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[摘 要]该文介绍了结合线上虚拟实验室和线下传统定制实验台的混合实验教学方案的设计理念和教学实践。首先，描述了数字电路虚拟实验室的设计和实现;其次，展示实验课程的混合教学方案;最后，通过分组实验及问卷调查进行该方案的验证和分析。测试和评估说明该系统能激发学生实验操作的主观能动性和创造性。问卷调查亦指出学生对基于该虚拟实验系统的混合教学方案接受度较高，认为是有效学习方式。
[关键词]虚拟实验室;计算机仿真;混合实验教学;实验设计
[基金项目]2017年度南京邮电大学教学改革研究项目“虚拟现实技术在互动教育体系中的研究与实现”（JG01717JX44）;2017年度南京邮电大学引进人才科研启动基金项目“基于样例的外观流合成与重构”（NY217015）
[作者简介]郝川艳（1982—），女，重庆人，工学博士，南京邮电大学教育科学与技术学院数字媒体技术系讲师，硕士生导师，主要从事计算机视觉、教育信息化研究。
[中图分类号] G40-057 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）33-0326-03 [收稿日期] 2020-03-26
传统工科实验多在指定时间和具有定制实验台的固定实验室按照教师指导进行。这种实验教学模式带给学生的实际动手经验和对实验元器件及设备的直观体验是被师生普遍认同的。然而其缺陷也是明显的，包括维运成本高、不利于新实验的开发、教学灵活性差等。随着多媒体技术在教育领域的不断融入[1]，虚拟实验室已成为一种潜在并有效的替换方案。在计算机上实现的虚拟实验已经在工程和科学等领域展示出媲美传统实验的教学效果，包括电路仿真[2]、电子电气实验[3]、光学模拟[4]、化学实验[5]等。但单一的虚拟实验容易忽略学生实际动手能力的培养。
因此，本研究基于数字电路实验课程，提出了一种结合线上数字电路虚拟实验室和线下传统定制实验台的混合实验教学改革方案。该虚拟实验系统为师生提供了包括数字电路仿真设计与实现、结果测试、数据保存与上传、生成实验报告、3D学生端、Web教师端、在线测评等功能。由于虚拟实验室是作为实体实验室的补充而建造，本研究也展示出针对混合实验教学更合理的时序安排。
一、虚拟实验室的设计和实现
（一）虚拟实验室的设计理念
如何培养学生在工程类实验中的设计能力是目前工程类课程中较难解决的问题。现有的实验课程虽然提供多种教学方案，比如传统实体实验、基于MOOC的虚拟实验、基于软件的仿真实验以及基于移动设备的线上实验等，但实验的设计部分多由教师完成。学生只能被动接受，并将大量时间精力耗费在实现实验和完成实验报告这两个环节上，忽略了对实验设计性部分的思考和实践。因此本研究以培养学生的创造性思維为出发点，探讨虚拟实验室设计方案。
图1在宏观层面上定义了一个完整的实验设计性过程，其中黄色箭头表示迭代过程，阴影方框表示学生投入最多的实验活动。这个过程有助于学生主观能动地对实验设计和实施过程进行审视和思考，以确定下一个实验步骤（结论/决策）。因此，图1中的实验及分析步骤是一个重复过程直到实验要求被满足，做出实验报告。而传统实验却是一种线性的设计过程。学生投入主要精力和时间的步骤是执行实验和完成实验报告。留给实验设计和数据归纳分析方面的思维活动非常少。图1展示出的流程同时符合使用虚拟实验室的完整实验流程。现在学生的工作重点是开发一个实验策略以便探索和解决问题。而实验的实际执行过程是通过模拟来完成的。于是学生可以将工作重心侧重到数据的分析和解释上，也可以将他们的结论用于迭代实验设计。
（二）虚拟实验室的实现
虚拟实验室软件的实现要确保该软件的可移植性和良好的适应性，以便能适用于不同的教育群体。总体看，该软件由三个独立的部分组成：3D学生客户端、基于Web的教师界面和数据服务器。
3D学生客户端是一个三维图形界面，提供一个典型的虚拟实验环境。在这里，学生可以进行电路设计、测试、获得输出数据、进行数据分析、完成实验报告等任务。本研究利用建模软件3dsMax和功能强大的游戏引擎Unity3D创建了该交互式虚拟实验平台。其中，3dsMax主要用于实现平台的静态模型框架、虚拟仪器设备和虚拟实验室课堂环境等;而动态交互控制模块、电路连线输入和输出之间的逻辑控制机制、数据通信机制、实验操作反馈机制等在Unity3D中采用开发语言C#实现。在此虚拟实验环境界面中，学生可以进行实验、选择和拿取实验设备、调用电子电路类实验常用的仿真软件，如EasyEDA、Multisim等。整个虚拟实验室即还原了传统实验室的真实场景功能，又保留了系统仿真分析能力，为学生提供了现场沉浸感强、交互性好的虚拟实验环境，有利于增强学生自主实验的积极性，将实验重心转化到培养学生的创新设计能力和逻辑思维能力上，也为教师开启了高效互动的现代化教学模式。
