高中通用技术教学中虚实实验的结合策略研究

摘要

为落实高中学生通用技术学科核心素养的培养，解决教学实践中合理创设实验情境与载体、选择合适的实验手段与内容等问题，以高中通用技术选修1《电子控制技术》为例，结合具体教学案例，对比分析不同实验手段的优缺点，从中探索出一种将虚拟实验与真实实验形成互补、综合应用的教学策略，以期为教学提供一个较好的解决方案。

Graphical abstract

关键词

高中通用技术 / 电子控制技术 / 虚拟实验 / 真实实验

2015年，浙江省依据教育部颁布的《普通高中技术课程标准（实验）》^［1］，将高中通用技术选考的内容确定为选择性必修1《电子控制技术》，并一直沿用至今。由此，“电子控制技术”已成为浙江省高中通用技术选考教学的必备内容与核心模块。在本模块教学中，为有效验证理论知识、激发学习兴趣并提升实践能力，教师应注重理论讲授与实验探究的融合，合理选取实验情境与载体，并有效整合真实实验（含演示与学生实验）与虚拟仿真等多种教学方式。笔者结合教学实践，详细阐述电子控制技术模块相关教学策略的优化方案。

1 相关真实实验应用举例与优缺点

《普通高中通用技术课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课标》）指出：“倡导以学生为中心、实践为核心的多样化学习方式。根据学生的身心发展规律和技术学习特点，立足学生的直接经验和亲身参与。”^［2］因此，在高中通用技术教学中，组织学生开展学生实验活动，是《课标》对核心素养培养的要求。有鉴于此，笔者建议具体安排如下实验活动。

1.1 学生实验（一）：焊接实验

《课标》要求：“熟悉常见焊接工具及辅助材料的特点，掌握一种焊接方法。”同时，《浙江省普通高校招生选考科目考试说明（自2020年1月高考选考起使用）》^［3］中对“电烙铁的使用”要求为“c”，即要求学生“能运用所学的技术知识、思想方法解决实际问题”。故而，对于焊接技术，教师组织学生开展相关实验活动确有必要。

作为载体的选择，既需要尽量多地包含常见电子元器件，又不应超出高中电子控制技术知识的范围。同时，考虑到课时问题，教师可以直接使用专业定制PCB（印制电路板），因为相较于需要额外焊接连接用导线的万用板（洞洞板），其布线更加规整可靠，从而使学生能尽量在1课时内完成焊接操作。在对比多种电路后，笔者选取了与苏教版《电子控制技术》教材（2020年6月版）第52页“声音音量指示器”电路^［4］相近的PCB电路板“声控闪光灯电路”。该电路包含了高中阶段大部分常见分立元器件，如电阻、电容、发光二极管、三极管以及声敏传感器；又涉及多种电路知识，如分压原理、三极管放大作用、电容耦合、偏置电阻、限流保护等，且电路焊接并不复杂，学生基本能在1课时内完成焊接操作。

【存在的问题】焊接完成并不意味着电路能实现预设功能。根据现场测试，学生在1课时内既能成功焊接又能实现电路功能的比例仅约40%。排查未成功的因素主要为：元器件虚焊、连焊、错焊、接触不良等。对于绝大多数第一次接触焊接操作的学生而言，出现焊接熟练度低等现象是难免的，也是在有限课时前提下，较难解决的。

1.2 学生实验（二）：利用面包板搭接电路

为解决前述焊接操作中出现的问题，应采用面包板进行电路搭接。面包板内部由规律排布的金属簧片构成导电通路。在外部，通过无须焊接的跳线、杜邦线以及将元器件引脚直接插入孔内等方式实现电气连接。这种方式从根本上避免了焊接中常见的虚焊、连焊等问题（但依然会面临接触不良、意外短路以及寄生参数等挑战）。经实测，学生用面包板搭接同一个电路的耗时比焊接大幅减少，同时成功实现电路功能的比例大幅上升。

