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摘 要： 虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實驗教學(xué)建設(shè)的重點內(nèi)容，是教學(xué)學(xué)科和信息技術(shù)相互融合的結(jié)果。下面文章以北京郵電大學(xué)電子信息虛擬仿真實驗為研究對象，利用實驗《集成運算放大器的基本應(yīng)用低通濾波器》，總結(jié)沒有模擬電路基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)者通過自主學(xué)
虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實驗教學(xué)建設(shè)的重點內(nèi)容，是教學(xué)學(xué)科和信息技術(shù)相互融合的結(jié)果。下面文章以北京郵電大學(xué)電子信息虛擬仿真實驗為研究對象，利用實驗《集成運算放大器的基本應(yīng)用—低通濾波器》，總結(jié)沒有模擬電路基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)者通過自主學(xué)習(xí)完成虛擬仿真電路實驗的過程，從而得知虛擬實驗可以讓學(xué)習(xí)者自主學(xué)到相關(guān)的電路知識。
關(guān)鍵詞：自主學(xué)習(xí),虛擬仿真實驗系統(tǒng),模擬電路
在現(xiàn)代教育中，實驗教學(xué)占有越來越重要的地位，為了培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力和觀察能力，很多課程往往需要學(xué)生進行大量的實驗，而且許多實驗需要多協(xié)同操作才能完成。但現(xiàn)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(shè)備，成為制約教學(xué)質(zhì)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(xué)平臺不僅可以解決上述問題，而且對于提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動機有很大的幫助。在利用虛擬仿真實驗平臺進行自主學(xué)習(xí)的過程中，完全是以學(xué)習(xí)者為中心，學(xué)生可以自主調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)的時間、地點、順序以及學(xué)習(xí)的進度，鼓勵學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)，有利于學(xué)習(xí)者的主動建構(gòu)，符合建構(gòu)主義的教育觀和學(xué)習(xí)觀，具有較高的理論意義和實踐價值[3]。
自主學(xué)習(xí)虛擬實驗還有利于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的探索精神和實踐能力。學(xué)習(xí)者在自主學(xué)習(xí)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(guān)知識。將虛擬仿真實驗引入教學(xué)有利于推進高等學(xué)校實驗教學(xué)信息化建設(shè)和實驗教學(xué)的改革與發(fā)展。
一、 研究現(xiàn)狀及不足
1.虛擬實驗室建設(shè)現(xiàn)狀
虛擬仿真實驗室受到了各國高校的普遍關(guān)注，我國教育部從2013年起開展了國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作，截止2015年共評審出300個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心。科技部2010年將《虛擬實驗教學(xué)環(huán)境關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)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(xué)、北京大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京郵電大學(xué)、華南理工大學(xué)等高校已陸續(xù)在網(wǎng)上提供了虛擬實驗服務(wù)。
在國際上有芝加哥伊利諾伊大學(xué)的數(shù)字化有機化學(xué)實驗室，卡羅萊納州立大學(xué)利用Java技術(shù)建設(shè)基于Web的探索式虛擬物理實驗室，密歇根大學(xué)為操作系統(tǒng)和高級語言課程建設(shè)了虛擬網(wǎng)上系統(tǒng)實驗室等。
2.國內(nèi)研究現(xiàn)狀及啟示
虛擬仿真實驗與實驗教學(xué)的結(jié)合方式主要有兩種，一種是先實驗教學(xué)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(jié)構(gòu)，提高學(xué)生的動手實踐能力。這也屬于先理論后實驗的教學(xué)方式，李旭鋒在《“先實驗后理論”化學(xué)教學(xué)方法探析》[4]中提出“先理論后實驗”的教學(xué)方法會抑制學(xué)生在實驗中發(fā)現(xiàn)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(xué)，這里虛擬實驗主要是來達到預(yù)習(xí)實驗的目的，有利于教學(xué)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(xué)》[5]一文中，以模擬集成電路實驗教學(xué)為例，介紹了安徽大學(xué)基于虛擬仿真實驗進行實驗教學(xué)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(yù)習(xí)實驗的目的，拓展了實驗的內(nèi)容，對實驗教學(xué)改革的深化產(chǎn)生了積極而深遠的影響。
虛擬仿真實驗可以作為學(xué)生自主學(xué)習(xí)的資源，培養(yǎng)學(xué)生的自主性、探究性學(xué)習(xí)能力。如潘雪濤、鄔華芝等在《創(chuàng)新虛擬實驗教學(xué)模式 培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力》[6]一文中提出“三三三”教學(xué)理論新模式，其中虛擬實驗室在課前應(yīng)用，激發(fā)學(xué)習(xí)者興趣，進行自主預(yù)習(xí);在課中應(yīng)用，主要用于教學(xué)互動，提高效率;在課后應(yīng)用，用于自主復(fù)習(xí)，自主訓(xùn)練。多年的實踐證明，教學(xué)改革成果顯著，教學(xué)效果明顯，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和實踐創(chuàng)新能力不斷提高。
