混合教學模式下虛擬仿真教學的探索與實踐

谷艷華，苗廣文，楊得軍

混合教學模式下虛擬仿真教學的探索與實踐

谷艷華1，苗廣文2，楊得軍3

（1. 吉林大學 機械與航空航天工程學院；吉林 長春 130025；2. 吉林大學 北區教務辦；吉林 長春 130025；3. 吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室，吉林 長春 130025）

以“工程圖學”課程為案例，用現代教育思想及新信息技術設計開發并在線共享了虛擬仿真教學資源，有助于解決二維投影與三維實體思維轉換過于抽象、零部件內部結構不可見、實際零部件工作原理及生產工藝知識不可及等教學問題，構建了混合教學模式下虛擬仿真實踐教學體系。教學實踐表明，虛擬仿真教學有利于混合教學模式下學生的探究性學習、自主學習和創新實踐，有利于提高教學效果。

混合式教學；虛擬仿真教學；實踐教學體系；自主學習

根據教育部“全面梳理各門課程的教學內容，合理提升學業挑戰度，增加課程難度，拓展課程深度，切實提高課程教學質量”[1]的要求，以新信息技術為本質特征的虛擬仿真教學，越來越受到重視。其交互功能、模擬仿真、在線共享、在線效果評價等的實現，為在線開放教學提供了技術上的支持。通過探索混合教學模式下虛擬仿真教學的內容、手段、過程及效果評價等方面的創新[2]，推進在線教學和傳統教學模式的改革。

“工程圖學”課程為工科院校傳統課程，在機械類教學體系中屬于學科基礎課，包括理論教學、實驗教學、創新訓練3個維度。本文將虛擬仿真教學融合于在線教學、課堂教學、交互答疑的混合教學模式中，推動了“工程圖學”理論教學、實驗教學、創新訓練的教學改革。混合教學模式下的虛擬仿真教學為“工程圖學”課程的理論教學和實驗教學改革增添了活力和動力[3-4]。

1 混合教學模式

傳統的理論教學和實驗教學只有實體課堂教學一種形態，學校、課本和教師主導著教學的整個過程，學生處于被灌輸狀態。學生課前、課上和課后的學習都會受到時空和資源等方面條件限制。另一種教學形態為在線開放教學，將優質教學資源共享于在線教學平臺上，突破了對特定時空的單一化學習的依賴。但孤立的在線教學平臺及泛在化的教學資源屬于孤立的知識，如果沒有面對面引導、輔導、總結和討論環節，學生容易處于“無人管理”狀態。因此無論是獨立的傳統實體課堂教學或孤立的在線教學都難以取得最佳學習效果。

為了滿足學生個性化、智能化、信息化、定制化的學習需求，本文探索了集課堂教學、在線教學、答疑輔導于一體的混合教學模式，即融合線上和線下教學。線上教學即在線開放教學，是將學習資源放到公開或限制性公開的平臺上，為每位學生提供全方位的、既有泛在化又分層次的優質教學資源，包括基本資源和拓展資源。學生按照教學進度自主學習，根據需要自主選擇視頻、自我測驗、平臺答疑等在線資源。其中在線答疑是指針對學生在線提出的疑難問題，師生一道進行在線討論，包括平臺答疑、社交軟件答疑、課后直播答疑等形式，好處是師生共同參與，不受時間和地點限制。教師對學生可進行一對一答疑或集體答疑，教師是所有學生的“顧問”，學生也可成為某一問題的“教師”。通過在線學習數據，教師和學生均可了解學生的學習狀況。

線下教學是指包括答疑討論在內的課堂教學。課堂教學不只是知識講授課，還是見面討論課，包括小組討論、翻轉課堂討論、教師重難點總結、課堂測驗、教師答疑輔導、專題討論等教學活動。教師可隨時根據學生的學習情況，對課堂的教學設計和教學活動進行微調，高效率地解決學生的個性問題或共性問題。混合式教學模式的最終目標是讓每個學生成為主角，在豐富的在線學習資源和“大班級”環境里，在不脫離教師、教材和“集體”的情況下進行自主學習和個性化學習。

2 混合教學模式下的虛擬仿真教學

以學生自主學習為前提的混合式教學模式，需要在線共享優質教學資源做支撐。除基本教學資源外，還應增加更廣泛、有難度、有深度、可互動、形象逼真的拓展資源。

虛擬仿真教學可作為傳統系列化教學手段與活動的補充。一方面虛擬仿真教學資源可成為理論教學的拓展資源。學生可自主選擇、觀看或進行交互操作，有助于直觀形象地理解理論知識、強化理論思維訓練。另一方面，虛擬仿真教學資源還可成為實驗教學的拓展資源。虛擬仿真實驗不受時空限制，可在線自主操作，促進了學生知識技能、創新能力及綜合素質的全面提升。虛擬仿真教學以虛擬實踐為前提，搭建起從書本知識到生產實際的橋梁，使學生把知識、能力內化為素質，從而體會學以致用的自信和責任感[5]。

