软件类仿真实验线上教学设计的研究和探讨

李维雅

(内蒙古工业大学 理学院, 内蒙古 呼和浩特 010051)

信息技术发展到今天，已经深入到工作生活的方方面面，对社会、经济、思想、教育、文化等产生了巨大的影响[1,2]。信息时代的教育教学，也必然会受到信息技术的深刻影响。信息技术与教育教学不断融合，催生了新的教学方法，线上教学就是融合信息技术和教育教学的一种教学方法。国家通过出台一系列的政策推动着教育信息化的进程。2010年颁布了《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020)》[3]，2012年颁布了《教育信息化十年发展规划(2011-2010)》[4],2016年颁布了《教育信息化“十三五”规划》[5]，2018年颁布了《教育信息化2.0行动计划》[6]。新冠疫情的到来，更是让人们意识到线上教学的重要性和必要性，促进了线上教学的进一步深入和推广。相比于理论教学，对仪器设备依赖性强的实验教学是“线上”化的一个难点。传统的实验教学必须在特定的实验设备上完成，受设备数量、时间、地点约束。而有些实验危险性高或者成本高、消耗大、周期长等，这些实验教学都是很难完成的，虚拟仿真实验就是为了解决这些问题而产生的。虚拟仿真实验是信息技术发展的产物，利用虚拟现实或实物仿真技术创建、重构或还原实验教学场景，能够很好地弥补传统实验教学的不足，和传统实验教学相辅相成，一起完成实验教学任务。教育部多次发文推动虚拟仿真实验教学项目建设[7-9]，首批国家级虚拟仿真实验教学项目超过700项[10]。

虚拟仿真技术可以包含动画技术、系统仿真技术、三维仿真技术、虚拟现实技术、增强现实技术、混合现实技术和影像现实技术[11]。很多虚拟仿真实验需要搭建专门的平台，在众多的仿真实验中，基于软件的仿真实验无须专门的虚拟仿真平台支持，只需要计算机和相关软件即可进行，因此这类仿真实验开展最为广泛，也正因如此，这类实验教学“线上”化的过程也更易于实现。实验一般可分为观察性实验、操作性实验、分析性实验、设计性实验和综合性实验[12]。基于软件的仿真实验一般属于设计性实验。设计性实验通常要根据实验目的，学生自主或在教师指导下确定实验方案，规划实验方法和步骤，操作完成实验，分析实验数据，撰写实验报告。这类设计性实验往往个性化特征更强，不同的学生有不同的设计思路和完成方式。在线教学所有的教学活动都在线完成，这就使在线教学既可以利用教师掌握的教学资源，也可以利用网络丰富的教学资源；但同时因为师生不是面对面，学生难免产生懈怠，导致教学质量无法保证。仿真实验的线上教学，既需要考虑设计性实验的特征，又要融合线上教学的特点，让学生即使不能和教师面对面，也可以通过“学中做”“做中学”的仿真实验教学，掌握知识，提高能力。

本文针对软件类仿真实验的教学特点，对这类实验教学在线上如何开展进行了较系统的研究和实践，给出了易于实施的“线上”化的操作方法，探讨了该类实验线上教学的教学设计方案，为软件类仿真实验教学的线上教学提供切实可行的参考。

在线教学设计：教学设计一般指根据教学对象和教学目标，确定合适的教学起点和教学终点，将教学要素有序、优化地安排，通过教学评价来检验方案实施效果，并修订完善方案，以优化教学、帮助学生获得知识、提高能力、促进发展为目的的一种规划过程[13]。教学设计一般包含前期分析、教学目标、教学内容、教学方法和教学评价等环节，是教学开展的依据。

一、开展教学前期分析，为课程开展做好准备

教学前期分析是在正式开课之前，教师所需要做的准备工作。一般包括自我能力分析、学情分析和教学资源分析。

(一)分析自我能力，及时弥补教学短板

从传统的课堂教学转变为在线教学，教师需要具备应对不同的教学方式的能力，研究新的教学法的能力，应用信息技术的能力，适应线上教学的师生沟通的能力以及对各个教学环节重新设计和实施的能力[14]。比如，针对在线教学不能和学生面对面，学生的注意力下降很快的特点，在教学内容的组织上，尽量避免长时间的讲解，可以采用知识点碎片化的方法，尽可能短地讲清一个知识点，把控教学节奏，引导学生快速、精准掌握重点、突破难点，即需要准备新的教学方法和教学策略。

