基于虛擬仿真實驗的混合式教學(xué)模式探索與實踐

李媛媛 劉樂平 陳泉志 勞遠(yuǎn)俠

[摘 要]該文以“涂料化學(xué)與工藝學(xué)實驗”為案例，構(gòu)建了基于虛擬仿真實驗的混合教學(xué)模式，通過合理的教學(xué)設(shè)計將現(xiàn)實中高危、不可逆、周期長、難實現(xiàn)的實驗環(huán)節(jié)在虛擬仿真實驗中展現(xiàn)，結(jié)合線下教學(xué)的論證實驗完成完整的教學(xué)過程。實踐證明，該教學(xué)模式有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、探究學(xué)習(xí)能力以及創(chuàng)新和實踐能力。

[關(guān)鍵詞]虛擬仿真;混合式教學(xué);海洋防污涂料;教學(xué)設(shè)計

[基金項目]2018年度南寧師范大學(xué)教改項目“校企合作模式下地方高校應(yīng)用化學(xué)專業(yè)課程體系的構(gòu)建與實踐研究”（2018JGXO11）

[作者簡介]李媛媛（1980—），女，黑龍江齊齊哈爾人，博士，南寧師范大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院講師，主要從事顏料制備與改性、涂料與涂層研究;劉樂平（1980—），男，湖南邵陽人，博士，南寧師范大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院高級工程師，碩士生導(dǎo)師，主要從事堿激發(fā)材料的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究;陳泉志（1986—），男，廣西北流人，博士，南寧師范大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院助理研究員，主要從事材料表面處理與防護研究。

[中圖分類號] 06-3[文獻標(biāo)識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）33-0213-03[收稿日期] 2020-04-04

引言

根據(jù)《教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見》（教高〔2019〕8號）的精神，從2019年到2021年將認(rèn)定萬門左右國家級一流本科課程，其中6000門左右為線上線下混合式課程，1500門左右為虛擬仿真實驗教學(xué)課程，1000門左右為國家級社會實踐一流課程，這是教育改革不斷深入的碩果展示，也是未來教育改革的發(fā)展方向[1]。

本著在高校培育建設(shè)基礎(chǔ)上，注重創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型人才培養(yǎng)課程建設(shè)的指導(dǎo)思想，涂料化學(xué)與工藝學(xué)實驗課程也進行了混合式教學(xué)模式的探索與實踐。在該門課傳統(tǒng)的實驗教學(xué)當(dāng)中，為了學(xué)生能在有限的時間和空間內(nèi)安全完成實驗，教師在實驗內(nèi)容的設(shè)計上艱難取舍，涂料行業(yè)的發(fā)展一日千里，涂料種類眾多，而學(xué)生的實驗操作內(nèi)容卻相對滯后、單一。此外，涂料配方設(shè)計實驗一直為本科教學(xué)的難題，主要原因在于涂料配方涉及的系列試劑、樹脂、助劑等品類多、難儲存、價格昂貴、部分試劑受專利限制難以采購，此外，涂料配方設(shè)計實驗不可逆、部分關(guān)鍵性能測試周期長并且無法在實驗室環(huán)境下完成。

鑒于以上實驗教學(xué)難題，按照“虛實結(jié)合、以虛補實”的原則，結(jié)合“高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度”（“兩性一度”）的教學(xué)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，課程中將涂料行業(yè)的熱點“海洋防污涂料的工業(yè)生產(chǎn)與性能檢測”開發(fā)為虛擬仿真實驗單元。學(xué)生在沉浸式的虛擬實驗環(huán)境中漫游并進行配方設(shè)計、涂料生產(chǎn)及檢測，在如同游戲闖關(guān)般的任務(wù)驅(qū)動下不知不覺完成實驗，提升了學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生接受度高，學(xué)習(xí)效果良好。

一、虛擬仿真實驗教學(xué)

《中國教育現(xiàn)代化2035》的目標(biāo)與任務(wù)是到2035年總體實現(xiàn)教育現(xiàn)代化，邁入教育強國行列，推動我國成為學(xué)習(xí)大國、人力資源強國和人才強國，而“智能教育”將是教育現(xiàn)代化的關(guān)鍵特征[2]。中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)《加快推進教育現(xiàn)代化實施方案（2018—2022年）》，文件中就虛擬仿真實驗教學(xué)項目的建設(shè)給出意見和建議，著力解決真實實驗條件不具備或?qū)嶋H運行困難，涉及高危或極端環(huán)境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓(xùn)練等問題，并希望以此大力推進教育信息化，著力構(gòu)建基于信息技術(shù)的新型教育教學(xué)模式、教育服務(wù)供給方式以及教育治理新模式[3-5]。在抗擊新型冠狀病毒的當(dāng)下，國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享平臺（實驗空間）全天候開放，免費提供2000余門虛擬仿真實驗課程資源，并提供在線實驗教學(xué)支撐和教學(xué)考核管理，解決了高校實驗課程的難題。由此可見，教育信息化不僅是教育改革的大方向，更是特殊時期應(yīng)對教育難題的一把利劍。