虽然实验（二）相较实验（一）在操作上有不少优点，但上述两个学生实验对应的知识点和能力要求是不同的，故在条件允许情况下均可安排，且可安排学生用上述两种手段完成同一电路的搭接，并在此过程中对比体会两者各自的优缺点。

1.3 真实实验的不足

无论是焊接电路板实验，还是搭接面包板电路实验，都具有下列若干不足：①前期准备相关材料及测试分立元器件时间较长；②搭接过程需花费较多时间进行操作、调试；③若有元器件损坏，会影响到电路功能的实现，且排查故障费时较多；④分立元器件个头较小，演示实验时后排学生几乎无法看清实物；⑤若实验室无所需元器件，则暂时无法搭接；⑥若电路设计本身存在缺陷，轻则电路无法正常工作，重则损坏元器件、电源或设备等。

对学生而言，真实实验具有独特的教学价值：一方面能提高动手能力，另一方面能在操作中发现实际问题，进而尝试解决。因此，这既是一个富有意义的学习过程，也是培养学生实践能力的重要途径。若能在此基础上提高成功率，则能使学生在此过程中获得更多的成就感。

2 相关虚拟实验的应用举例与优缺点

2.1 虚拟实验是对真实实验不足的补充

为弥补上述真实实验的不足，可将虚拟实验作为补充。虚拟实验在电子控制技术中一般采用电路仿真软件进行演示。对比真实实验，利用电路仿真软件进行实验有以下优点：①不存在因连接错误（如短路、接触不良）或操作不当导致的元器件损坏等问题。②电路搭接速度快。可让学生在实际焊接或面包板搭接前，利用仿真软件快速搭接，从而预测电路现象、结果，减少实际操作中可能出现的失误（如：二极管正负极接错、三极管3个极搭接出错等）。③对于多个类似电路，可先复制、粘贴，再经少量修改即可。④不受电路板过小限制，可自由进行扩展搭接。⑤便于投影对比两个或多个电路。⑥仿真软件数据库中的元器件一般远多于学校实验室，能够节约经费和购置时间。⑦更重要的是，即使电路原理设计存在缺陷，仿真过程本身也不会造成任何物理损坏，为发现和修正设计错误提供了零风险的调试环境。⑧可展示实物模拟实验无法展现的现象，如下述应用实例。

【应用实例】电容充放电。在讲解电容充电时，学生初次学习电容两端正负电荷的逐渐堆积与释放过程，会觉得比较抽象。若采取实物操作呈现，则较为困难。但在仿真软件中模拟，不仅直观明显，而且可以显示动态过程。该虚拟实验的演示，能够加深学生对电容充放电动态过程的理解。

2.2 虚拟实验的不足

①真实实验与虚拟实验在培养学生科学素养和能力方面，其作用既有交叉互补的部分，也有各自独特的贡献。虚拟实验无法培养学生的实际动手能力。②在电路仿真实验中，默认条件都是理想的，无法或者较难展现电压或电流的不稳定、外界温度或电磁场等对电路造成的干扰等问题，而真实实验却可以展现这些情况，更符合实际环境。③在实际操作中，发现与解决问题是培养学生实践素养的有效途径。虚拟实验在此方面存在一定的局限性，其能够模拟的问题场景和类型不如真实实验丰富。

3 “取长补短”的综合教学策略

由上述分析可知，两种教学手段各有其优缺点，且存在独立性，无法完全替代。在日常教学中，可将理论知识、虚拟实验、真实实验三者进行有机结合。

（1） 对于部分需要学生深入理解、应用的重难点教学内容，可按照以下步骤进行：①进行理论知识的学习和建构；②通过虚拟实验对电路进行预测、修改；③通过真实实验如焊接电路板、搭接面包板电路等进行验证。