趙琪、孫紅等在《基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺構(gòu)建研究》[7]中，提出開放式網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)虛擬仿真實驗平臺豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容和手段，逐漸成為學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自助學(xué)習(xí)的重要場所和學(xué)習(xí)方式，能夠突出探究、實踐和創(chuàng)新，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探究性學(xué)習(xí)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(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用情況不太關(guān)注，對虛擬實驗系統(tǒng)應(yīng)用于教學(xué)的過程設(shè)計與效果分析、虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)評價等方面的研究不多，尤其是關(guān)于學(xué)生對虛擬實驗系統(tǒng)學(xué)習(xí)體驗的調(diào)查和從學(xué)生視角對使用虛擬實驗系統(tǒng)進行學(xué)習(xí)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(guān)注利用虛擬實驗進行教學(xué)改革或者虛擬實驗平臺建設(shè)，目前尚未有研究者進行虛擬實驗的自主學(xué)習(xí)過程以及學(xué)習(xí)效果驗證的研究，而基于沒有模擬電路知識基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)者的自主學(xué)習(xí)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(xué)自主研發(fā)的電子信息虛擬仿真實驗教學(xué)中心，以未學(xué)習(xí)過《模擬電路》相關(guān)課程的學(xué)習(xí)者為研究對象，對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程、學(xué)習(xí)積極性、學(xué)習(xí)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(chǔ)的學(xué)生進行虛擬仿真實驗的自主學(xué)習(xí)過程和效果的調(diào)查研究，來分析通過自主學(xué)習(xí)虛擬仿真實驗，學(xué)生是否可以獲得相關(guān)的電路知識;學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中積極性和注意力的集中程度如何，發(fā)現(xiàn)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(diào)查，了解虛擬仿真實驗是否可以作為學(xué)生自主學(xué)習(xí)的工具。
2.研究對象
本次調(diào)查問卷以40名研究生為例。在樣本的選取上，本次調(diào)查對象為沒有學(xué)過《模擬電路》相關(guān)課程、沒有做過任何一個模擬電路實驗的學(xué)習(xí)者，這樣更能體現(xiàn)出自主學(xué)習(xí)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(wǎng)絡(luò)科技有限公司研發(fā)、北京郵電大學(xué)電子信息虛擬仿真實驗教學(xué)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(yīng)用—低通濾波器》，學(xué)習(xí)方式：自主學(xué)習(xí)。
3.研究工具
本次研究采用的工具為一份問卷調(diào)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(diào)查
本問卷的題目包括三個部分：第一個部分是第1題，是關(guān)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(xué)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(xué)習(xí)虛擬實驗的基本步驟(問題10)、虛擬實驗對學(xué)習(xí)的幫助程度(問題11)四個方面來調(diào)查學(xué)習(xí)效果以及虛擬實驗對自主學(xué)習(xí)的有用性。
實驗在2017年6月份進行，每個學(xué)生自主學(xué)習(xí)虛擬仿真實驗的時間不限制，可以使用互聯(lián)網(wǎng)進行信息的查詢，學(xué)習(xí)過程沒有硬性要求，學(xué)習(xí)順序自主安排。調(diào)查問卷安排在做完實驗之后，其中問卷的第10題是關(guān)于學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)虛擬仿真實驗的步驟排序。將學(xué)習(xí)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(nèi)容;②打開各個儀器的開關(guān);③根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實物圖連接完整的電路圖;④尋求場外人員幫助;⑤調(diào)節(jié)各個儀器的量程;⑥根據(jù)實驗原理圖連接實物圖的基本部分。分析學(xué)習(xí)者的排序，得出學(xué)習(xí)過程的活動圖如圖1所示。
