60、远程实验助力电子学习：学生能力与态度的元分析

最新推荐文章于 2025-09-03 11:10:55 发布

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远程实验助力电子学习：学生能力与态度的元分析

1. 引言

教育技术领域一直在研究如何让教师帮助学生获得与技术概念相关的实践知识。近年来，教学实践不断改进，除了传统的黑板教学，还借助计算机、多媒体材料、模拟、游戏、智能手机和混合现实等沉浸式技术来提升学生学习效果。

在电子工程领域，“做中学”至关重要，因为电子问题解决与物理概念紧密相关，涉及复杂空间过程的可视化和图表、概念的操作。工程教育通过实践学习帮助学生理解基础知识，研究人员也在探索新方法提升学生的概念理解和学习动力。

随着新冠疫情导致教学从线下转向线上，电子工程教育中更多地采用了新兴技术。本文研究了将基础电子工程课程与虚拟实验室（VLabs）结合进行远程实验后，学生的态度和能力。研究旨在回答两个问题：
- 研究问题 1：通过集成远程实验学习电子基础知识，与实际动手实验室实验相比，学生的学习效果是否有显著差异？
- 研究问题 2：学生对所采用的虚拟系统在用户界面、虚拟环境行为、环境提供的可视化以及实验室管理员的作用等方面有何反应？

2. 基础电子课程对工程本科专业的重要性

基础电子课程旨在让新生熟悉电子元件（如二极管和晶体管）及其在电路（如整流器、电压调节器和放大器）中的功能和应用，还介绍数字电子学中的逻辑门和集成电路概念。

学习该课程后，学生应具备通过实验探索物理系统、收集和分析数据、识别不确定性来源并根据电子基本原理解释结果的能力。通常，该课程的理论教学后会安排实验室实践。如今，采用混合模式，理论课程通过在线平台授课，实践实验通过 VLabs 进行。课程内容包括半导体二极管及其应用、晶体管及其应用、数字电子学和逻辑电路等。

课程的评估策略如下表所示：
| 评估组件 | 组件类型 | 评估次数 | 组件权重（%） |
| — | — | — | — |
| 组件 1 | 形成性评估 | 2 | 10 |
| 组件 2 | 期中阶段性测试（STs） | 2 | 30 |
| 组件 3 | 期末考试 | 1 | 60 |
| 总计 | | | 100% |

评估组件 1 和 2 为内部评估，组件 3 为外部评估。所有评估的问卷都经过精心设计，以测试学生的理论和实践知识，最终成绩由三个组件综合得出，权重为 100%。

3. 基础电子课程的远程实验虚拟实验室

虚拟实验室为科学和工程领域提供了在线实践平台，有助于提升本科生和研究人员的技术和实验技能。许多研究人员已将虚拟实验室应用于电气工程教育。通过远程实验，即使在地理受限或基础设施不足的情况下，学习者也能获得完整的学习体验。

在疫情期间，虚拟实验室成为提供实验导向理论课程的有用资源，使工程本科生能够在线进行实验和分析。在印度，虚拟实验室是教育部通过信息通信技术（ICT）推动的国家教育使命的一部分，参与机构提供多个领域的实验。

例如，在本研究中，通过 VLabs 进行了多个实验（如 PN 结二极管、齐纳二极管、整流器、晶体管、逻辑门、IC555 定时器等），以增强学生对理论概念的理解。以下是一个简单的流程说明：
1. 选择实验项目（如 PN 结二极管实验）。
2. 在虚拟实验室界面中连接电路元件。
3. 通过界面控制调整输入电压。
4. 观察输出电流并记录数据。
5. 绘制 V - I 特性曲线。

下面是一个 mermaid 格式的流程图，展示虚拟实验室实验的基本流程：

graph LR
    A[选择实验项目] --> B[连接电路元件]
    B --> C[调整输入电压]
    C --> D[观察输出电流]
    D --> E[记录数据]
    E --> F[绘制特性曲线]

4. 结果分析与讨论

本部分分析了学生的成绩和调查结果，以了解学生对采用虚拟实验室教授基础电子工程课程的态度和能力。

4.1 研究问题 1 的解答

为了回答“通过集成远程实验学习电子基础知识，与实际动手实验室实验相比，学生的学习效果是否有显著差异？”这一问题，将通过虚拟实验室学习理论课程的学生与通过实际实验室进行实践操作的学生的期末成绩进行了比较。每组选取 30 名学生，分析期末和学期总成绩。

样本组	教学模式	平均得分（%）
N1	传统教学后进行实际动手实验室实验	85.35
N2	在线教学结合虚拟实验室远程实验	84.22

结果表明，两组学生的平均成绩相近，说明通过集成远程实验学习电子基础知识与实际动手实验室实验在学习效果上没有显著差异。不过，远程实验也存在一些影响因素，如缺乏与设备的物理接触、与教师缺乏面对面互动、学生注意力和参与度不足等。

4.2 研究问题 2 的解答

为了回答“学生对所采用的虚拟系统在用户界面、虚拟环境行为、环境提供的可视化以及实验室管理员的作用等方面有何反应？”这一问题，对通过远程实验学习的学生进行了基于虚拟实验室与理论课程结合的问卷调查。

对于二分问题（是/否回答）：
| 序号 | 陈述 | 是 | 否 |
| — | — | — | — |
| 1 | 在基础电子工程课程中接触虚拟实验模式之前，你是否使用过该模式？ | 9 | 21 |
| 2 | 你认为虚拟实验室是否能传授概念和实践知识？ | 26 | 4 |

