地方院校电子信息类专业虚实融合实验实训教学模式的构建

何富运　朱红艳　王勋

［摘 要］课题组针对地方院校电子信息类专业实验实训教学存在的问题，以应用型电子信息类人才培养为目标，将新一代信息技术、虚拟现实技术、人工智能技术引入电子信息学实验实训教学中，构建了“虚实融合、虚实互补”的实验实训课程体系，打造了智能化、信息化与工程教育高度融合的实验实训平台，强化了电子信息类专业学生的创新思维和工程实践能力训练，以推进“学生为主、教师引导”的多元化电子信息学实验实训教学理念、教学模式、考核模式、评价模式的改革，为电子信息学智慧实验实训教学模式的构建及应用提供了可供参考的实践途径。

［关键词］地方院校；电子信息；实验实训；虚实融合；学生为主

［中图分类号］ G642 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）16-0023-04

为了应对经济社会发展中不断涌现的新产业、新业态和新技术所带来的新一轮变革，国家开始大力探索和发展新工科[1]，特别是教育部在新工科的高等教育建设上不断持续发力，积极探索以新思想引领新工科发展，发展新兴工科专业[2]，目的在于不断深化工程教育改革，把我国从工程教育大国建设成为工程教育强国。新工科建设所引发的工程教育模式改革、学科交叉融合、专业建设与升级、教学方法创新、产学研协同育人等已成为我国高等教育改革的焦点，为创新型、复合型、应用型工程人才培养带来了重大变革[3]。

实验实训是培养电子信息类专业学生实践技能、创新意识和科学思维的重要途径[4]。受传统实验实训教学条件和方式、优质师资力量紧缺、办学经费相对有限等多方面因素的影响，目前地方院校电子信息类专业的实验实训教学存在实验时间不足、生均实验仪器及设备配比低、学生动手能力不强等问题，从而导致部分地方院校电子信息类专业应用型人才的职业素养不高、创新思维欠缺、实践能力不强。

《教育部2019年工作要点》明确提出实施教育信息化2.0行动计划，推进信息技术与教育教学深度融合，系统推进国家虚拟仿真实验教学项目建设工作，强调在加强教育信息化硬件基础建设的同时，加快信息技术在教育教学改革中的应用[5]。我国的教育信息化建设是从2008年开始的，经过十余年的建设，我国的教育信息化历经了开放教学、虚拟仿真教学、移动教学等多维度发展。将虚实融合的教育理念、新一代信息技术、人工智能技术等引入电子信息类专业实验实训教学平台建设，平台的建成将为实践教学活动的组织赋予更多的创造性，对实验实训教学更深入化的改革起到至关重要的作用。

目前，传统的基于实体平台的电子信息类专业实验实训教学模式存在着诸多问题，制约了应用型人才培养质量的提升。因此，以培养具有创新精神和工程素养的高级应用型人才为根本出发点，在目前电子信息类专业全体学生参加专业认知实习、生产实习、专业实习、毕业设计等各个工程实践环节已经趋于饱和的情况下，非常有必要从虚拟仿真的角度补充新的教学资源、提供新的支撑。基于此，课题组围绕电子信息类专业人才培养所必备的综合应用能力、工程实践能力、创新能力，开展了“虚实融合、虚实互补”的实验实训教学模式的研究与应用。

一、电子信息类专业实验实训教学模式的改革目标

目前，在新工科背景下，国内外高校将信息技术应用于实验实训教学方面都取得了较好的进展，虚实融合的教学案例较多，应用也比较成熟，但是尚未形成有机的、系统的、结构清晰的虚实融合的实验实训教学模式[6]，同时在基于大数据技术的教学管理、反馈和评价等方面还需要进一步建设和完善。地方院校一般受限于对教学理念认知不够、师资力量相对较弱、高端仪器设备投入不足等因素，在新信息技术应用于实验实训教学方面是相对滞后的[7]。

课题组聚焦地方院校融合现代信息技术于教育教学的迫切需求，以广西师范大学电子信息类专业虚实融合的实验实训教学模式改革为例，探索在关联主义学习理论、随机通达教学理论、模拟教学法等教学理论和方法支撑下的实验实训教学理念创新，结合已有的电子信息实验教学中心的实体教学平台，建设基于可视化技术、虚拟现实技术、大数据技术、云计算技术的虚拟仿真实验实训教学平台，以实现现代信息技术和实验实训教学深度融合的新教学模式。