進入虛擬實驗界面，瀏覽實驗?zāi)康摹嶒炂鞑摹嶒炘怼嶒瀳蟾嬉约皩嶒灢僮髌脚_。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(xiàn)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(wǎng)絡(luò)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(diào)節(jié)各個儀器設(shè)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(xiàn)波形，請其他人員幫助，通過調(diào)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(xiàn)，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(dǎo)、獲取器材信息等等，實驗過程中，學(xué)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(xiàn)問題和解決問題的能力。
(2)訪談
填寫完問卷，筆者對于調(diào)查對象關(guān)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(jīng)訪談發(fā)現(xiàn)，學(xué)習(xí)者表示不用去實驗室就能把實驗做出來，很方便快捷，學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中充滿了好奇心，尤其是當波形調(diào)出來之后，覺得很神奇，自主學(xué)習(xí)的結(jié)果能夠?qū)崟r的被觀察到，能夠激勵學(xué)習(xí)者進一步學(xué)習(xí)，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(diào)查了學(xué)習(xí)者在進行實驗時的注意力保持情況，和學(xué)習(xí)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(tǒng)計產(chǎn)品與服務(wù)解決方案”軟件，用于統(tǒng)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(tǒng)計結(jié)果顯示，被試學(xué)習(xí)者的注意力平均水平為2.9分，說明虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)可以使學(xué)習(xí)者的注意力保持在中等偏上水平。
相關(guān)研究表明，根據(jù)認知負荷理論，當使用虛擬實驗室進行虛擬實驗時，學(xué)習(xí)者往往需要先掌握相關(guān)的知識與技能，比如了解虛擬實驗系統(tǒng)的操作規(guī)范和技術(shù)流程等，雖然這些知識和技能可能跟當前學(xué)習(xí)任務(wù)沒有必然聯(lián)系，但其實無形中增加了學(xué)習(xí)者的認知負荷[9]。本組下的另一個研究主題是關(guān)于學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)者都選擇了“積極”或“非常積極”。本主題的研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)實驗教學(xué)方式相比，學(xué)習(xí)者的認知負荷反而降低了。
虛擬實驗過程中，學(xué)生可以隨時登錄網(wǎng)站進行各種實驗，操作實驗設(shè)備，不受時間和空間的限制;學(xué)生在實驗中自主發(fā)現(xiàn)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(xué)生的動手能力[10]。本部分問卷題目設(shè)置的目的是探索學(xué)習(xí)者在自主學(xué)習(xí)、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(xué)習(xí)者在自主學(xué)習(xí)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(jié)果說明，在未來的虛擬實驗平臺或者其他在線學(xué)習(xí)平臺建設(shè)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(xué)習(xí)的過程常常與學(xué)習(xí)者的社會網(wǎng)絡(luò)相關(guān)。
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(xué)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(xué)答錯，說明沒有模擬電路基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)者經(jīng)過虛擬實驗平臺的操作和學(xué)習(xí)，可以對模擬電路的基礎(chǔ)知識達到很好的掌握程度，驗證了虛擬實驗教學(xué)平臺的實際教學(xué)效果。
圖6顯示了被調(diào)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(xué)習(xí)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(shè)，實驗證明，虛擬仿真實驗確實可以作為學(xué)生自主學(xué)習(xí)的工具。
三、研究結(jié)論
虛擬仿真實驗?zāi)軌蛱岣邔W(xué)習(xí)者的興趣，可以作為自主學(xué)習(xí)的工具。在完成虛擬仿真實驗的過程中，學(xué)習(xí)者被深深吸引，能夠保持極高的注意力，學(xué)習(xí)效率極高。學(xué)習(xí)者在自主學(xué)習(xí)虛擬實驗的過程中能夠主動的發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，提高了學(xué)習(xí)者的動手實踐能力。沒有模擬電路基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)者通過虛擬實驗可以獲得相關(guān)的電路知識，學(xué)習(xí)效果良好。虛擬實驗室降低了實驗教學(xué)的成本，解決了傳統(tǒng)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(xué)可以延伸實驗教學(xué)時間和空間，提升實驗教學(xué)質(zhì)量和水平。在今后的教學(xué)實踐中，我們要發(fā)揮虛擬實驗的優(yōu)勢，使之能夠與傳統(tǒng)的實驗教學(xué)密切融合。課堂教學(xué)、虛擬實驗和實驗室教學(xué)深度融合是現(xiàn)代實驗教學(xué)的發(fā)展模式，能夠培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、動手實踐能力以及發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。
參考文獻：
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