第二个部分，教师Web界面。在这个界面中，教师可以设置、管理学生帐户，查看学生在虚拟实验室中的行为与表现，并根据需要添加、修改、删除实验等。教师Web界面包含一个概述页面，页面显示了教学安排的实验总数。教师选择学生的学号和实验号，可以查看学生为该项实验所设计的电路图，以及学生的实验连线结果和实验报告。实验数据也可以导出到Microsoft Excel电子表格中，成为单独的运行测量集。教师向学生提供实时反馈，从而实现实时评估。当学生完成任务后，评估工具会自动生成总结性评估或个人评估报告。
数据服务器执行所有计算，存储数据，执行用户请求的操作，并将结果反馈给用户。数据服务器由以下几个子部分组成：一个用于进行电路相关计算的数学模型库;一个数据库，用于存储用户关系和测得的每个用户帐户中的数据;以及主要处理来自3D学生客户端和教师Web界面的请求的、作为后台程序运行的服务器。 二、混合教学方案的设计与开发
受益于3D虚拟实验室，教师得以为实验课程设计与开发合理的混合教学方案。这对混合课程的设计者和讲授者提出了若干挑战，包括混合课程结构的设计和组织、编写和实施不同形式的教材、适当利用所有现有资源、与学生建立有效的教与学关系等。它们通常涉及到一定数量的发布在因特网上的常规课程，以及少量会在教室内保留的面对面课程。课程实施者可以分割出放置在网络上的实验部分和留在实体实验室的部分。
至此，实验课程的授课模式可以转换到常规在线实验和重点课堂实验相结合的混合教学模式上。在课程设计过程中，并不需要具体规定在课堂上或在网络上实验课程的数量。类似的混合課程案例[6]指出在最初引入网络课程时，其数量应该至少相当于在教室的课程数量。随着课程的深入，两者的比例最终取决于课程类型和课程发展的具体情况。
分组实验表明数字电路实验课程的课堂与网络课程的比例可设置为1∶1（10%的浮动变化）。在课堂课程部分，以下内容是必须参与的：师生的第一次课程、期中讨论会课程、最后一次课程、考前复习课程和期末考试。其余的课堂课程是在每个在线单元实验之前和之后再规划的。这样，课堂与网络课程之间的比例约为1∶1（对于能够参加所有建议的课堂课程的学生）和2∶3（对于在线自学而无法完全参加所有课堂课程的学生）。图2给出了以上混合模式课程安排的一个示例图。图中，横坐标表示一个典型的16周教学周。纵坐标表示学时数，负号仅区分不同的课程类型，不具有数学意义。另需说明，图中网络实验课程学时安排仅是一个示例，具体时间可随学生能力和对实验掌握情况具体变化，授课者会建议学生不少于图中所示学时数。
三、分组实验与评估
本研究通过比对分组实验学生的成绩和收集学生问卷反馈信息，对所开发课程的质量进行评估。其中平行小组包括：选择了混合课程的学生组和选择了传统课程的学生组。评估结果来自于课堂授课、实验成绩、平时测验、期末考试、匿名问卷调查，以及关于课程质量的学生访谈等多方面的考查内容。
在132名参与分组实验的学生中，有67名选择了混合课程，另外65名选择了传统课程。混合课程要求学生对于课前预习和课后讨论的参与度更高，在考前复习上做更多的工作，但课堂出勤率的要求较低;而选择传统课程的学生必须花费大量时间在定期的课堂授课和固定实验室的实验练习中，参看图3前三项指标。学生团队接下来进行了三次相对结构化的单元操作实验。测试结果显示混合课程能为学生提供所有必要的实验知识水平。学生不仅取得了更令人满意的成绩，还在实验设计思维方面得到了训练。这归功于学生在混合课程中可以借助虚拟实验室任意次数重复和优化实验过程。同时，放弃课程的学生在混合课程中的频率较低，因为他们能得到个性化的课程安排，学习的时间、地点和动力都可以根据他们的个人需求而调整，参看图3后三项指标。另外，就教学材料方面，学生们在学生角色、用户友好性、界面可理解性、虚拟环境的图形解决方案等方面都给出了满意的评价。完成整个混合课程的学生认为该教学模式既便于与讲师沟通，学习又不感到孤立，有足够的教学时间，又能够根据个体所需独立安排实验环节，更重要的是为学生创造性、设计性思维的训练提供了平台。
四、结语
本研究展示出一个沉浸感强、友好的三维数字电路虚拟实验室。该软件旨在补足实体实验室的短处，让学生更完全地参与到实验设计过程的各个方面，以利于培养学生的设计性和创新性思维。同时，讲授者可以据此改革传统的实验教学模式为在线混合教学模式，并在未来工作中开发实验课程的翻转课堂。