（一）涂料化學(xué)與工藝學(xué)采用虛擬仿真教學(xué)的必要性

如上文所述，涂料配方設(shè)計一直是本科教學(xué)難題。與此同時，以海洋防污涂料生產(chǎn)及性能檢測實驗內(nèi)容為例，其實驗教學(xué)面臨著以下難點：

第一，環(huán)境限制。評價海洋防污涂料性能優(yōu)劣的幾項重要測試，例如海洋涂料旋轉(zhuǎn)沖刷測試以及防海洋生物污染測試，根據(jù)國家相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)需在淺海區(qū)進行實海掛板實驗。

第二，試驗周期限制。海洋防污涂料的海洋掛板防污性能測試周期1—5年，旋轉(zhuǎn)沖刷的最短周期為200小時，鹽霧測試的最短周期為1個月。

第三，實驗原材料限制。涂料的組分多種多樣，藥品庫難以涵蓋全部試劑（部分試劑受專利保護，市面上難以購買），其中部分危險化學(xué)品的保存亦存在安全隱患。

第四，不可逆性。涂料從配方設(shè)計到實驗驗證的周期長（數(shù)天—幾個月），且該過程不可逆，每次配方調(diào)整都需要進行大量的重復(fù)性實驗。

（二）虛擬仿真實驗教學(xué)設(shè)計

實驗設(shè)計上本著以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，讓學(xué)生在漫游環(huán)境中學(xué)習(xí)，并以問題驅(qū)動、交互練習(xí)、分組合作等學(xué)習(xí)方法展開，最后通過反思與評價鞏固、提升學(xué)習(xí)效果。具體實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計如下：

1.沉浸式環(huán)境漫游。學(xué)生在虛擬的涂料工廠進行漫游，直觀形象、立體生動地體驗、感知與領(lǐng)略涂料車間物理環(huán)境的空間布局和結(jié)構(gòu)，掌握儀器、設(shè)備設(shè)施的配備規(guī)范，學(xué)習(xí)儀器設(shè)備的操作方法;實海檢測模塊，學(xué)生漫游海島檢測站并乘船出海，在虛擬浮筏上進行掛板操作。

2.問題驅(qū)動式學(xué)習(xí)。實驗過程中，教師設(shè)置問題闖關(guān)，學(xué)生正確回答問題才能進入下一步操作，在此過程中學(xué)生通過查閱資料，回顧前學(xué)知識進行作答，從而鞏固舊知，學(xué)習(xí)新知。

3.交互式練習(xí)。系統(tǒng)設(shè)置有錯誤提示、正確操作提示和自動評價的功能，學(xué)生在進行虛擬實驗操作時通過人機交互的方式，實現(xiàn)邊操作、邊學(xué)習(xí)、邊調(diào)整，錯誤和不足之處及時得到改正和補充。

4.合作探究式學(xué)習(xí)。在涂料配方的設(shè)計和生產(chǎn)環(huán)節(jié)，學(xué)生分小組完成教師布置的任務(wù)需要團隊合作，分析問題并解決問題。

5.反思式評價。虛擬仿真平臺能夠自動生成可追溯實驗過程的記錄，便于學(xué)生及時了解與掌握學(xué)習(xí)的進程，進行自我糾錯與反思。

實驗操作結(jié)束后，系統(tǒng)會自動生成實驗報告，通過在線或下載填寫實驗報告，學(xué)生可以反思自己的全部操作，并針對自己對知識點的掌握的情況做出評價，學(xué)生也可以根據(jù)評價結(jié)果和興趣，反復(fù)進行虛擬仿真實驗，進而提高學(xué)習(xí)效果。

（三）虛擬仿真資源開發(fā)

在虛擬仿真實驗建設(shè)當(dāng)中，教師進行實地考察和腳本設(shè)計，選取實際工業(yè)生產(chǎn)、海洋涂料旋轉(zhuǎn)沖刷測試、淺海掛板防生物污損測試、鹽霧腐蝕測試等場景，軟件工程師采用Unity3D、3D Studio Max、Maya、Visual Studio等軟件，綜合應(yīng)用多媒體、三維建模、人機交互、虛擬現(xiàn)實、實時反饋游戲互動機制等技術(shù)，構(gòu)建了海洋防污涂料從配方設(shè)計、工業(yè)生產(chǎn)到性能檢測的全過程虛擬現(xiàn)實場景。主要場景個別畫面如圖1—圖3所示。