结果显示，大部分学生（70%）之前未使用过虚拟实验，且多数学生（87%）认为虚拟实验室有助于更好地理解概念。

对于量表问题，学生的平均响应如下表所示：
| 序号 | 陈述 | 5 分量表平均响应 |
| — | — | — |
| 1 | 平台的用户界面易于操作，实验实施有适当的说明 | 4.1 |
| 2 | 虚拟实验在电路参数修改方面具有灵活性 | 3.97 |
| 3 | 虚拟实验为理解理论概念提供了足够的可视化（输出波形方面） | 4.17 |
| 4 | 模拟结果支持理论概念，与学科内容相关 | 4 |
| 5 | 教师/导师很有帮助，师生之间有足够的沟通进行实验 | 4.53 |
| 6 | 在 1 - 5 分的量表上，对基础电子课程（理论与虚拟实验室结合）实验的理解程度进行评分 | 4.07 |

学生对大部分问题的平均响应都超过 4 分（除第 2 项接近 4 分），表明学生对所采用的虚拟系统持积极态度，认可其用户界面、虚拟环境行为、可视化效果和实验室管理员的作用。

5. 结论与未来展望

通过比较虚拟实验室和传统实验室教学，发现两种方式在电子工程基础课程的学习效果上无显著差异。这为在缺乏实际实验室条件的情况下，培养学生的实践能力提供了机会。

研究验证了基于用户界面、虚拟环境行为、可视化效果和实验室管理员作用的混合学习方法的有效性。学生通过在线模拟工具和传统学习方式相结合，更好地利用时间提升知识。此外，虚拟实验室还具有安全和节省电子元件损坏成本的优点。

远程实验为解决实际实验室缺乏的问题提供了有效方案，有助于提高学生对理论概念的理解。未来，可以将类似的方法应用于电子工程的其他课程，进一步探索虚拟实验室在教育中的应用潜力。

远程实验助力电子学习：学生能力与态度的元分析

6. 虚拟实验室优势总结

虚拟实验室在电子工程教育中展现出了多方面的优势，以下为大家详细总结：
- 学习效果相当 ：从结果分析可知，学生通过集成远程实验学习电子基础知识，与实际动手实验室实验的学习效果无显著差异。这意味着在无法进行实际操作时，虚拟实验室能提供等效的学习体验。
- 突破时空限制 ：无论学习者身处何地，只要有网络连接，就能随时进行实验，不受地理和时间的约束。例如，学生在家中就可以完成 PN 结二极管、齐纳二极管等实验，而无需前往实体实验室。
- 成本效益高 ：避免了购买和维护实际实验设备的高昂费用，也减少了电子元件损坏带来的成本。同时，虚拟实验室可以同时容纳大量学生进行实验，提高了资源利用率。
- 安全性好 ：在虚拟环境中进行实验，学生无需担心触电、短路等安全问题，能够更加放心地探索和尝试。
- 提供丰富的可视化 ：通过虚拟实验，学生可以直观地观察到实验现象和结果，如 V - I 特性曲线的绘制，有助于更好地理解理论概念。

7. 虚拟实验室面临的挑战及应对策略

8. 未来电子工程教育的发展趋势

随着技术的不断进步，电子工程教育将朝着更加多元化和智能化的方向发展。以下是一些可能的发展趋势：
- 融合更多新兴技术 ：如人工智能、机器学习等，使虚拟实验室更加智能和个性化。例如，根据学生的学习情况和实验表现，提供定制化的实验方案和学习建议。
- 增强现实（AR）和虚拟现实（VR）的应用 ：让学生更加身临其境地进行实验，提高学习的沉浸感和趣味性。例如，通过 AR 技术将虚拟实验设备与现实场景相结合，让学生仿佛置身于真实的实验室中。
- 跨学科融合 ：电子工程与其他学科的交叉融合将越来越多，虚拟实验室可以提供跨学科的实验项目，培养学生的综合能力。例如，结合电子工程和生物医学，开展生物传感器的实验研究。

下面是一个 mermaid 格式的流程图，展示未来电子工程教育发展趋势的相互关系：

graph LR
    A[新兴技术融合] --> B[智能个性化学习]
    C[AR/VR应用] --> D[增强沉浸感]
    E[跨学科融合] --> F[培养综合能力]
    B --> G[未来电子工程教育]
    D --> G
    F --> G

9. 给教育者和学习者的建议

为了更好地利用虚拟实验室进行电子工程教育，给教育者和学习者分别提出以下建议：

9.1 给教育者的建议

优化教学方法 ：结合虚拟实验室的特点，设计更加生动有趣、富有互动性的教学活动。例如，组织线上实验竞赛、小组合作实验等。
加强技术培训 ：提高自身的技术水平，能够熟练使用虚拟实验室平台，并及时解决学生遇到的技术问题。
关注学生反馈 ：定期收集学生对虚拟实验室的反馈意见，根据学生的需求和建议不断改进教学。

9.2 给学习者的建议

积极参与互动 ：主动参与线上讨论、答疑等活动，与教师和同学保持良好的沟通。
合理安排时间 ：制定科学的学习计划，充分利用虚拟实验室的资源，提高学习效率。
多进行实践 ：在虚拟实验室中多尝试不同的实验项目，加深对理论知识的理解和掌握。

10. 总结

虚拟实验室在电子工程教育中具有重要的应用价值，它为学生提供了一种有效的学习方式，能够在一定程度上替代实际动手实验室实验。尽管面临一些挑战，但通过合理的应对策略和不断的技术创新，虚拟实验室将在未来的电子工程教育中发挥更大的作用。教育者和学习者应积极适应这种变化，充分利用虚拟实验室的优势，共同推动电子工程教育的发展。