實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開(kāi)展虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式探討與實(shí)踐

孫艷娜 孫大權(quán)

摘要：實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。新時(shí)期下卓越工程師的培養(yǎng)，不僅要有與之相對(duì)應(yīng)的課程體系和教學(xué)內(nèi)容，而且要采用相應(yīng)的教學(xué)組織形式和教學(xué)方式。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)受制于上課時(shí)間的限制，不能讓學(xué)生完整地參與整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。因此，本文以道路工程材料實(shí)驗(yàn)為例，探討采用虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的弊端，更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和主動(dòng)性。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué)；虛擬實(shí)驗(yàn)；教學(xué)模式

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）39-0129-03

新時(shí)期下，國(guó)家提出“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”，該培養(yǎng)計(jì)劃的目標(biāo)就是造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量各類(lèi)型工程技術(shù)人才，為國(guó)家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家和人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略服務(wù)。卓越工程師的培養(yǎng)，不僅要變革已有的教學(xué)內(nèi)容，而且要變革已有的教學(xué)方法和教學(xué)組織形式。道路工程是典型的工科專(zhuān)業(yè)，它的顯著特點(diǎn)是應(yīng)用性、實(shí)踐性強(qiáng)，對(duì)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)技能和創(chuàng)新能力要求較高。實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，與理論教學(xué)相比具有直觀性、實(shí)踐性、綜合性和創(chuàng)新性等特點(diǎn)，因此卓越工程師的培養(yǎng)應(yīng)加大實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。

一、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式及其特點(diǎn)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是學(xué)生在教師的指導(dǎo)下參觀或?qū)嶋H操作具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，這對(duì)提高學(xué)生的動(dòng)手能力和理論聯(lián)系實(shí)際的能力都有幫助。具體特點(diǎn)如下[1，2]。

1.自主學(xué)習(xí)性。相對(duì)于課堂教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生占主導(dǎo)地位。通過(guò)課堂上實(shí)驗(yàn)原理的學(xué)習(xí)，學(xué)生了解到很理論性的東西，知道實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的來(lái)龍去脈，但具體如何操作，就需要實(shí)驗(yàn)教學(xué)來(lái)掌握。通過(guò)閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)任務(wù)書(shū)，從基本的實(shí)驗(yàn)儀器的認(rèn)識(shí)，到實(shí)驗(yàn)試件的制備、實(shí)驗(yàn)加載的先后順序，同學(xué)們都要靠自己去學(xué)習(xí)、掌握，做好充分的預(yù)習(xí)和總結(jié)，才能在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作中不手足無(wú)措。

2.實(shí)踐性?；谡n下的自主學(xué)習(xí)，學(xué)生要把書(shū)本上的概念、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法等抽象的知識(shí)，轉(zhuǎn)換成鮮活、靈動(dòng)的具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這就需要親自動(dòng)手操作，親自實(shí)踐。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，從實(shí)驗(yàn)儀器的組裝、試樣的安裝，到實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定，學(xué)生需要不斷地調(diào)節(jié)控制儀器以達(dá)到準(zhǔn)確控制的目的。比如：瀝青軟化點(diǎn)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)溫度從5℃開(kāi)始，以5℃/min的升溫速率加熱，在這個(gè)過(guò)程中，就需要調(diào)節(jié)加熱閥門(mén)的大小來(lái)確定升溫速率，同時(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速率來(lái)輔助溫度上升。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生需要不斷觀察記錄每一分鐘的升溫速率，分析和預(yù)測(cè)下一分鐘的升溫速率，離目標(biāo)大了粗調(diào)，離目標(biāo)近了微調(diào)，不斷實(shí)踐、不斷調(diào)整，最終得到一個(gè)合適的加熱閥門(mén)控制大小和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速率大小的組合。

由于實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐性不能通過(guò)理論講解所取代，也不能通過(guò)觀察學(xué)習(xí)取得，必須學(xué)生親自動(dòng)手操作才能實(shí)現(xiàn)。因此，學(xué)校必須為學(xué)生提供足夠多的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)材料物質(zhì)條件等，以讓每個(gè)學(xué)生都有動(dòng)手學(xué)習(xí)和練習(xí)的機(jī)會(huì)。只有親自動(dòng)手實(shí)踐，才便于教師及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)行單獨(dú)指導(dǎo)，最大限度地發(fā)揮每個(gè)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。

3.開(kāi)放性。實(shí)驗(yàn)的開(kāi)放性是指實(shí)驗(yàn)課不同于理論課，容易形成封閉或者半封閉的體系。理論課程有其自身的內(nèi)涵與外延，可以關(guān)起門(mén)來(lái)自行學(xué)習(xí)和推理。實(shí)驗(yàn)課程需要同學(xué)自己動(dòng)手實(shí)踐，在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生的大腦、手腳和一切設(shè)備是一個(gè)開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，理論指導(dǎo)大腦，大腦指揮雙手，雙手控制設(shè)備和外在參數(shù)，中間每一個(gè)環(huán)節(jié)都可以改變，也可以反復(fù)修正。這個(gè)過(guò)程也是理論聯(lián)系實(shí)際、知識(shí)轉(zhuǎn)化實(shí)踐的過(guò)程。