参与课程的多数学生都认为该虚拟实验室是一种非常有效的学习媒介，搭配混合教学方案，达到了实体实验室和虚拟实验室的双向互补学习效果。而所有的混合课程教师都认为这类课程要求很高，是一个很大的挑战。但教师有机会了解他们的学生，更好地了解他们的学习方式，并与他们发展良好的教与学关系。同时他们的经验可以帮助其他教师开发和开办类似的混合模式实验课程，从而向更多学生提供这门课程，以鼓励在同一领域和其他领域发展一些类似的课程，促进全民教育的发展。
参考文献
[1]王帅国.雨课堂：移动互联网与大数据背景下的智慧教学工具[J].现代教育技术，2017，27（5）：26-32.
[2]朱桂萍，王帅国，宫晨，等.电路原理智慧实验系统的设计与实践—以清华大学“电路原理”实验课程为例[J].现代教育技术，2018，28（10）：107-112.
[3]朱桂萍，于歆杰，陆文娟.“电路原理”课程深度改革的实践探索[J].电气电子教学学报，2013，35（5）：6-10 33.
[4]Chang G W，Yeh Z M，Chang H M et al.Teaching Photonics Laboratory Using Remote-control Web Technologies[J].IEEE Transactions on Education，2005，48（4）：642-651.
[5]Koretsky M D，Amatore D，Barnes C et al. Enhancement of Student Learning in Experimental Design Using a Virtual Laboratory[J].IEEE Transactions on Education，2008，51（1）：76-85.
[6]Hoic N，Mornar V，Boticki I.A Blended Learning Approach to Course Design and Implementation[J].IEEE Transactions on Education，2009，52（1）：19-30. An Exploratory Study on the Blended Learning Scheme of Experiment Courses
HAO Chuan-yan， ZHENG An-qi， JIANG Bo， WU Wei-min， ZHANG Jin-shuai
（College of Educational Science and Technology， Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing， Jiangsu 210023， China）
Abstract： This paper presents the design concepts and teaching practices of the blended learning scheme of experiment courses， which combines the online virtual laboratory and the offline traditional experimental platform. Firstly， the article describes the design and implementation of the digital circuit virtual laboratory. Secondly， it demonstrates the blended teaching scheme of experiment courses. Finally， this scheme is verified and analyzed by grouping experiments and questionnaire surveys. The test and evaluation show that the system can encourage the enthusiasm and the creativity of students in experiment operations. The questionnaire also points out that students have a high degree of acceptance of this blended teaching scheme based on the virtual experiment system， which is considered to be an effective learning method.