虚实融合教学模式可加速地方院校理工科类专业的实验实训教学转型；可大量减少实验实训教学仪器及设备改造、升级的成本；可突破时间和空间上的限制，提升教学的开放性和交互性；可虚拟化升级实验实训教学仪器及设备，提高教学质量[8]。电子信息类专业有代表性的实验实训虚拟仿真平台的开发，充分和有效地发挥了虚拟现实技术的临场性、构想性、沉浸性和交互性特征优势。虚拟仿真系统在教学过程中能创设“真实”教学环境，改善教学条件；突显教师教学个性，提升学生思维品质；丰富学生认知方式，增强学习主体体验；转换师生角色，展示德性教育。

二、虚实融合实验实训教学的理论基础分析

（一）基于建构主义学习理论

虚实融合实验实训教学提供给学生主动参与、实践和探索的机会，使学生能够通过亲身经历和实践，自主建构知识和技能，从而提高学习效果和深度。

（二）基于情景学习理论

虚实融合实验实训教学通过模拟真实情境，使用虚拟现实技术和实物实验设备，帮助学生身临其境地体验和解决真实问题，从而促进学生产生学习的沉浸感和应用能力的培养。

（三）基于深度学习理论

虚实融合实验实训教学通过创设情境、提供复杂的任务和问题，激励学生思考和探索，培养学生的批判性思维、问题解决能力和跨学科的综合思维。

（四）基于社会认知理论

虚实融合实验实训教学倡导学生之间的合作与团队精神，通过合作实验、团队项目等活动，促进学生之间的互动与协作，培养学生的沟通能力和团队合作精神。

三、虚实融合实验实训教学的基本属性分析

（一）虚拟与现實融合

通过虚拟场景的模拟和真实设备的操作，学生在虚拟场景中进行实验操作，能够更好地感受到真实性和沉浸感。

（二）实践与探索导向

学生通过实验操作和探索，亲身体验和解决真实问题，积极参与学习过程，从而建构知识、掌握技能。

（三）情景化与情境化

学生可以在虚拟现实场景中进行实验操作，面对各种情境化的问题和挑战，在真实场景下提高适应能力和应用能力。

（四）合作与交流

学生可以在团队中合作实验、共同解决问题，从而促进彼此的学习和成长，提高沟通能力和团队协作精神。

（五）强化学习与反馈

学生在实验过程中可以获得实时的数据和反馈、了解自己的表现和进步情况。教师也可以根据学生的表现和反馈，及时调整教学策略和指导学生的学习方向。

厘清虚实融合实验实训教学的基本属性，便于有的放矢地对虚实融合实验实训教学进行研究分析，探索虚实融合实验实训教学的可行性措施。

四、虚实融合实验实训教学组织形式设计及教学平台设计

（一）教学组织形式设计

1.前期虚拟学习：在实验实训之前，学生可以先熟悉相关的理论知识和操作流程。通过虚拟场景的模拟和电子教材的辅助，学生可以在虚拟环境中进行模拟实验操作，掌握实验步骤和操作技巧。

2.实际实验操作：学生在经历前期虚拟学习阶段后，进入实际实验操作阶段。此时，因为学生上一阶段已经在虚拟环境中掌握了一定的理论和操作知识，所以能够更加有效地在真实的实验室或实训场所中使用实物实验设备进行实验操作和探索。

3.虚实融合模拟：在实际实验操作过程中，学生同时可以通过虚拟现实技术进行模拟，感受真实性和沉浸感，同时获得更多的学习资源和支持。

（二）教学平台设计

以虚拟现实环境下的微纳电子器件与工艺实训为研究案例，设计可与目前实体实验实训教学平台互为融合、互为补充的虚拟仿真实验平台，具体分析所构建的虚拟仿真实验平台的教学目标、组织形式、教学过程设计等，并分析有关的实验结论。

五、建设虚实融合、开放共享的实验实训平台

紧密结合地方院校应用型人才培养的目标和要求，以完整的电子信息类专业实验实训教学内容为基础，在目前已有的线下实体实验实训教学平台的基础上，分层次、分阶段建设涵盖实验实训教学各个环节的虚拟仿真教学平台，着力推进现代信息技术与实验实训教学的深度融合，从而拓展相关教学内容的广度和深度、延伸实验实训教学的时间和空间，借助“互联网+”、人工智能、大数据、虚拟现实等技术实现实验实训平台的开放共享。平台建设的框架如图1所示。