4.綜合性。實(shí)驗(yàn)的綜合性一方面指實(shí)驗(yàn)課程綜合了基礎(chǔ)理論知識(shí)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)，自學(xué)能力和模擬能力，想象能力和實(shí)際操作能力，另一方面是指實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以是綜合性的內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，同學(xué)們手腦并用，視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)功能都啟動(dòng)，依靠自身的力量獨(dú)立觀察分析出現(xiàn)的問(wèn)題，并努力利用已有知識(shí)解決問(wèn)題。必要時(shí)，同學(xué)們可改變實(shí)驗(yàn)條件或?qū)嶒?yàn)參數(shù)，反復(fù)或重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，教師也應(yīng)該鼓勵(lì)引導(dǎo)學(xué)生自主進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)過(guò)程中，可以鞏固已有知識(shí)、學(xué)習(xí)或發(fā)現(xiàn)新的知識(shí)，激勵(lì)學(xué)生產(chǎn)生更大的學(xué)習(xí)熱情，追求更大的科學(xué)進(jìn)步。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式及其特點(diǎn)

虛擬實(shí)驗(yàn)是借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，應(yīng)用虛擬模型來(lái)仿真實(shí)際物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果以達(dá)到進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡膽?yīng)用系統(tǒng)[3，4]。虛擬實(shí)驗(yàn)在計(jì)算機(jī)上建立一個(gè)部分代替或全部代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，用戶可以像在真實(shí)環(huán)境中一樣完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所取得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也應(yīng)該與真實(shí)環(huán)境中所得的效果相等價(jià)。具體特點(diǎn)如下。

1.多媒體技術(shù)。不同于傳統(tǒng)的技術(shù)手段，多媒體技術(shù)可以利用計(jì)算機(jī)綜合處理圖像、聲音、動(dòng)畫(huà)等素材，構(gòu)建生動(dòng)逼真的二維和三維場(chǎng)景，具有形象、生動(dòng)、直觀、高效的特點(diǎn)，這從視覺(jué)上就可以吸引同學(xué)們的興趣，而興趣是最好的教師。

2.人機(jī)交互技術(shù)。不同于呆板的生硬的死物，輸入和輸出相互分離，應(yīng)用人機(jī)交互技術(shù)可以幫助實(shí)驗(yàn)者與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行交流，就像面對(duì)一個(gè)鮮活的“實(shí)體”，輸入不同的內(nèi)容即時(shí)給出相應(yīng)的輸出。這樣鮮活有趣的實(shí)驗(yàn)形式，不僅拓展了實(shí)驗(yàn)的范圍，也增加了實(shí)驗(yàn)的趣味性。

3.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。高效的仿真技術(shù)可以讓同學(xué)們浸潤(rùn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境內(nèi)，達(dá)到身臨其境的效果，實(shí)現(xiàn)以虛代實(shí)的體驗(yàn)。

三、以瀝青實(shí)驗(yàn)為例開(kāi)展虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式

《道路工程材料》課程中實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱涉及到的瀝青實(shí)驗(yàn)有三個(gè)：瀝青針入度實(shí)驗(yàn)、軟化點(diǎn)實(shí)驗(yàn)和延度實(shí)驗(yàn)，俗稱(chēng)三大指標(biāo)實(shí)驗(yàn)。以延度實(shí)驗(yàn)為例，從實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備、制備試件到測(cè)試結(jié)束、清洗模具，至少需要6小時(shí)（加熱瀝青到流動(dòng)狀態(tài)2小時(shí)，澆模；在常溫下冷卻不少于1.5小時(shí)，刮模；之后放入測(cè)試溫度下保溫不少于1.5小時(shí)；開(kāi)始測(cè)試，測(cè)試大約0.4小時(shí)；測(cè)試結(jié)束，清理模具0.5小時(shí)），但3個(gè)實(shí)驗(yàn)總共才2個(gè)課時(shí)，時(shí)間根本就不夠。

為了在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成教學(xué)工作量，一般都由實(shí)驗(yàn)教學(xué)教師準(zhǔn)備試件，學(xué)生真正參與的工作為測(cè)試那0.4小時(shí)部分，前期準(zhǔn)備工作和后期清理模具都是實(shí)驗(yàn)教師理論講解和口頭說(shuō)明。而前期準(zhǔn)備工作至關(guān)重要，它直接影響著最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