Key words： virtual laboratory; computer simulation; blended experiment teaching; experiment design
[关键词]虚拟实验室;计算机仿真;混合实验教学;实验设计
[基金项目]2017年度南京邮电大学教学改革研究项目“虚拟现实技术在互动教育体系中的研究与实现”（JG01717JX44）;2017年度南京邮电大学引进人才科研启动基金项目“基于样例的外观流合成与重构”（NY217015）
[作者简介]郝川艳（1982—），女，重庆人，工学博士，南京邮电大学教育科学与技术学院数字媒体技术系讲师，硕士生导师，主要从事计算机视觉、教育信息化研究。
[中图分类号] G40-057 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）33-0326-03 [收稿日期] 2020-03-26
传统工科实验多在指定时间和具有定制实验台的固定实验室按照教师指导进行。这种实验教学模式带给学生的实际动手经验和对实验元器件及设备的直观体验是被师生普遍认同的。然而其缺陷也是明显的，包括维运成本高、不利于新实验的开发、教学灵活性差等。随着多媒体技术在教育领域的不断融入[1]，虚拟实验室已成为一种潜在并有效的替换方案。在计算机上实现的虚拟实验已经在工程和科学等领域展示出媲美传统实验的教学效果，包括电路仿真[2]、电子电气实验[3]、光学模拟[4]、化学实验[5]等。但单一的虚拟实验容易忽略学生实际动手能力的培养。
因此，本研究基于数字电路实验课程，提出了一种结合线上数字电路虚拟实验室和线下传统定制实验台的混合实验教学改革方案。该虚拟实验系统为师生提供了包括数字电路仿真设计与实现、结果测试、数据保存与上传、生成实验报告、3D学生端、Web教师端、在线测评等功能。由于虚拟实验室是作为实体实验室的补充而建造，本研究也展示出针对混合实验教学更合理的时序安排。
一、虚拟实验室的设计和实现
（一）虚拟实验室的设计理念
如何培养学生在工程类实验中的设计能力是目前工程类课程中较难解决的问题。现有的实验课程虽然提供多种教学方案，比如传统实体实验、基于MOOC的虚拟实验、基于软件的仿真实验以及基于移动设备的线上实验等，但实验的设计部分多由教师完成。学生只能被动接受，并将大量时间精力耗费在实现实验和完成实验报告这两个环节上，忽略了对实验设计性部分的思考和实践。因此本研究以培养学生的创造性思維为出发点，探讨虚拟实验室设计方案。
图1在宏观层面上定义了一个完整的实验设计性过程，其中黄色箭头表示迭代过程，阴影方框表示学生投入最多的实验活动。这个过程有助于学生主观能动地对实验设计和实施过程进行审视和思考，以确定下一个实验步骤（结论/决策）。因此，图1中的实验及分析步骤是一个重复过程直到实验要求被满足，做出实验报告。而传统实验却是一种线性的设计过程。学生投入主要精力和时间的步骤是执行实验和完成实验报告。留给实验设计和数据归纳分析方面的思维活动非常少。图1展示出的流程同时符合使用虚拟实验室的完整实验流程。现在学生的工作重点是开发一个实验策略以便探索和解决问题。而实验的实际执行过程是通过模拟来完成的。于是学生可以将工作重心侧重到数据的分析和解释上，也可以将他们的结论用于迭代实验设计。
（二）虚拟实验室的实现
虚拟实验室软件的实现要确保该软件的可移植性和良好的适应性，以便能适用于不同的教育群体。总体看，该软件由三个独立的部分组成：3D学生客户端、基于Web的教师界面和数据服务器。
3D学生客户端是一个三维图形界面，提供一个典型的虚拟实验环境。在这里，学生可以进行电路设计、测试、获得输出数据、进行数据分析、完成实验报告等任务。本研究利用建模软件3dsMax和功能强大的游戏引擎Unity3D创建了该交互式虚拟实验平台。其中，3dsMax主要用于实现平台的静态模型框架、虚拟仪器设备和虚拟实验室课堂环境等;而动态交互控制模块、电路连线输入和输出之间的逻辑控制机制、数据通信机制、实验操作反馈机制等在Unity3D中采用开发语言C#实现。在此虚拟实验环境界面中，学生可以进行实验、选择和拿取实验设备、调用电子电路类实验常用的仿真软件，如EasyEDA、Multisim等。整个虚拟实验室即还原了传统实验室的真实场景功能，又保留了系统仿真分析能力，为学生提供了现场沉浸感强、交互性好的虚拟实验环境，有利于增强学生自主实验的积极性，将实验重心转化到培养学生的创新设计能力和逻辑思维能力上，也为教师开启了高效互动的现代化教学模式。