理工科的理论教学环节和实验实训教学环节是相辅相成的，共同承担着培养学生综合素质、实践能力与创新精神的重要使命。各学科的理论知识只有通过实验实训教学环节的亲身实践，才能使学生的工程综合素质、应用创新能力得到锻炼与提升。课题组通过查阅相关文献资料、实地调研，研究学习虚实融合相关教学理论及方法，吸收已有实践教学成果，借鉴其他院校虚实融合实验实训教学模式的建设与运行经验，结合地方院校应用型人才培养的目标和要求，在已有的线下实体实验实训平台和资源的基础上，整合现有教学资源，攻关关键技术进行虚拟仿真教学平台建设，完成了相关教学内容设计和现有实体平台的融合对接，指导学生在虚实融合的教学环境中学习实验实训类课程，并根据学习成效和反馈，论证教学过程设计的有效性。

六、构建虚实融合、服务学生的课程体系及教学方法

课题组将教学过程的互动和实践始终贯穿于理论与实验实训教学的各个环节，优化课程结构，增加实训和技能培养的比重，合理安排实验实训环节的虚实比例，本着“虚实互补，能实不虚”的原则，将实验实训教学的线上虚拟仿真与线下实体教学相结合，形成了理论教学→线下实体→线上虚拟的循环式交互式教学模式，从而实现多元化的“虚实融合”，如图2所示。

课题组以广西高校重点创新平台——太阳能光伏发电工程研究中心、 区级协同育人平台——电子信息创新创业育人平台、电子信息实验教学区级示范中心作为线下教学基础，与实验实训教学虚拟仿真平台相结合，形成入门级认知、基础知识实验、专业技能实训、综合能力创新的递进式、层次化的教学体系，实现虚实融合的个性化、智能化、泛在化实验实训教学新模式，如图3所示。

七、建立以能力评估为中心的教学评估体系

目前，实验实训教学评估体系多数从学生角度出发，以最终结果作为唯一参考标准，这样的评估方式相对单一。随着实验实训教学内容不断向虚实融合、多元化、层次化发展，高校需要建立以能力评估为中心的教学评估体系，从学校、学院、教师和学生这四个维度，对评估内容、评估尺度、评估标准、评估方式等进行相应的改革。如加大过程评估的比重，使評估尺度更宽松、不同评估标准权重化，实现现场考核和观察考核相结合，从学生创新意识、工程思维、实践技能、成果质量等方面，全方位考查与评估学生的实践能力、综合应用及创新能力。

八、虚实融合电子信息类专业实验实训教学模式的实施方案

实施过程分为“基础分析→教学设计→案例应用”三个阶段，具体实施方案如图4所示。

九、结语

通过打造智能化、信息化与工程教育高度融合的电子信息类专业一体化综合实验实训平台，使得一些原来无法开设的实验实训课程得以顺利开展，同时将虚拟仪器设备与现有设备相结合，通过分阶段融合的方式使学生的创新思维得到了培养，在工程实践能力、专业综合素质等方面也得到了明显提高，有力提升了实验实训的成效。新一代信息技术、人工智能技术与电子信息学工程教育相融合，有利于优化资源配置，推进电子信息学实验实训平台的智能化管理；有利于理论基础与工程实践融通，不断提升电子信息类专业学生解决工程实际问题的能力；有利于创建智能化的学习空间，推进电子信息类专业实验实训教学模式的“学生为主、教师引导”多元化改革，以培养高素质复合应用型电子信息类专业人才为目标，从而不断提高学生的创新思维和工程实践能力。

［ 参 考 文 献 ］

[1］ 阎跃观， 刘吉波， 郭俊廷，等. 新工科背景下工科类高校协同育人与实践基地共建模式[J]. 测绘通报， 2021（11）：155-160.

[2］ 李春江， 马晓君， 王欣欣. 地方高校新工科建设的路径与方法探索[J]. 创新创业理论研究与实践， 2021，4（4）：139-141.

[3] 赵彦玲， 刘广起， 韩冰. 新工科背景下专业课程建设与实施探究[J]. 教育教学论坛， 2023（4）：145-148.

[4] 黄中华， 孙秀云， 李健生，等. 依托实验教学与实践教育中心培养学生工程技术能力[J]. 大学教育， 2018（8）：142-144.

[5］ 王珠珠. 教育信息化2.0：核心要义与实施建议[J]. 中国远程教育， 2018（7）：5-8.

[6］ 哈聪颖， 张玉玺， 王俊，等. 电子信息类实验教学对学生关联力培养的研究[J]. 高等工程教育研究， 2020（6）：182-187.

[7] 李大双， 彭建盛， 何奇文，等. 地方本科高校工科专业创新能力培养探索与思考[J]. 河池学院学报，2020，40（1）：75-80.

[8］ 庄榕霞， 杨俊锋， 黄荣怀. 5G时代教育面临的新机遇新挑战[J]. 中国电化教育， 2020（12）：1-8.

［责任编辑：钟 岚］