基于虚拟仿真软件的实验教学满意度调查及教学探索——以气象雷达原理课程为例

唐顺仙，李 睿，史 朝

（成都信息工程大学电子工程学院，四川 成都 610225）

0 引言

气象雷达原理是我校大气探测专业学生的必修课程，是培养学生具备气象雷达装备研发、性能评估、故障检测与维修等能力不可或缺的环节，此课程相关的实验经常会用到一些精密度高、易损耗且价格昂贵的设备与仪器。然而在平时的实验教学中这些设备和仪器不可能做到人手一套，故常采用线下集中教学演示和分组操作的教学模式。为节约实验成本及缓解实验设备不足，基于虚拟仿真技术开发的软件逐渐被应用到气象雷达类实验教学环节中，特别是在突发公共卫生事件防控期间，这种基于仿真软件的线上实验教学模式得到了越来越广泛的发展[1-2]。相比于传统面对面授课模式，线上授课模式打破了时空局限性，让每位学生都有机会在软件界面上采用直接拖拽的形式亲自完成实验方案的搭建和信号测试，使原来只能以小组参与形式完成的实验操作课程变得更加便捷、灵活和有趣。为进一步了解学生对线上实验教学方式的接受度和线上教学活动设计的满意程度，我们对2017级和2018级的部分本科生采用了线上问卷的形式进行了调查，并开展了气象类实验教学改革思路的探讨。

1 调查结果与分析

1.1 线上教学方式的接受度

在对基于虚拟仿真软件的线上实验授课模式的接受度调查中，44.0%的学生认为是激动愉悦，28.2%的学生认为是紧张，27.8%的学生认为无所谓。该项调查结果表明，大部分学生对于利用虚拟仿真软件完成实验操作是抱有期待的。实验授课的模式中包括录播视频演示和线上直播操作两种方式，学生较满意的方式是线上直播操作（88.9%），而对录播视频演示且不进行直播讲解的教学方式表示比较反感。接受度模块的调查结果显示，学生对基于虚拟仿真软件的线上直播授课是持支持和理解的态度，这也督促教师进一步思考，如何借助信息技术的优势，将直播授课与传统线下实验操作模式的优势进行互补，进而实现高校课程的开放化和信息化。

1.2 线上教学活动设计的满意度

为了确保学生完成实验操作而不受到网络硬件和软件等条件的影响，任课教师在授课前需为学生提供与本次实验相关的教学视频作为备播资料及预习资料。同时可利用虚拟仿真软件自带的打卡签到、随堂测验和测验结果统计分析等功能及时掌握学生考勤和学习情况，保证实验教学的效果。

1.2.1 预发资料对教学效果的影响

在调查预发视频资料对教学效果的影响调查中，36.8%的学生认为预发视频资料对提高实验操作效果很有帮助，60.8%的学生认为有一些帮助，仅2.4%的学生认为没有帮助。这表明通过预发视频资料的预习方式，能促使部分学生在课前主动进行实验操作的预习，这种方式也使得任课教师授课和学生学习的过程变得更加轻松。但同时也注意到一些学生过度依赖回放视频来完成实验操作，这将使其学习效率变差，无法达到学习效果及有效地完成学习任务。针对这部分学生，任课教师需要及时地提醒他们克服懒惰心理，注重提高平时课堂的学习效率。

1.2.2 课堂互动与讨论

通过腾讯交流群、讨论社区等方式进行课堂互动，这种方式看似更符合年轻人的喜好，但问卷调查显示45.9%的学生认为线上授课方式对师生情感交流不利，且有43.5%的学生认为自己在线上授课与传统面对面授课时的课堂活跃度差别不大。但同时也发现，以网络社交软件作为工具的交流模式仍是年轻人更乐于接受的方式，61.7%的学生表示更愿意通过网络与教师互动，73.7%的学生表示腾讯交流群的建立对与授课教师的沟通、讨论、答疑有帮助。相比于传统课堂的举手提问，55.5%的学生更喜欢用弹幕、群聊天等方式参与线上课堂的互动。

1.2.3 随堂测试环节

在线上授课过程中，当学生完成了设定的实验内容后，我们会开展随堂测试环节，即随机挑选几个实验项目对其进行考查。通过在线教育综合平台发布随堂测试时，54.5%的学生表示能独立、自觉和诚实地完成相应的实验任务，42.6%的学生表示能完成部分测试任务，2.9%的学生则表示不能完成。该模块的调查结果显示，绝大部分学生在随堂测试环节表现较好，而针对少部分学生在完成测试环节出现的困难，教师应及时适当地调整教学方向、进度和节奏，使授课内容更具针对性和实效性，从而达到提升教学质量的目的。

2 虚拟仿真软件在气象雷达类实验教学中的优势

在气象雷达类实验教学中引入虚拟仿真软件，在打破时间和地域限制的同时，还可以减小仪器设备台套数限制和节约实验成本等[3]。此外，虚拟仿真软件在教学工作中还具有如下优势：

