基于虚拟仿真实验的多课程融合教学方法*

中国计量大学计量测试工程学院 江文松，邵家存，罗哉，王学影

一、引言

误差理论与数据处理、虚拟仪器、传感器技术等课程是仪器专业的主干课程，能够帮助该专业本科生全面了解仪器系统设计、分析与评价等方法[1,2]。因此，该课程的讲授模式在仪器类专业课程的教学环节至关重要。

误差理论与数据处理课程是计量专业的特色核心课程，其教学内涵也随着国家计量事业与测试技术发展的新要求而不断变化。因此，本课程的建设理念、内容与教学方法等也在不断地动态调整与优化[3,5]。近年来，新冠疫情对传统教学活动产生较大的冲击。

一方面，线下课堂教学难以满足复杂的教学秩序；

另一方面，从教学模式和技术实现上，线上网络化教学手段很难达到传统讲授效果。“线上线下”网络化教学模式更需要兼顾远程教学、线上互动和虚拟再现等教学行为和课堂功能，因此，开展新形势下计量专业课程的教学改革迫在眉睫[6]。

目前，多课程教学改革的重点问题突出，主要体现在三个方面：

（1）教学理念的优化进阶。传统的重知识传授的教学理念采用自上而下的垂直灌输模式，无疑会固化学生思维、脱离与前沿科技的贯通、分离教师的科研与教学工作等[7]。

（2）教学资源的多课程拓展重构。误差理论与数据处理是计量专业的理论基础，是从事计量技术研究、计量校准、工程测量等应用技术的前提[8]。通过数字化虚拟现实技术把前沿工程案例引入课堂，能够有效衔接经典理论、科技前沿与工程应用，实现“产学研用”的闭环管理。

（3）教学方法的网络化突破。板书、多媒体、实验等传统讲授方法在课程教学上依然重要，但在新形势、新工科和新技术条件下的能力培养上不具优势[9,10]。通过理论教学、虚拟实验教学的多课程融合，建立线上线下混合式教学课堂，由此激发学生的学习积极性和创造性，拓展专业课程教学内涵，培育实践能力，实现高阶教育的目标。

因此，针对“新工科”背景下的计量特色专业课程，采用网络化教学模式和多课程融合的教学手段，将虚拟仿真实验平台引入网络教学课堂，形成课堂理论学习、仿真实验设计、实验与理论相结合的实践验证等核心教学环节的闭合，真正使教学内容“学以致用”。

二、虚拟仿真与多课程融合的教学模式

针对计量专业特色课程，以动态力计量虚拟仿真实验作为网络化教学资源，以测量不确定度评定作为理论教学内容，以LabVIEW图形化编程语言作为网络互动实操手段，开展传感器、误差理论与数据处理、虚拟仪器等多课程的数字化融合教学新模式。

（一）动态力计量虚拟仿真实验教学平台

动态力计量虚拟仿真实验教学平台，用于计量专业本科生开展力传感器动态校准相关的仿真实验，是依据力传感器校准原理和计量基准装置通过虚拟现实技术构建而成的线上虚拟实验计量平台。该平台主要包括自主学习、实验操作和实验考核三个模块，其中，自主学习模块用于学生提前预习虚拟仿真实验系统的教学目的、工作原理、操作指南及各类相关传感器的参数指标；实验操作模块主要面向线下课堂实验教学，通过等比例构建的实验室环境，再现计量检测机构的动态力校准装置、被校准力传感器、各类等级的标准传感器、数字化二次仪表、数据采集仪表、数字化显示终端及图形化编程环境等量值计量的标准实验环境，该模块具有线上互动操作功能，方便师生进行过程复现、程序设计、数据获取等虚拟实操；实验考核用于自动记录、跟踪、评价学生虚拟仿真实训的过程与结果，查看学生实训成绩及各步骤的合规性情况，实现学生复习、自评及教学评价的闭环输出。

虚拟仿真实验平台通过讲授、学习、训练、考核、管理、评价等教学功能的集成，实现理论课程资源、虚拟仿真软件、实验实物设备的高效融合。通过该平台，能够将“翻转课堂”“线上线下” 和“泛在”等 “理、虚、实” 一体化教学模式引入计量专业课程的讲授过程，提高理论、实验及二者混合教学的效果，提高学生对测量、校准、检定、评价等计量活动规范性的认识，弥补设备、流程、实验、技术手段等线上教学资源的不足。

（二）多课程融合的教学模式设计

计量学理论作为仪器学科的重要组成部分，涵盖多个领域的专业基础性学科。以误差理论与数据处理为例，该课程以高等数学和数理统计学为理论基础，以传感器技术与虚拟仪器为专业基础，是精密机械设计、测试信号分析与处理、自动控制理论等课程的理论基础。因此各个课程之间存在知识交叉且互为关联的内容，采用多课程融合的教学模式，既能让讲授过程更为连贯，知识点串联更为紧密，还能让学生乐于探索、温故知新。