2.1 “工程圖學”課程采用虛擬仿真教學的必要性

“工程圖學”課程授課對象是大一新生，理論教學中二維投影、三維立體及其相互轉換的思維較難建立。又因學生缺乏實際產品概念，缺乏零部件設計和工藝方面經驗，因此僅通過教材、有限的實體模型和課堂講解，難以使學生將所學知識與工程問題準確地聯系起來[6]。若將新信息技術、網絡技術、教學內容、教學經驗和生產實際等方面相融合，開發出在線平臺共享的虛擬仿真模型和虛擬仿真實驗，將使與實際產品相關的設計、加工工藝等生產問題變得形象、有趣味，從而使學生易懂、易學。

若在傳統實體課堂教學中簡單地運用虛擬仿真教學資源，由于時空范圍所限，學生只能被動地觀看模擬仿真視頻，其作用不能充分發揮。若僅是將虛擬仿真教學資源共享到在線開放的教學平臺中，學生雖然能夠自主選擇和參與虛擬仿真操作，但由于缺乏教師解答或對相關問題的討論，教學效果也不盡如人意。

如果在混合教學模式下應用虛擬仿真教學資源，則學生對“教、學、考、練、問”等各環節的參與度都將提升，學習的興趣和主動性將大大增強，再輔以教師的引導和討論，可使圖學設計理論和實踐知識真正落到實處，真正實現學生的探究性學習和自主學習。

2.2 虛擬仿真教學有助于實現個性化教學

混合教學模式下的虛擬仿真資源包括基本資源和拓展內容。以虛擬仿真實驗為例，既可包括實驗目的、實驗原理、工具使用、注意事項等詳細的教學內容，也包括剖切、實際生產加工工藝、工作原理等真實實驗不可呈現的內容。學生通過在線虛擬仿真實驗中心平臺自主交互完成虛擬仿真實驗后，再回到課堂進行真實的實驗操作，省時省力，教學效果也好。除通用的虛擬仿真資源外，可針對不同層次學生甚至每位學生提供不同的資源。混合教學模式下的虛擬仿真教學可在線分析每位學生的學習行為，有針對性地引導學生進行多層次、大量的實驗訓練，給學生提供獨立思考并操作虛擬仿真實驗的機會，真正實現“一人一方案”的個性化教學[7]。虛擬仿真教學可打破不同學科、不同專業實驗室之間的隔墻[5,8]，有利于培養學生的工程綜合意識以及探究新知識能力和創新能力[6,9-10]。

2.3 虛擬仿真資源的開發

開發虛擬仿真資源就是集工程師、教師、學生和專業公司的智慧于一體，自主開發或合作開發與理論教學和實驗教學相關的虛擬仿真資源庫及虛擬仿真實驗和技術支撐平臺。

針對“工程圖學”課程，學生對虛擬仿真模型和虛擬仿真實驗的需求很大。我校工程圖學在線教學團隊利用CATIA、CAD、FLASH、3DVIA、Unity等信息技術，自主開發并優化了多個可交互的虛擬仿真資源，其中虛擬仿真模型、視頻動畫、微視頻等虛擬仿真資源形式多樣且內容豐富。通過在線共享，學生通過虛擬體驗滿足自主學習需求。開發移動端掃描實體書圖片App，掃描圖片后便可獲得相應內容的教師講解、數字立體模型、視頻動畫以及360°動態觀察模型。合作開發的多個虛擬仿真實驗為2015年國家級虛擬仿真實驗教學中心與吉林大學機械虛擬仿真實驗教學中心項目，本著“能實不虛，虛實結合”的原則助力傳統實驗教學。虛擬仿真資源也同其他教學資源一樣需不斷開發和優化更新。

3 虛擬仿真教學實踐

3.1 “工程圖學”虛擬仿真教學實踐

2014年以來，以“主動學習、多重交互、合作探究、達成評價”為教學過程的“工程圖學”混合式教

學模式已在本科教學中運行實踐多個輪次。“工程圖學”混合教學模式包括在線教學、在線交互答疑和線下面對面討論課、翻轉課堂等教學環節，可實現學生自主學習、師生討論和一對一輔導答疑等定制化的教學過程。混合教學模式下的“工程圖學”課程在理論教學和實驗教學上都運用了虛擬仿真，深受學生歡迎。自主開發的可交互“千斤頂裝配”虛擬仿真教學資源，榮獲全國遠程教育協作組頒發的高校組微課大賽一等獎；“工程圖學”混合式教學被評為吉林省精品在線課程，并獲泛雅杯超星慕課大賽二等獎；以“工程圖學”混合式教學為主要內容申報的教學改革項目獲國家教學成果二等獎。

虛擬仿真實驗服務于工程圖學綜合實踐教學，實現了與傳統真實實驗和教學目標的無縫對接。虛擬仿真實驗項目“減速器拆裝虛擬仿真實驗”與工程圖學綜合實踐對接，已運行3年，2017年被評為吉林省示范性虛擬仿真實驗教學項目；自主開發的包含虛擬仿真資源的工程圖學移動教學系統App，方便了學生自主學習，有利于教師與學生的互動。