二、基于虛擬仿真實驗的混合式教學(xué)模式

在涂料化學(xué)與工藝學(xué)實驗授課過程中，實驗室教學(xué)當(dāng)中難以實現(xiàn)的配方設(shè)計、海洋防污性能檢測、工廠實訓(xùn)部分可通過虛擬實驗完成，虛擬實驗當(dāng)中設(shè)計出的涂料配方又可在實驗室操作中得以驗證，真正做到了“虛實結(jié)合、以虛補實”。

（一）混合式教學(xué)設(shè)計

根據(jù)“涂料化學(xué)與工藝學(xué)實驗”教學(xué)大綱要求，實驗課程分為三個層次，第一次是基礎(chǔ)實驗操作與實驗室性能檢測，第二層次是工業(yè)實操與性能檢測，第三層次是與科研相關(guān)的拓展性、創(chuàng)新性實驗。在混合式教學(xué)當(dāng)中第一個層次在線下實驗室教學(xué)中完成，第二、三個層次需通過虛擬仿真實驗資源的持續(xù)更新和拓展實現(xiàn)，結(jié)合以上三個層次讓混合式教學(xué)實現(xiàn)良性可持續(xù)發(fā)展，如圖4所示。

（二）混合式教學(xué)實踐

自“涂料化學(xué)與工藝學(xué)”混合式教學(xué)開展以來，共有450余名學(xué)生完成了該虛擬仿真實驗，虛實結(jié)合的教學(xué)方式深受學(xué)生喜愛。學(xué)生通過虛擬仿真線上教學(xué)開闊了視野，對接了實際生產(chǎn)，并接觸到科研前沿，增強了專業(yè)自信和自豪感。部分學(xué)生拓展了實驗內(nèi)容，在國家級和省級大創(chuàng)項目中獲得不俗成績，在中國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽廣西賽區(qū)選拔賽，獲得金獎3項、銀獎6項、銅獎3項，在第四屆中國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽全國賽中獲得銅獎1項。與此同時，“海洋防污涂料生產(chǎn)及性能檢測虛擬仿真實驗”獲批廣西壯族自治區(qū)虛擬仿真項目，“涂料化學(xué)與工藝學(xué)實驗”課程被評為南寧師范大學(xué)一流課程，廣西壯族自治區(qū)一流課程。

三、結(jié)語

基于虛擬仿真實驗下的“涂料化學(xué)與工藝學(xué)實驗”混合式教學(xué)，以學(xué)生為中心，基于成果導(dǎo)向的教育模式（OBE），解決了單純線下教學(xué)的短板，使學(xué)生在專業(yè)學(xué)習(xí)的過程中提高了動手能力、獲得了實訓(xùn)機會、拓寬了思路、提高了主觀能動性、增強了團隊合作意識，在教學(xué)平臺的反饋當(dāng)中得到了一致好評，切實提高了學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)成績。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見[教高〔2019〕8號].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/ 201910/t20191031_406269.html.2019-10-24.

[2]中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳.加快推進教育現(xiàn)代化實施方案（2018—2022年）.https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1626331028578067281&wfr=spider&for=pc.2019-02-24

[3]李雄，孫路遙.虛擬仿真教學(xué)的內(nèi)涵、設(shè)計及應(yīng)用[J].中國教育信息化，2019（06）：21-25.

[4]丁有得.基于“體驗實驗”的虛擬仿真教學(xué)探析[J].中國多媒體與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)學(xué)報（上旬刊），2019（07）：29-30.

[5]吳光遠(yuǎn)，林茂海，李效周.虛擬仿真教學(xué)在新工科專業(yè)人才培養(yǎng)中的實踐教學(xué)研究—以印刷工程專業(yè)為例[J].教育現(xiàn)代化，2019，6（26）：138-140.

Exploration and Practice of Blended Teaching Model Based on Virtual Simulation： Taking the Experiment of Coating Chemistry and Technology as an Example

LI Yuan-yuan， LIU Le-ping， CHEN Quan-zhi， LAO Yuan-xia

（School of Chemistry and Material， Nanning Normal University， Nanning， Guangxi 530001， China）

Abstract： Taking the Experiment of Coating Chemistry and Technology as an example， a blended teaching model based on virtual simulation experiment was constructed. Through reasonable instructional design， the experiments of high-risk， irreversible， long-period and difficult-to-do were realized in virtual simulation experiments. Combined with the demonstration test in the lab， a completed teaching process was completed. It has been proved that this teaching model is conductive to training the ability of inquiry learning， autonomous learning， and innovation and practice.

Key words： virtual simulation; blended teaching; marine antifouling coating; instructional design