针对误差理论与数据处理、虚拟仪器、传感器技术等课程，建立多课程融合教学模式，通过动态力计量虚拟仿真实验教学平台，结合校准原理编制实验程序，获取虚拟校准数据，采用误差理论与数据处理课程的基础理论，实现动态力校准数据的误差分析、误差合成与分配、不确定度评定等指标评价。达到仪器类多课程融合教学的目的，起到工程化实践教学的效果。具体实施过程如下：

（1）网络教学资源的共享。建立微课、视频、文献等教学内容的在线数据库，通过定时、定量、定群体的方式在网络云平台发布数据库资源，供学生完成理论知识的个性化预习。

（2）线上线下的理论教学。针对测量不确定度评定的教学内容，教师系统讲解误差性质及原理、不确定度来源及计算方法、合成与评价等，采用线上板书与PPT辅助的教学方式开展理论教学，渐进展示理论与方法的推导过程，使学生易于把握知识脉络体系，突出重点知识核心，掌握系统性分析思维能力。

（3）多课程融合。针对上述理论课程的讲授知识点，融合传感器技术与虚拟仪器两门课程开展相关知识链接，设置动态力计量虚拟仿真实验交互学习体验环节，让学生通过WEB端虚拟仿真实验平台，以第一视角体验和学习动态力计量仿真实验的原理、实验环境、配套设备及操作步骤。教师依据计量规范向终端学生派发与理论教学相关的实验任务，通过操作提示和原理分析等渐进式教学手段，引导学生对动态力校准实验数据进行误差分析和不确定度评定等教学内容的认识与理解。通过上述多课程融合，达到理论与实践的统一、教与学的统

一、知识点与知识体系的统一。

（4）课程跟踪评价。WEB端设置测评接口，通过对学生的实验操作步骤的正确性、操作规范的符合性、不确定度分析结果的准确性等操作痕迹进行量化评价，方便教师查看学生实践环节的成绩及其分布，输出教学效果评价报告。通过该过程优化评价手段，简化评价过程（见图1）。

图1 多课程融合教学模式拓扑结构图

（三）融合课程的成绩评定

学生学习效果评价与课程目标达成情况评价紧密结合，该课程注重过程考核以督促学生日常学习。通过理论教学考核环节考查学生学习能力和思辨能力的养成情况，通过虚拟仿真实验教学考核环节考查学生科学思维与问题分析等能力的形成情况。

具体而言，学生综合评定包括过程考核和期末考核两部分：过程考核包括平时作业（占总成绩10%）、考勤与课堂讨论表现（占总成绩10%）、虚拟仿真实验的实践表现（30%），期末考核笔试成绩（占总成绩50%）。

考核内容能够准确反映学生学习效果，信效度高，进而能够推断、分析课程目标达成情况。每轮教学结束，各教学班任课教师和课程负责人均需撰写《课程目标达成情况评价报告》，从不同的角度分析学生成绩与学习情况，总结课程设计、教学安排、考核方式等方面的经验与不足，持续补充课程建设改进策略。

四、教学模式的特色分析

（一）“理、虚、实互动”教学模式促进体系化专业技能的构建

采用的“理、虚、实互动”教学模式利于学生构建系统全面的专业知识体系，掌握知识运用技能和实验技能。理论教学凸显专业基础和知识脉络，实验设计凸显标准意识和操作细节，通过开展问题式、探究式和理论反演式教学模式，促进学习目标的达成和体系化专业技能的构建。

（二）“科、教、思政融合”型课堂促进学生科学素养的培植

课程目标凸显科学情怀熏陶、科学精神涵养、科学思维训练等思政元素；课程内容突出科技前沿、计量特色和工程实践等专业元素；教学设计依托科研项目成果、虚拟仿真实验平台等多学科元素，发挥课程教学对学生科学素养养成上的最大化。通过教学内容的拆解与重构，实现科研资源向教学资源的转化。

（三）传统教学模式的延伸与拓展

基于虚拟仿真实验的多课程融合教学模式是多元化教学的探索与尝试，既能够克服传统理论讲授和实验教学以教师为中心的局限，也可弥补理论教学脱离工程实践和传统实验平台不能实现的实验内容。一方面将理论教学与实验教学进行互联融合，另一方面将特色实验从线下搬到线上，从而拓展了教学内容的广度，延伸了实验教学的深度。这有利于促进人才培养质量的整体提升。

五、结论

（1）通过虚拟仿真实验教学平台，为线上理、虚、实” 一体化教学模式提供基础环境，使教学资源的多课程融合、教学活动的网络化互动、教学效果的科学评估与课程讲授的高效管理成为可能。

（2）通过多课程融合教学模式，在凸显专业特色的基础上释放教学过程定式，通过增加学生课前课后学习任务，加强课堂研究型和项目式教学环节，设置线上师生互动、生生互动，提高学生创新性和批判性思维的培养。