3.2 混合教學模式下的虛擬仿真教學體系

根據“工程圖學”在線教學大綱要求，結合新信息技術和現代教育思想，將虛擬仿真資源分為理論課和實踐課所需的基礎、拓展、創新3層次。第1層次是基礎實驗，包括實驗教學大綱要求的必修和選修實驗內容；第2層次增加綜合拓展性實驗，開發與理論教學和實踐教學內容相關、學生參與設計開發的綜合實驗；第3層次開發與教學和科研相關的創新實驗，加強學生的創新能力培養。并根據應用情況反饋不斷完善，最終形成混合教學模式下涵蓋理論知識和實驗教學、可持續發展的虛擬仿真實踐教學體系[11]，如圖1所示。

圖1 混合教學模式下的虛擬仿真實踐教學體系

4 結語

“工程圖學”課程實踐表明，與傳統教學和單純的在線教學相比，混合教學模式下的虛擬仿真教學，通過開發可拓展的線上線下虛擬仿真資源、增加課程難度和深度、合理安排教學活動和教學環節、關注師生之間交流等，很好地激發了學生自主學習的興趣，提高了教學效果。虛擬仿真教學充分利用智能化（AI）、虛擬現實（VR）、增強現實（AR）等技術手段，有助于學生夯實理論基礎，接觸更多實際產品，培養創新實踐能力[12]。混合教學模式下虛擬仿真資源的研發和運用，從教學內容、教學手段、教學過程及教學效果評價方面，提升了教師教育教學能力，促進了教學改革和新工科建設。

[1] 教育部.關于狠抓新時代全國高等學校本科教育工作會議精神落實的通知[EB/OL]. (2018-08-27). http://www.moe. gov.cn/srcsite/A08/s7056/201809/t20180903_347079.html.

[2] 劉亞豐，吳元喜，蘇莉，等.生命科學與技術虛擬仿真實驗教學體系的構建[J].實驗技術與管理，2015, 32(9): 120–123.

[3] 李林，李鳳霞，蘭山，等.基于MOOC 的虛擬仿真實驗方法探究[J].實驗室研究與探索，2017, 36(4): 111–113, 130.

[4] 任軍.高校混合式教學模式改革推進策略研究[J].現代教育技術，2017, 27(4): 74–78.

[5] 房朝暉，白瑞峰，韓洪洪.電氣工程與自動化虛擬仿真實驗教學體系構建[J].實驗室科學，2017, 20(2): 127–130.

[6] 王帥，盧紅梅，劉有才，等.礦冶工程化學虛擬仿真實驗教學體系的構建[J].實驗技術與管理，2018, 35(8): 125–128.

[7] 江波，高明，丁繼紅，等.虛擬仿真實驗學習行為分析[J].中國遠程教育，2017(9): 11–18, 79.

[8] 趙銘超，孫澄宇.虛擬仿真實驗教學的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2017, 36(4): 90–93.

[9] 張琦弦.培養本科生科研創新能力的探索型實驗設計[J].實驗技術與管理，2018, 35(4): 192–194.

[10] 王衛國，胡今鴻，劉宏.國外高校虛擬仿真實驗教學現狀與發展[J].實驗室研究與探索，2015, 34(5): 214–219.

[11] 張景華，吳國新，劉一飛，等.構建實踐教學體系促進創新人才培養[J].實驗技術與管理，2017, 34(2): 25–27.

[12] 郎振紅.基于云平臺的自主式實驗教學體系研究[J].實驗技術與管理，2018, 35(2): 159–162.

Exploration and practice of virtual simulation teaching based on mixed teaching model

GU Yanhua1, MIAO Guangwen2, YANG Dejun3

(1. College of Mechanical and Aerospace Engineering, Jilin University, Changchun 130025, China; 2. North Academic Affairs Office, Jilin University, Changchun 130025, China; 3. State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130025, China)

By taking “Engineering Graphics” course as an example, virtual simulation teaching resources are developed and shared online with modern educational ideas and new information technology, which is helpful to solve such teaching problems as to abstract transformation of two-dimensional projection and three-dimensional entity thinking, invisible internal structure of parts and components, inaccessibility of working principle and production process knowledge of actual parts and components, and to construct the virtual teaching system based on the mixed teaching model. Teaching practice shows that virtual simulation teaching is conducive to students’ inquiry learning, autonomous learning and innovative practice under the mixed teaching model and is beneficial for improving the teaching effect.

mixed teaching; virtual simulation teaching; practical teaching system; autonomous learning

G642.0

A

1002-4956(2019)07-0188-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.046

2018-11-30

2015年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設項目“基于信息/物理系統融會創新的‘三三制’機械類人才培養改革與實踐”；教育部產學合作協同育人項目（201801036005）；2017年度吉林省示范性虛擬仿真實驗教學項目“齒輪減速拆裝虛擬仿真實驗”；吉林大學虛擬仿真實驗建設項目（VE2015006）

谷艷華（1963—），女，吉林四平，本科，教授，主要研究方向為機械設計及理論、虛擬仿真.E-mail: guyh@jlu.edu.cn

楊得軍（1965—），男，吉林長嶺，研究員，主要從事汽車仿真與控制國家重點實驗室管理工作.E-mail: yangdj@jlu.edu.cn