第二个部分，教师Web界面。在这个界面中，教师可以设置、管理学生帐户，查看学生在虚拟实验室中的行为与表现，并根据需要添加、修改、删除实验等。教师Web界面包含一个概述页面，页面显示了教学安排的实验总数。教师选择学生的学号和实验号，可以查看学生为该项实验所设计的电路图，以及学生的实验连线结果和实验报告。实验数据也可以导出到Microsoft Excel电子表格中，成为单独的运行测量集。教师向学生提供实时反馈，从而实现实时评估。当学生完成任务后，评估工具会自动生成总结性评估或个人评估报告。
数据服务器执行所有计算，存储数据，执行用户请求的操作，并将结果反馈给用户。数据服务器由以下几个子部分组成：一个用于进行电路相关计算的数学模型库;一个数据库，用于存储用户关系和测得的每个用户帐户中的数据;以及主要处理来自3D学生客户端和教师Web界面的请求的、作为后台程序运行的服务器。 二、混合教学方案的设计与开发
受益于3D虚拟实验室，教师得以为实验课程设计与开发合理的混合教学方案。这对混合课程的设计者和讲授者提出了若干挑战，包括混合课程结构的设计和组织、编写和实施不同形式的教材、适当利用所有现有资源、与学生建立有效的教与学关系等。它们通常涉及到一定数量的发布在因特网上的常规课程，以及少量会在教室内保留的面对面课程。课程实施者可以分割出放置在网络上的实验部分和留在实体实验室的部分。
至此，实验课程的授课模式可以转换到常规在线实验和重点课堂实验相结合的混合教学模式上。在课程设计过程中，并不需要具体规定在课堂上或在网络上实验课程的数量。类似的混合課程案例[6]指出在最初引入网络课程时，其数量应该至少相当于在教室的课程数量。随着课程的深入，两者的比例最终取决于课程类型和课程发展的具体情况。
分组实验表明数字电路实验课程的课堂与网络课程的比例可设置为1∶1（10%的浮动变化）。在课堂课程部分，以下内容是必须参与的：师生的第一次课程、期中讨论会课程、最后一次课程、考前复习课程和期末考试。其余的课堂课程是在每个在线单元实验之前和之后再规划的。这样，课堂与网络课程之间的比例约为1∶1（对于能够参加所有建议的课堂课程的学生）和2∶3（对于在线自学而无法完全参加所有课堂课程的学生）。图2给出了以上混合模式课程安排的一个示例图。图中，横坐标表示一个典型的16周教学周。纵坐标表示学时数，负号仅区分不同的课程类型，不具有数学意义。另需说明，图中网络实验课程学时安排仅是一个示例，具体时间可随学生能力和对实验掌握情况具体变化，授课者会建议学生不少于图中所示学时数。
三、分组实验与评估
本研究通过比对分组实验学生的成绩和收集学生问卷反馈信息，对所开发课程的质量进行评估。其中平行小组包括：选择了混合课程的学生组和选择了传统课程的学生组。评估结果来自于课堂授课、实验成绩、平时测验、期末考试、匿名问卷调查，以及关于课程质量的学生访谈等多方面的考查内容。
在132名参与分组实验的学生中，有67名选择了混合课程，另外65名选择了传统课程。混合课程要求学生对于课前预习和课后讨论的参与度更高，在考前复习上做更多的工作，但课堂出勤率的要求较低;而选择传统课程的学生必须花费大量时间在定期的课堂授课和固定实验室的实验练习中，参看图3前三项指标。学生团队接下来进行了三次相对结构化的单元操作实验。测试结果显示混合课程能为学生提供所有必要的实验知识水平。学生不仅取得了更令人满意的成绩，还在实验设计思维方面得到了训练。这归功于学生在混合课程中可以借助虚拟实验室任意次数重复和优化实验过程。同时，放弃课程的学生在混合课程中的频率较低，因为他们能得到个性化的课程安排，学习的时间、地点和动力都可以根据他们的个人需求而调整，参看图3后三项指标。另外，就教学材料方面，学生们在学生角色、用户友好性、界面可理解性、虚拟环境的图形解决方案等方面都给出了满意的评价。完成整个混合课程的学生认为该教学模式既便于与讲师沟通，学习又不感到孤立，有足够的教学时间，又能够根据个体所需独立安排实验环节，更重要的是为学生创造性、设计性思维的训练提供了平台。
四、结语
本研究展示出一个沉浸感强、友好的三维数字电路虚拟实验室。该软件旨在补足实体实验室的短处，让学生更完全地参与到实验设计过程的各个方面，以利于培养学生的设计性和创新性思维。同时，讲授者可以据此改革传统的实验教学模式为在线混合教学模式，并在未来工作中开发实验课程的翻转课堂。
参与课程的多数学生都认为该虚拟实验室是一种非常有效的学习媒介，搭配混合教学方案，达到了实体实验室和虚拟实验室的双向互补学习效果。而所有的混合课程教师都认为这类课程要求很高，是一个很大的挑战。但教师有机会了解他们的学生，更好地了解他们的学习方式，并与他们发展良好的教与学关系。同时他们的经验可以帮助其他教师开发和开办类似的混合模式实验课程，从而向更多学生提供这门课程，以鼓励在同一领域和其他领域发展一些类似的课程，促进全民教育的发展。
