基于虚拟仿真软件的线上线下混合实验教学模式探索

［摘 要］ 针对当前实验教学在教学模式、学习形式、考核方式等方面存在的问题，提出虚拟仿真实验教学与线下理论教学深度结合，虚拟仿真实验和实验室实体实验深度融合，通过课前、教学和考核三个阶段的教学活动设计，形成应用于虚拟仿真实验教学的线上线下混合式教学新模式，致力于充分调动和培养学生自主实践创新能力，构建思路清晰、形式新颖的混合式实验教学方案，从而提高实验教学活动设计的开放程度，切实提升实验教学质量。

［关键词］ 光学薄膜实验；虚拟仿真；实验改革；混合教学模式

［基金项目］ 2022年度吉林省高等教育学会立项课题“数字化时代国际合作办学外教课程混合教学模式研究”（JGJX2022D75）

［作者简介］ 张 功（1991—），女，天津人，光学工程博士，长春理工大学光电工程学院讲师，主要从事光学薄膜、先进光学系统制造研究；张 静（1984—），女，吉林长春人，光学工程博士，长春理工大学光电工程学院副教授，主要从事光学薄膜研究；付秀华（1963—），女，黑龙江哈尔滨人，光学工程博士，长春理工大学光电工程学院教授，主要从事光学薄膜研究；常艳贺（1982—），男，吉林长春人，光学工程博士，长春理工大学光电工程学院讲师，主要从事光学薄膜研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）46-0109-04 ［收稿日期］ 2024-01-09

引言

2012年，教育部印发《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》指出，教育信息化发展要坚持育人为本，以教育理念创新为先导，通过优质数字教育资源共建共享、信息技术与教育全面深度融合、促进教育教学和管理创新［1］，虚拟仿真教学与线下实体教学结合的实验教学理念是实验改革的重要举措［2］。实验教学的方法与手段直接影响着教学质量、学生的兴趣和学习效果［3］。传统的实验课程与线下实验室结合，不但减少了实验室维护与管理方面的精力投入，节约了资源，提高了效率［4］；而且能启迪学生科学思维和创新意识，培养学生扎实的基础实验能力、综合实验能力和解决实际问题的能力。

一、“光学薄膜与技术”实验课程现状分析

（一）“光学薄膜与技术”实验课程情况

“光学薄膜与技术”镀膜设备体积庞大，价格昂贵，实验室目前只配备了三台电子束加热蒸发镀膜机、一台磁控溅射镀膜机、一台PECVD沉积系统，其中，电子束加热蒸发实验人均台（套）数约为10人/台（套），磁控溅射、PECVD设备的人均台（套）数约为40人/台（套），教学效果难以保障，且镀膜机操作复杂，流程烦琐，容易误操作造成损坏。因此，实验教学只能采用演示实验的方式，即教师操作，同步讲解，学生观看学习，并完成实验报告。

（二）线下教学模式的情况分析

薄膜技术实验包括薄膜制备、薄膜光谱性能测试两部分内容。目前全部采用演示实验的方式进行教学，由于磁控溅射与PECVD设备的人均台（套）数过低，实验主要侧重电子束加热蒸发的内容设置，对比教学目标的指标点来看，主要存在的不足有以下几点：（1）实验的内容延伸性不足。受实验室的设备、人员等客观环境限制，实验内容相对单薄。（2）学生学习的兴趣不足。镀膜实验从真空度达到本底真空，需要等待40～50分钟，长时间等待不利于学生集中注意力，进而使其失去学习的兴趣。（3）课程评价体系不完善。采用演示实验的教学方法内容基本相同，实验报告不可避免地存在重复现象。教师无法根据实验报告的批改完成情况判断学生的掌握情况。基于上述，需要思考实验的教学方式，对教学模式进行改革。