例如：（1）瀝青加熱到流動(dòng)狀態(tài)時(shí)的溫度。加熱溫度太高，瀝青容易老化，導(dǎo)致瀝青變硬變脆，反映在實(shí)驗(yàn)結(jié)果上就是延度值偏小。加熱溫度太低，瀝青變得粘稠，澆模時(shí)在試件內(nèi)部容易產(chǎn)生氣泡。在做延度拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，容易在氣泡出率先出現(xiàn)斷裂，反映在實(shí)驗(yàn)結(jié)果上就是延度值偏小。（2）澆模后試件在常溫下的冷卻時(shí)間。如果急于求成，縮短冷卻時(shí)間，未待瀝青試件完全冷卻到室溫就放入測(cè)試溫度下保溫，快速的降溫會(huì)導(dǎo)致瀝青變脆，反映在實(shí)驗(yàn)結(jié)果上就是延度值偏小。（3）在測(cè)試溫度下的保溫時(shí)間。如果人為地縮短保溫時(shí)間，試件內(nèi)部未完全降到測(cè)試溫度就開(kāi)始測(cè)試，反映在實(shí)驗(yàn)結(jié)果上就是延度值偏大。

基于以上分析可知，如果采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，由實(shí)驗(yàn)教學(xué)教師代為澆模，看似學(xué)生做了主題的實(shí)驗(yàn)部分，但從實(shí)驗(yàn)整個(gè)過(guò)程來(lái)說(shuō)，學(xué)生只參與了其中的一小部分，而那些直接影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最重要的部分都沒(méi)有參與，也就喪失了自己發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和學(xué)習(xí)影響因素的部分。

而如果采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的模式，同學(xué)們先事先采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬測(cè)試，全程參與整個(gè)測(cè)試過(guò)程，再在實(shí)驗(yàn)室真實(shí)測(cè)試主題的部分，則可以達(dá)到教學(xué)效果最大化的目的。具體優(yōu)點(diǎn)如下：（1）讓同學(xué)們快速了解完整的測(cè)試過(guò)程。實(shí)驗(yàn)測(cè)試是有先后順序的，如果順序搞錯(cuò)，模擬實(shí)驗(yàn)就進(jìn)行不下去，這樣可以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)正確的測(cè)試流程。（2）學(xué)生可以參與試樣準(zhǔn)備過(guò)程，自己確定加熱溫度和保溫時(shí)間等。模擬實(shí)驗(yàn)可以快速地讓時(shí)間飛逝（設(shè)置增大倍數(shù)），可以短時(shí)間內(nèi)升到所需溫度（精確到1℃）；實(shí)際等待時(shí)間2小時(shí)，模擬實(shí)驗(yàn)只需要1分鐘，大大節(jié)約了時(shí)間，提高了效率。具體參考圖1。（3）在一些關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)部分，可以設(shè)置放大鏡等功能，幫助學(xué)生更好地觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如針入度實(shí)驗(yàn)中：針入度皿內(nèi)瀝青試樣高度的確定，學(xué)生可隨時(shí)停止或重新制作試樣；針入度針與瀝青試樣剛好完全接觸的臨界點(diǎn)的確定。具體參考圖2。（4）提高學(xué)習(xí)效率，增強(qiáng)教學(xué)效果。同學(xué)們事先經(jīng)過(guò)模式實(shí)驗(yàn)，實(shí)際測(cè)試時(shí)就是在做實(shí)戰(zhàn)演練，做起來(lái)胸有成竹；原先易犯的錯(cuò)誤已經(jīng)得到糾正，在實(shí)際操作時(shí)就可以少走彎路，提高實(shí)驗(yàn)效率，也增強(qiáng)了學(xué)習(xí)效果。（5）模擬實(shí)驗(yàn)不計(jì)成本，可反復(fù)演練，實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，同學(xué)們還可以進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)以鞏固學(xué)習(xí)內(nèi)容。

四、結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有真實(shí)、直觀的特點(diǎn)，通過(guò)實(shí)踐操作可提高學(xué)生的動(dòng)手能力和理論聯(lián)系實(shí)際的能力，但真實(shí)實(shí)驗(yàn)受制于上課時(shí)間的限制，不能完整地參與整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有方便操作、快捷，不計(jì)成本反復(fù)演練等優(yōu)點(diǎn)。因此采用虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的模式，實(shí)驗(yàn)前同學(xué)們先通過(guò)自學(xué)，采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，了解實(shí)驗(yàn)過(guò)程，掌握實(shí)驗(yàn)誤區(qū)，并在虛擬實(shí)驗(yàn)中得到糾正；然后在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中真實(shí)操作，提高動(dòng)手動(dòng)力，加深學(xué)習(xí)興趣；課后再采用虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行鞏固，提高學(xué)習(xí)的效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]何若宏.實(shí)驗(yàn)課教學(xué)特點(diǎn)之探討[J].遼寧省交通高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2000，2（2）：53-55.

[2]張繼紅.教學(xué)型大學(xué)工科專(zhuān)業(yè)學(xué)生實(shí)踐教學(xué)模式研究[D].株州：湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文，2008.

[3]李美娜.初中物理力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)春：東北師范大學(xué)，2011.

[4]王衛(wèi)國(guó)，胡今鴻，劉宏.國(guó)外高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，34（5）：214-219.