实验教学中开展虚实结合的教学模式探讨与实践

孙艳娜 孙大权

摘要：实验教学在培养学生创新能力和动手能力等方面具有明显的优势。新时期下卓越工程师的培养，不仅要有与之相对应的课程体系和教学内容，而且要采用相应的教学组织形式和教学方式。传统的实验教学受制于上课时间的限制，不能让学生完整地参与整个实验过程。因此，本文以道路工程材料实验为例，探讨采用虚拟实验和真实实验相结合的实验教学模式，弥补传统实验教学的弊端，更好地激发学生的学习热情和主动性。

关键词：实验教学；虚拟实验；教学模式

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）39-0129-03

新时期下，国家提出“卓越工程师培养计划”，该培养计划的目标就是造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务。卓越工程师的培养，不仅要变革已有的教学内容，而且要变革已有的教学方法和教学组织形式。道路工程是典型的工科专业，它的显著特点是应用性、实践性强，对学生的专业技能和创新能力要求较高。实验教学在培养学生创新能力方面具有明显的优势，与理论教学相比具有直观性、实践性、综合性和创新性等特点，因此卓越工程师的培养应加大实验教学环节。

一、传统实验教学模式及其特点

传统实验教学模式是学生在教师的指导下参观或实际操作具体实验内容，这对提高学生的动手能力和理论联系实际的能力都有帮助。具体特点如下[1，2]。

1.自主学习性。相对于课堂教学，实验教学中学生占主导地位。通过课堂上实验原理的学习，学生了解到很理论性的东西，知道实验设计的来龙去脉，但具体如何操作，就需要实验教学来掌握。通过阅读实验指导任务书，从基本的实验仪器的认识，到实验试件的制备、实验加载的先后顺序，同学们都要靠自己去学习、掌握，做好充分的预习和总结，才能在实际实验操作中不手足无措。

2.实践性。基于课下的自主学习，学生要把书本上的概念、实验原理、实验方法等抽象的知识，转换成鲜活、灵动的具体实验项目，这就需要亲自动手操作，亲自实践。在整个实验过程中，从实验仪器的组装、试样的安装，到实验参数的设定，学生需要不断地调节控制仪器以达到准确控制的目的。比如：沥青软化点实验中，实验温度从5℃开始，以5℃/min的升温速率加热，在这个过程中，就需要调节加热阀门的大小来确定升温速率，同时调節转子的转动速率来辅助温度上升。在这个过程中，学生需要不断观察记录每一分钟的升温速率，分析和预测下一分钟的升温速率，离目标大了粗调，离目标近了微调，不断实践、不断调整，最终得到一个合适的加热阀门控制大小和转子转动速率大小的组合。

由于实验的实践性不能通过理论讲解所取代，也不能通过观察学习取得，必须学生亲自动手操作才能实现。因此，学校必须为学生提供足够多的实验设备、实验材料物质条件等，以让每个学生都有动手学习和练习的机会。只有亲自动手实践，才便于教师及时发现问题，进行单独指导，最大限度地发挥每个学生的积极性和主动性。

3.开放性。实验的开放性是指实验课不同于理论课，容易形成封闭或者半封闭的体系。理论课程有其自身的内涵与外延，可以关起门来自行学习和推理。实验课程需要同学自己动手实践，在这个过程中，学生的大脑、手脚和一切设备是一个开放的实验系统，理论指导大脑，大脑指挥双手，双手控制设备和外在参数，中间每一个环节都可以改变，也可以反复修正。这个过程也是理论联系实际、知识转化实践的过程。

4.综合性。实验的综合性一方面指实验课程综合了基础理论知识和专业知识，自学能力和模拟能力，想象能力和实际操作能力，另一方面是指实验设计可以是综合性的内容。在实验过程中，同学们手脑并用，视觉、听觉、嗅觉功能都启动，依靠自身的力量独立观察分析出现的问题，并努力利用已有知识解决问题。必要时，同学们可改变实验条件或实验参数，反复或重复进行实验，教师也应该鼓励引导学生自主进行设计实验。在这个过程中，可以巩固已有知识、学习或发现新的知识，激励学生产生更大的学习热情，追求更大的科学进步。

二、虚拟仿真实验教学模式及其特点

虚拟实验是借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术，应用虚拟模型来仿真实际物理实验过程和实验结果以达到进行科学实验目的的应用系统[3，4]。虚拟实验在计算机上建立一个部分代替或全部代替传统实验操作环节的相关软硬件操作环境，用户可以像在真实环境中一样完成各种实验项目，所取得的实验结果也应该与真实环境中所得的效果相等价。具体特点如下。

1.多媒体技术。不同于传统的技术手段，多媒体技术可以利用计算机综合处理图像、声音、动画等素材，构建生动逼真的二维和三维场景，具有形象、生动、直观、高效的特点，这从视觉上就可以吸引同学们的兴趣，而兴趣是最好的教师。