二、线上线下混合教学改革实践

近年来，数字基础设施快速发展，数字化应用更加深入［5-6］。工业互联网、人工智能、物联网、车联网、大数据、云计算、区块链等在教育领域引发了重大的变化［7］。同时，学习方式因数字化时代提供了新的教学手段而发生变化，特别是通过数字媒体进行虚拟场景构建，使课堂教学更加生动形象，易于接受［8］。

在实验教学内容、线上教学资源、虚拟实验平台、混合教学模式和考核评价方式等方面开展一系列改革与探索，并以期为同类型实验课程的改革提供经验。

（一）教学目标及优化

目前“薄膜光学与技术”课程的现行教学大纲中，课程目标有两项指标，核心内容是要求学生具有工程分析、设计的能力。以实验项目为基础，将课程目标的要求融入实验教学，加强实验教学对课程目标的支撑力，提升学生的学习自主性，在实验中培养动手能力及工程思维能力。依托润尼尔公司的仿真模拟软件进行3D虚拟实验的建设，3D虚拟实验室具有画面具体的特点，可沉浸式体验。虚拟实验室场景如图1所示。

（二）线上线下实验教学模式设计

对光学薄膜实验的几个内容进行分析，薄膜结构仿真是对薄膜设计理论的应用与扩展，薄膜制备技术是薄膜材料及薄膜生长机理的理论内容延展，光学参数测试与误差分析则是对测试原理的具体展开。在构建“线上+线下”实验模式时，根据线上、线下的实验特点，将实验过程设置为“线下—线上—线下”的循环过程。

1.线下演示实验。由于光学薄膜具有很强的专业性，学生在日常生活中几乎没有接触过实验的专用设备，思维中缺少设备与流程的概念。因此，在此循环过程首先进行演示实验的教学。

线下实验教学具有教学流程直观的优势，有助于教师观察学生的状态。在学生初次接受新鲜知识时，如讲授方式过于抽象，则容易引起学生的消极心理，进而失去学习的热情。而“光学薄膜”的实验过程中包含非常具体的工艺流程，有助于学生了解工艺流程，掌握薄膜设备的操作与使用。

2.线上虚拟仿真实验室。学生在演示实验教学后，建立了工艺流程的概念，但由于缺少动手操作实践的过程，无法自主完成整个工艺步骤。转入虚拟仿真实验室，学生可以在仿真实验室内重复学习的过程，加深对整个工艺流程的印象，掌握镀膜工艺流程的操作。

虚拟仿真实验室是实际操作场景的镜像，仿真实验分为学习模块与考核模块两个部分。在学习模块中，其操作步骤有提示语句与高亮按钮，进入考核模块后，提示语句消失，学生自主操作，教师可在软件后台看到学生的考核分数及失误点，能清晰地了解学生的薄弱点。虚拟实验室满足OBE的学习理念，学生可在学习之后检验学习效果，之后针对薄弱环节进行反复学习，直至掌握学习内容。

3.线下分组讨论。在完成了线上虚拟实验室的学习与考核过程后，重新回到线下实验室进行实际操作演示，以小组的为单位，在指导教师的监督下，完成整套工艺流程的操作，并回答指导教师在流程中的随机提问。通过“线下—线上—线下”三个流程，完整地进行光学薄膜工艺流程实验的学习，将传统光学薄膜演示性实验变为以学生为主体的、线上线下相结合的虚拟仿真实验。

三、改革应用成效

课程组在光电信息科学与技术专业学生中开展混合式实验教学模式的实践，通过教学对比，相较于单纯采用演示实验，课堂出勤率明显上升。这表明线上线下相结合的实验教学模式激发了学生的学习热情，增强了学生对于薄膜制备流程学习的主观能动性。相较于演示性实验，学生使用虚拟仿真软件学习，其实验时间主要是用于操作、分析、纠错等，能够促进学生自主学习、独立探索的能力的提高。薄膜制备实验的核心是对于工艺流程的学习，学生需要反复地进行练习，演示性实验完全无法满足该要求，但学生使用虚拟仿真软件则可反复进行练习，在考核环节下验证实验的掌握程度，直至熟练地掌握实验流程。