【应用实例】如前述学生实验（一），在实际焊接或搭接面包板电路前，可先用虚拟实验验证其可行性；也可待真实实验成功后，通过虚拟软件更改各元器件参数，观察电路各处的参数变化，思考不同参数条件下各元器件对电路的影响。

（2） 在学生答题过程中，因对电路原理或现象理解困难而无法直接进行理论分析时，可借助电路仿真软件搭建电路并进行仿真。通过观察仿真得到的电流、电压、波形等数据与图形，建立直观认识，从而辅助其从现象反推原理，深化对电路工作机制的理解。

【应用实例】（2024年1月浙江省技术选考试题第27题）如图1所示是小明设计的台灯模型电路，VT₁、VT₂型号相同，工作时VT₁导通，VT₂处于放大状态。下列分析中不正确的是（　　）。

A.调大Rp₁，A₁和A₂读数均减小；

B.调小Rp₂，A₁和A₂读数均增大；

C.调大Rp₃，A₁读数基本不变，A₂读数减小；

D.调大Rp₁，VT₁的Uce不变。

分析：此题对考生具有一定的难度。其中C、D选项属于常规选项，分别利用了Rp₃负反馈电阻特性、三极管发射结钳位特性，故可排除。但对于A、B选项，若学生没有拓展学习过比例电流源的相关知识，仅根据高中教材中涉及的三极管普通接法进行分析，则较为困难。用虚拟仿真软件搭建该电路，调整参数，使得电路初始状态满足题目给定条件，得到如表1序号1中的数据。此时，分别调大Rp₁、调小Rp₂，得到如表1序号2、序号3中的数据。

由表1可知，针对选项A，调大Rp₁，A₁、A₂均减小，故A选项所述正确。针对选项B，调小Rp₂，A₁增大、A₂减小，故选项B所述错误。由此，学生得到一个比较直观的结果。在此基础上，联系选项B与C，学生自然会想到——为何同样接在三极管发射极上，调整Rp₂与Rp₃会产生A₁、A₂的变大变小影响不一的问题。为此，可引导学生关注两支三极管的基极电位，记为U_b，其仿真数据如表2所示。

可见，在调整阻值相同大小的情况下，调小Rp₂将明显减小U_b，进而可得到A₁增大、A₂减小的结论。调小Rp₃，则因其对U_b几乎没有影响，故A₁几乎不变，且A₂减小。上述数据对比是在虚拟仿真软件中采用多个电路直接对比的结果，现象明显、参数详尽。

（3） 采用虚实结合的教学策略，有机融合虚拟实验与真实实验的优点，既可以建立联系、取长补短，又能够相互验证。这种互补共促的模式，能有效促进学生技术核心素养的培养。虚实结合的教学方法如图2所示。

4 结语

教育技术在软硬件方面的发展，为教育手段的创新带来了更多的可能，这使实验教学不再局限于单一的实物。依托于实物的真实实验与依托于计算机的虚拟实验，均有各自的优点，且在客观上也都有自身无法克服的缺点。将两种手段进行有效的组合并加以运用，取长补短，从而能够为学生创设多样化的学习情境。据此，展开技术体验、技术设计、技术制作、技术试验等活动，促进学生学科核心素养的形成与发展，已成为技术教育工作者共同追求的目标。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 普通高中技术课程标准（实验） ［S］，北京：人民教育出版社，2014.

[2] 中华人民共和国教育部. 普通高中通用技术课程标准（2017年版2020年修订） ［S］，北京：人民教育出版社，2020.

[3] 浙江省教育考试院.浙江省普通高校招生选考科目考试说明［M］.杭州：浙江摄影出版社，2018.

[4] 顾建军，王志军.电子控制技术［M］.第1版.南京：江苏凤凰教育出版社，2020.

基金资助

2024年绍兴市教育科学规划课题“‘虚实结合，互补共促’——虚拟试验与模拟试验在通用技术教学中的探索”(SJG2024311)