)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程的監(jiān)督與控制，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)的客觀性和合理性，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程考核評(píng)價(jià)中，采用加權(quán)法評(píng)定實(shí)驗(yàn)成績(jī)，借助實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化管理平臺(tái)，分別給予各實(shí)驗(yàn)考核部分一定的權(quán)重，然后將各項(xiàng)成績(jī)加權(quán)獲得實(shí)驗(yàn)的最終成績(jī)（圖3）。

5 結(jié)語(yǔ)

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

基金項(xiàng)目：2020年吉林省高等教育教學(xué)改革研究課題：虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)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(xiàng)目：基于機(jī)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）

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