2.1 满足学生个性化发展的需求

气象雷达是一个非常庞大且复杂的系统，学生要想提高自身的专业水平，就需要在实验环节不断地训练自己，深入对硬件和软件等方面的理解与认识。在传统线下分组实验教学过程中，教师很难做到对每个学生都制定个性化的实验方案及详细的指导。然而虚拟仿真软件的应用，能够让学生自由地探索感兴趣的知识，并允许教师针对学生某方面的不足，个性化地设计实验方案，从而在提高学生专业水平的同时满足学生个性化发展的需求。

2.2 教学内容的扩展和教学质量的提高

线上实验教学可利用虚拟仿真软件模拟线下实验中不易创建的实验环境。由于真实雷达系统中大部分的雷达部件及工作参数不能自由调整，这极大地限制了实验内容的制定，也影响了学生对雷达核心部件构造及性能的进一步认识。然而，虚拟仿真技术可以重现雷达核心部件且放大了对雷达所有参数的设置，而无须担心由此可能造成的系统损坏或不可恢复等问题。这种教学模式极大地方便了教学内容的扩展和保证了教学质量的不断提高。

2.3 保障实验操作的安全

气象雷达类很多实验均涉及高频高压，具有较高的危险性，线上操作则为实验的顺利进行提供了安全保障。虚拟情景实验不仅能够强化学生在仿真环境下规范操作的安全意识，同时又避免了高危实验潜在的危险性。此外，初学者对雷达设备的不当操作易造成设备的损坏，而虚拟仿真实验可提供给学生充分的实验操作空间，而不用担心设备因误操作而损坏。这样可以使学生以较放松的心态大胆的“试错”，从而培养其自信心和创新能力。

2.4 增加实验结果的直观性

虚拟仿真软件可以模拟典型天气过程在不同地形条件、不同观测模式下的回波特征，进而为气象雷达观测提供很多在真实情况下“可遇不可求”的理想天气过程。这将使学生能够更加直观地了解不同天气过程在雷达回波图中的特征，在激起学生兴趣和好奇心的同时掌握更多天气学的知识，有利于学生对理工结合类知识的掌握。

3 基于虚拟仿真软件的气象类实验教学改革思路

3.1 继续丰富虚拟仿真实验教学软件的功能

在气象类实验课程中，涉及实验内容是相当丰富的，例如有雷达信号测试、性能优化与分析、故障排查及定位、回波模拟及特征识别等。虚拟仿真软件性能的提升及功能的丰富是提高软件得到更多重视程度的根本。增加软件自主调整功能，教师可以在软件中设置很多故障点，让学生利用软件完成故障的定位及排除，这样既可以锻炼了学生动手能力，也能保证每位学生都训练到位，提升了实验教学质量。

3.2 不断提升教师虚拟仿真软件操作的水平

教师对软件的熟练掌握程度直接影响了其实验教学水平。对于初次接触虚拟仿真软件的教学人员，需施行导师制，即由软件熟练操作人员对其进行系统的辅导。此外，鼓励教师将此软件引入到平时的科研项目研发中，在科研项目的推进中尽早地提高软件操作水平，进而提升实验教学质量。

3.3 重点引入教学与科研相互促进的模式

从教师的科研项目中选取较好的成果，并将其转化成实验项目，这样极大丰富了虚拟仿真的教学内容，调动了学生利用软件的积极性和创造性，并开拓了学生的视野，从而有利于提高学生在工程实际应用方面的能力。与此同时，教师在科研中广泛的应用虚拟仿真软件，这也在一定程度是提升了其实验教学水平[4]。

3.4 全面优化教学内容和教学大纲的质量

现代化的虚拟仿真技术引入到实验教学环节，为实验内容的丰富和综合性实验的增设提供了非常好的契机。在构思新的实验内容时，编写创新性实验教材和课件是十分必要的。与此同时，教学大纲也需要根据新的实验内容和手段“与时俱进”。新技术的引入和实验内容的深化在丰富了学生的科学思想和创新能力的同时，也不断提高了教师的教学水平和质量。

4 结语

虚拟仿真教学软件的出现突破了实验教学对客观条件的诸多限制，在实验安全性和内容扩展方面也具有明显的优势。此外，基于虚拟仿真软件的线上教学模式增加课堂活跃性、形象逼真的展示实验结果、激发学生积极性和提高教学效果等方面均优于传统线下分组教学的模式。开展对这种实验教学模式满意度的调查后发现，绝大部分学生对这种教学方式是接受的并且对教学效果是满意的。通过对这种教学模式改革的思考，在不断地丰富软件功能、提升教学水平、引入教学科研相互促进的模式和优化教学内容的前提下，这种教学模式才能够真正激发学生学习潜能，同时实现按需学习、有效学习和精准学习，进一步帮助学生达到“学有所思、学有所悟、学以致用”的教育目标。