为验证实验课程改革的成效，课题组设计了调查问卷，以评估学生通过虚拟仿真软件进行“光学薄膜与技术”课程教学的成效（见表1）。

从调查问卷的改革成效调查中可以看出，学生普遍认为虚拟仿真软件构建的实验场景有较强的真实感，并且仿真软件的教学对实验的易错点和难点具有针对性较强的讲解作用，能够指导实验原理的理解、实验流程的记忆与练习，对实际操作提供了较大的帮助。

从后续意愿的调查来看，相比于单纯的线上自主学习，学生倾向于线上自学与教师辅导相结合的模式。同时，学生也认为在线上学习后仍需要线下实体实验来巩固自身的实践能力，并且相较于直接以软件考核模块作为成绩结果，大部分学生认为线下考核更有必要。调查结果表明，虚拟仿真线上教学能够起到增强学习自主性、促进掌握与理解、提高实践水平的效果。但相较于单纯的线上实验，学生更倾向“线上+线下”的混合学习模式。

结语

本课题以“光学薄膜与技术”实验课程为例，探索将演示性实验改为操作性实验的可行性，建立了“光学薄膜与技术”实验课程“线上虚拟+线下操作”混合教学新模式。该模式不仅适用于“光学薄膜与技术”实验课程，也为光学冷加工、光学装调等大型仪器设备操作实验起到了示范作用。

参考文献

［1］教育部.关于印发《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》的通知：教技〔2012〕5号［A/OL］.（2012-03-13）［2023-12-09］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201203/t20120313_133322.html.

［2］李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平［J］.实验室研究与探索，2013，32（11）：5-8.

［3］沈阳，纪海林，叶心怡，等.虚拟现实沉浸式学习中的人机交互技术研究：以K12物理实验教学为例［J］.电化教育研究，2023，44（10）：87-94+120.

［4］朱归胜，陈彩明，赵昀云，等.材料类专业虚拟仿真实验项目建设与应用［J］.高教学刊，2023，9（27）：22-25.

［5］贺俊，庞尧.数字技术驱动的产业融合发展范式与面向融合范式的政策体系调整［J］.湖南科技大学学报（社会科学版），2023，26（4）：71-79.

［6］李明雨.应用型本科院校教育数字化转型路径研究［J］.阅江学刊，2023，15（6）：140-148.［7］张志刚，车尧.推动人才教育科技协同发力、与产业深度融合［J］.中国人才，2023（8）：18-20.

［8］张永成，孙峻，钟波涛.新发展理念下工程管理专业虚拟仿真教学平台建设与探索［J］.建筑经济，2023，44（S1）：441-446.

Exploration of Online and Offline Hybrid Experimental Teaching Mode Based on Virtual Simulation Software： Taking Thin-film Optics and Technology Course as an Example

ZHANG Gong， ZHANG Jing， FU Xiu-hua

（School of Optoelectronic Engineering， Changchun University of Science and Technology， Changchun， Jilin 130022， China）

Abstract： Aiming at the problems existing in the current experimental teaching in teaching mode， learning form， assessment mode， etc.， it is proposed that the virtual simulation experimental teaching is deeply combined， the virtual simulation experiments and the physical laboratory experiments are deeply integrated， and through the design of teaching activities in the three stages of pre-course， teaching and assessment， a new mode of on-line and off-line blended teaching is formed which is applied to the virtual simulation experimental teaching and is committed to fully mobilizing and cultivating the independent practical innovation ability of the students. It is committed to fully mobilizing and cultivating students᾽ independent practice and innovation ability， constructing a hybrid experimental teaching program with clear ideas and novel forms， thus improving the openness of the design of experimental teaching activities and effectively enhancing the quality of experimental teaching.

Key words： Experiment of Optical Thin Film; virtual stimulation; experiment reform; mixed teaching mode