2.人机交互技术。不同于呆板的生硬的死物，输入和输出相互分离，应用人机交互技术可以帮助实验者与实验内容进行交流，就像面对一个鲜活的“实体”，输入不同的内容即时给出相应的输出。这样鲜活有趣的实验形式，不仅拓展了实验的范围，也增加了实验的趣味性。

3.虚拟现实技术。高效的仿真技术可以让同学们浸润实验环境内，达到身临其境的效果，实现以虚代实的体验。

三、以沥青实验为例开展虚实结合的教学模式

《道路工程材料》课程中实验教学大纲涉及到的沥青实验有三个：沥青针入度实验、软化点实验和延度实验，俗称三大指标实验。以延度实验为例，从实验前准备、制备试件到测试结束、清洗模具，至少需要6小时（加热沥青到流动状态2小时，浇模；在常温下冷却不少于1.5小时，刮模；之后放入测试温度下保温不少于1.5小时；开始测试，测试大约0.4小时；测试结束，清理模具0.5小时），但3个实验总共才2个课时，时间根本就不够。

为了在规定时间内完成教学工作量，一般都由实验教学教师准备试件，学生真正参与的工作为测试那0.4小时部分，前期准备工作和后期清理模具都是实验教师理论讲解和口头说明。而前期准备工作至关重要，它直接影响着最终的实验结果。

例如：（1）沥青加热到流动状态时的温度。加热温度太高，沥青容易老化，导致沥青变硬变脆，反映在实验结果上就是延度值偏小。加热温度太低，沥青变得粘稠，浇模时在试件内部容易产生气泡。在做延度拉伸实验时，容易在气泡出率先出现断裂，反映在实验结果上就是延度值偏小。（2）浇模后试件在常温下的冷却时间。如果急于求成，缩短冷却时间，未待沥青试件完全冷却到室温就放入测试温度下保温，快速的降温会导致沥青变脆，反映在实验结果上就是延度值偏小。（3）在测试温度下的保温时间。如果人为地缩短保温时间，试件内部未完全降到测试温度就开始测试，反映在实验结果上就是延度值偏大。

基于以上分析可知，如果采用传统的实验教学模式，由实验教学教师代为浇模，看似学生做了主题的实验部分，但从实验整个过程来说，学生只参与了其中的一小部分，而那些直接影响实验结果的最重要的部分都没有参与，也就丧失了自己发现问题和学习影响因素的部分。

而如果采用虚拟仿真实验和真实实验教学相结合的模式，同学们先事先采用虚拟仿真实验进行模拟测试，全程参与整个测试过程，再在实验室真实测试主题的部分，则可以达到教学效果最大化的目的。具体优点如下：（1）让同学们快速了解完整的测试过程。实验测试是有先后顺序的，如果顺序搞错，模拟实验就进行不下去，这样可以帮助学生学习正确的测试流程。（2）學生可以参与试样准备过程，自己确定加热温度和保温时间等。模拟实验可以快速地让时间飞逝（设置增大倍数），可以短时间内升到所需温度（精确到1℃）；实际等待时间2小时，模拟实验只需要1分钟，大大节约了时间，提高了效率。具体参考图1。（3）在一些关键实验部分，可以设置放大镜等功能，帮助学生更好地观察实验结果。如针入度实验中：针入度皿内沥青试样高度的确定，学生可随时停止或重新制作试样；针入度针与沥青试样刚好完全接触的临界点的确定。具体参考图2。（4）提高学习效率，增强教学效果。同学们事先经过模式实验，实际测试时就是在做实战演练，做起来胸有成竹；原先易犯的错误已经得到纠正，在实际操作时就可以少走弯路，提高实验效率，也增强了学习效果。（5）模拟实验不计成本，可反复演练，实际实验结束后，同学们还可以进行模拟实验以巩固学习内容。

四、结语

实验教学具有真实、直观的特点，通过实践操作可提高学生的动手能力和理论联系实际的能力，但真实实验受制于上课时间的限制，不能完整地参与整个实验过程。而虚拟仿真实验具有方便操作、快捷，不计成本反复演练等优点。因此采用虚拟实验和真实实验相结合的模式，实验前同学们先通过自学，采用虚拟仿真实验进行实验模拟，了解实验过程，掌握实验误区，并在虚拟实验中得到纠正；然后在真实实验中真实操作，提高动手动力，加深学习兴趣；课后再采用虚拟实验进行巩固，提高学习的效率。

参考文献：

[1]何若宏.实验课教学特点之探讨[J].辽宁省交通高等专科学校学报，2000，2（2）：53-55.

[2]张继红.教学型大学工科专业学生实践教学模式研究[D].株州：湖南工业大学学位论文，2008.

[3]李美娜.初中物理力学虚拟实验系统的设计与实现[D].长春：东北师范大学，2011.

[4]王卫国，胡今鸿，刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索，2015，34（5）：214-219.