教学前期的自我能力分析除了能为教学做好充分的准备，也有助于教师提前发现教学过程中可能存在的短板，并及时弥补。

(二)分析教学情况，为制定教学方法提供依据

学情分析一般包括教学内容和教学对象的分析。教学内容的分析是组织教学内容和制定教学策略的依据。由于软件类仿真实验通常属于设计类实验，一般没有严格的实验步骤而是更强调自主性和创新性。通常学生可以根据实验目的，自主或在教师指导下确定实验方案，设计实验方法和步骤，操作完成实验，分析实验数据，撰写实验报告。在设计实验方案和实验操作的过程中，更强调突出学生的主观能动性，使学生通过积极思考，创造出不同的技术路线实现实验目的，不仅达到“做中学”的实验目的，也锻炼学生分析和解决问题的能力。教学内容的分析，为教学方法和教学策略的制定提供了依据。

教学对象的分析一般是对学习者进行提前分析，从而获得学习者的起点水平、学习状态和学习风格，这些可以通过调查问卷的方法获得。比如，课程开始前，可以给学习者出一份本课程学习需要的基础知识的试卷，通过试卷的答题程度，可以获得学习者对本门课程知识的了解程度，从而调整课程的内容和授课节奏。

(三)分析教学资源，为课程开展提供平台和保障

教学资源分析一般包括软件和硬件两方面的分析。硬件就是在线教学所需要的设备，教师端通常需要电脑、网络、麦克、摄像头、手写输入设备等，学生端通常需要电脑、手机、网络、麦克等。调查显示，教师端的硬件条件基本可以满足线上教学的需要，而学生端的硬件条件则参差不齐；网络方面，多数学生有wifi环境，但也有小部分学生只有移动网络，只能使用手机流量；终端方面，几乎所有的学生备有智能手机，多数的学生有电脑设备[15]。介于目前仿真实验所依托的软件大部分只能在电脑端运行，不支持手机端运行，因此需要对学生是否有电脑的情况，采取不同的教学策略。

软件是在线教学需要的学习资料和学习环境。比如电子教材、电子课件、教学视频和在线教学平台。在线教学平台是在线教学的依托，其功能和稳定性对教学效果有很大影响。在线教学虽然不是简单地把线下课堂搬到线上，但是更不能使线上教学等于看视频，因此依托各个教学平台的直播课是在线教学的主要模式[16]。经过疫情期间线上教学实际检验，腾讯课堂、腾讯会议、QQ、钉钉、雨课堂等教学平台由于其强大的功能和稳定性，成为被广泛使用的教学平台[16]。但这些平台或多或少缺少一些功能，不能完全满足课程要求，建议使用两个或多个平台配合使用。比如“优慕课+QQ群”的形式。慕课功能全面，几乎涵盖了除直播课的所有教学环节，还可以与教务系统对接，导入学生名单，支持课程复制。直播课可以利用QQ群屏幕共享配合语音讲解实现。这样的处理，使学生处于一个熟悉的“班级+教室”的学习氛围中，可以边听教师的讲解，边看实验操作步骤，还可以通过语音和文字实时与教师及同学们互动交流，减小教学方式改变带来的不适应，使学生尽快适应线上教学方式。

二、设置合理的教学目标，培养学生科学精神

教学目标是指教学活动的实施方向和预期达到的成果，一般包含知识、技能和情感三个维度[17]。线上教学和课堂教学的教学形式不同，但他们所要达成的教学目标应该是一致的。根据仿真实验类课程的具体情况，制定相应的教学目标即可。比如数字图像处理实验课程中数字图像灰度变换一节的教学目标可表述为，学生在MATLAB软件中，能利用MATLAB基本函数和数字图像处理工具箱中的基本函数，编写简单程序，实现数字图像的灰度变换；并在此过程中，解理图像灰度变换的基本原理，培养学生理论联系实际的科学精神。