参考文献
[1]王帅国.雨课堂：移动互联网与大数据背景下的智慧教学工具[J].现代教育技术，2017，27（5）：26-32.
[2]朱桂萍，王帅国，宫晨，等.电路原理智慧实验系统的设计与实践—以清华大学“电路原理”实验课程为例[J].现代教育技术，2018，28（10）：107-112.
[3]朱桂萍，于歆杰，陆文娟.“电路原理”课程深度改革的实践探索[J].电气电子教学学报，2013，35（5）：6-10 33.
[4]Chang G W，Yeh Z M，Chang H M et al.Teaching Photonics Laboratory Using Remote-control Web Technologies[J].IEEE Transactions on Education，2005，48（4）：642-651.
[5]Koretsky M D，Amatore D，Barnes C et al. Enhancement of Student Learning in Experimental Design Using a Virtual Laboratory[J].IEEE Transactions on Education，2008，51（1）：76-85.
[6]Hoic N，Mornar V，Boticki I.A Blended Learning Approach to Course Design and Implementation[J].IEEE Transactions on Education，2009，52（1）：19-30. An Exploratory Study on the Blended Learning Scheme of Experiment Courses
HAO Chuan-yan， ZHENG An-qi， JIANG Bo， WU Wei-min， ZHANG Jin-shuai
（College of Educational Science and Technology， Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing， Jiangsu 210023， China）
Abstract： This paper presents the design concepts and teaching practices of the blended learning scheme of experiment courses， which combines the online virtual laboratory and the offline traditional experimental platform. Firstly， the article describes the design and implementation of the digital circuit virtual laboratory. Secondly， it demonstrates the blended teaching scheme of experiment courses. Finally， this scheme is verified and analyzed by grouping experiments and questionnaire surveys. The test and evaluation show that the system can encourage the enthusiasm and the creativity of students in experiment operations. The questionnaire also points out that students have a high degree of acceptance of this blended teaching scheme based on the virtual experiment system， which is considered to be an effective learning method.
Key words： virtual laboratory; computer simulation; blended experiment teaching; experiment design