三、设计教学内容，解决实际“问题”

课堂教学尤其是理论教学，课程的内容逻辑性较强，前后章节联系紧密，一般需要按照章节顺序讲解。而在线教学教师和学生时空分离，教师很难起到监督的作用，学生容易懈怠。如果依然采用和课堂教学相同的内容和节奏上课，不免产生教学疲惫，影响教学效果。因此，教学内容需要重新组合，即需要针对线上教学的特点，采用合适的教学法，引导学生学习。软件类的仿真实验课程一般是以设计开发为主的实践性课程，可以使用面向“问题”的教学内容组织教学。根据教学目标，把课程内容分解为一个个的“问题”，以一个需要解决的“问题”为牵引，引导学生围绕解决“问题”展开学习。教师需要做以下几项工作：设计“问题”，组织活动，建设资源，提供工具。

四、优化教学方法，激发学习兴趣

教学方法是教学具体实施的规划或方法，是与教学内容相辅相成的。教学方法应该是促进教学成为有效果、有效率和有效益的教学[18]。相比线下教学，线上教学还需要引导学生适应从课堂到线上教学环境的变化、适应师生沟通和互动方式的变化、适应信息化技术手段的运用。

和面向“问题”的教学内容相联系的教学具体实施方法可以做以下描述。第一，把课程内容分解成多个“问题”，把本次仿真实验的“问题”通过教学平台发布给学生。第二，给出本次实验的预习提纲，开辟讨论区分组讨论。第三，给出问题相关的学术文献、讲授视频和相关网站的链接。第四，提供仿真实验所需软件。“问题”发布以后，通过实验提纲的预习，学生可以了解本次实验的目的和意义以及实验的基本原理；经过相关学术文献的阅读和讨论，可以获得该“问题”的发展状况和基本的解决思路；再通过直播课和教学视频，教师精讲实验原理、演示实验方法。经过这几个教学环节，学生可以对本次实验有较全面的了解，为自主开展仿真实验提供前提和基础。最后，为学生提供仿真实验相关的专业软件，并提供软件的操作说明，保证仿真实验的顺利开展。经过教学实践，这样的重新组织课程内容的仿真实验课程，以“问题”为中心，进行了更详细的拆分，通过完成一个个小的任务，激发了学生的成就感和学习兴趣，很大程度上避免了懈怠，使大多数学生真正参与到了教学当中。

五、完善教学评价，合理评价学生成绩

课程的考核评价一般分为三部分：诊断性评价、形成性评价和终结性评价[19]。诊断性评价一般在教学前期进行，可以通过问卷调查的形式，判断学生的知识基础、教学资源准备等情况；形成性评价一般在学习过程中收集学生的学习情况，并为下阶段的教学调整起到参考作用，以问卷调查、课堂和课后作业的完成情况、讨论区讨论情况等为依据，综合作出评价；终结性评价是对学习结果做出全面的评价，一般需要以分数的形式给学生评定最终成绩。

软件类仿真实验的终结性评价可分为过程性评价和综合性评价。设计性实验中的过程性评价应是评价的主体，占最终成绩的多数分数。仿真实验可以用是否提出“问题”解决的方案、方案是否可行、方案是否被实现、方案实现的效率、实验报告是否规范、实验结果是否有创新性等方面为指标，以分数的形式给出每个实验的评价，累计所有实验评价的结果可给出最终成绩的过程性评价分数。课程结束，可以通过笔试，考查课程基本知识和基础实验方法的掌握程度，得到综合性评价的分数。结合过程性评价分数和综合性评价分数，给予学生最终成绩。

针对软件类仿真实验线上教学的特点，从教学前期分析、教学目标、教学内容、教学方法和教学评价等方面讨论了仿真实验线上教学的教学设计方案。具体地给出了前期分析的内容和方法、教学目标制定的规律和方案、教学内容的重构方式、和教学内容相配合的教学方法及其具体实施方案、教学评价的内容和实施方法，并对线上教学中师生互动和信息技术与课程的关系做了简单讨论。经过疫情期间的教学实践，文中的教学设计易于实现和执行，可以为软件类仿真实验教学的线上化提供切实可行的参考。