基于虛擬仿真技術的案例教學法創新實踐教學研究

王文舉 張玄 姜中敏

[摘 要] 為激發學生學習的主動性、提高學生積極思維能力和動手實踐能力的培養，提出了一種基于虛擬仿真技術的案例教學法，該方法的實現過程是“課前準備：案例選擇與虛擬仿真制作—案例的簡介—實驗案例實現步驟的討論—學生做出決策—實驗案例的虛擬仿真實踐—課堂總結”。實驗結果表明，此種教學方法寓教于樂、學生積極參與、勇于探索;能夠突破時空限制使學習者對系列或系統的操作任務有明確的認識;通過良好的人機交互、啟發式導引，學習者自身對操作步驟、技術要點了然于心，同時對任務背后的設備、系統的工作原理產生了濃厚的興趣和深刻的理解。

[關鍵詞] 實踐教學;案例教學法;虛擬仿真技術

[基金項目] 2019年上海理工大學教師教學發展研究項目“分布式3D包裝工藝虛擬仿真教學平臺建設”（CFTD194045）;2019年度上海理工大學優質在線課程建設項目“虛擬現實技術基礎”;2019年上海高校本科重點教改項目“沉浸式中國戲曲曲藝音樂理論課堂建設”

[作者簡介] 王文舉（1979—），男，山東濟南人，博士，講師（通信作者），研究方向為高等工程教育;張玄（1982—），女，山東濟南人，博士，講師，研究方向為中國傳統音樂;姜中敏（1980—），男（滿族），河北承德人，碩士，講師，研究方向為色彩管理和實驗室管理。

[中圖分類號] G642? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）35-0322-03? ? [收稿日期] 2019-09-10

一、引言

傳統教學方法主要是基本知識和原理講解后，教師進行示范傳授或在圖紙或模擬板上進行模擬演習。傳統教學法僅著眼于知識的傳授，學生學習的主動性受到了限制，嚴重影響了學生積極思維能力和創造能力的培養。為克服上述缺點，產生了一種基于案例的教學法并被不斷地摸索探究成為了國內外關于實踐教學的研究熱點。2017年，L.F.S.Minniti通過文獻回顧介紹了案例教學法和案例教學法在巴西的發展歷史，指出案例教學法是一種主動學習策略的應用，將促進批判性思維，鼓勵辯論，激發師生互動，可行性高。2014年，秦長城提出在計量經濟學課堂教學中采用小而精的案例教學法，使學生更有效的理解和掌握知識要點，從而實現教學目標[1]。但上述案例教學方法因缺乏案例場景的沉浸感，學生參與體驗不均等，受場地時間所限案例學習也不能系列化系統化，教學效果仍有進一步改進的空間。

二、基礎教學方法與技術

1.CBL教學法。案例教學，指的是指以案例為基礎通過設置特定的情境，以學習者為主體，在教師的導引下通過學習者之間對案例的相互討論交流和總結，從而切實提高學習者分析問題、解決問題能力的一種高效教學方法。案例教學一般主要包括四個階段：第一階段：案例討論的課前準備;第二階段：案例討論的開場白;第三階段：案例的課堂討論;第四階段：案例討論的總結。案例教學的優勢是：①以真實案例為切入點，啟發式教學學生參與熱情高;②以學生為主導，注重學生主體性、自主性的發揮;③鼓勵思考、交流、合作;④注重實務，強調學生分析處理能力。案例教學的局限性是：①案例的完整展開受課堂時間、所在空間有限性的約束，案例片段肢解化;②經典案例缺乏，形不成系列化、系統化，理論深度不夠;③學生參與度、接觸知識要點機會無法均等;④課程成績評定無法客觀公正。

2.虛擬仿真技術。虛擬仿真是使用虛擬現實技術來對系統進行仿真，它將虛擬現實與系統仿真結合成一個有機的整體：充分利用了虛擬現實技術的沉浸感、交互性、想象力的三大基本特性來進行真實環境的營造;利用了系統仿真技術建立相應物理系統數學模型的能力用于充分揭示系統的內在運行規律[2]。虛擬仿真教學是指利用虛擬仿真技術模擬出案例發生的真實情境，讓學生在模擬的情境下進行探究和學習。這種教學方法因其具有高效率、低成本、案例內容豐富、性能有效和安全等優勢，在教學上得到了越來越多的應用和推廣。

三、基于虛擬仿真技術的CBL教學法

將虛擬仿真技術與CBL教學法相結合提出了一種基于虛擬仿真技術的CBL教學法。本教學方法共分為以下幾個步驟：

1.課前準備。①教師確定教學目標，選取經典案例。在基于虛擬仿真技術的CBL教學法進行實踐課程教學時，圍繞教學對象，課時安排中的每一節課教師都要有明確的教學目標，并通過QQ、手機微信app在線等軟件提前告知學生本次課上要實踐的教學內容。根據教學內容，教師羅列出與此相關的所有案例，而后從真實性、示范性、簡潔性、開放性四個角度做進一步的篩選，保證選取的案例不虛構-能夠復原再現、不復雜、不具爭議性、過程清楚明了。②學生閱讀有關的理論。針對教師提前告知的既定的教學目標與內容，學生在網上或者圖書館進行查找相關文獻、閱讀相關理論，提出自己的實驗步驟方案，并列出自己的疑問。③案例的虛擬仿真制作。根據教師授課所選定的經典案例集合，分析每個案例操作中所牽涉到的廠房環境、設備型號、性能、具體操作步驟、設備在每一步地操作過程中給予的響應變化、理清設備變化背后所蘊藏的基本工作原理。到案例事發現場進行調研拍照獲取設備的紋理照片并經過photoshop軟件進行簡化處理。對于案例所涉及到的廠房環境、設備、天氣狀況使用3Dmax軟件進行1∶1的三維實體建模、紋理貼圖、燈光渲染生成。并將所建三維模型導入到虛擬現實軟件unity中，供在unity軟件所構造的虛擬視景里，使用者能在觸發虛擬設備部件時進行交互操作體驗;構建專家知識庫使軟件對使用者的每一步操作給予指導。在unity軟件中，根據課堂教學所在環境將上述虛擬仿真程序進行發布生成在個人計算機、智能手機端可運行的虛擬仿真教學exe文件。

2.案例的簡介。在課堂上，教師首先通過簡單提問來引導學生進入案例情境，該案例情境此時還是由教師口頭描述。隨后教師通過文本、影片、報紙文章等方式介紹案例內容，并告訴學生課程實驗的工作內容及計劃，此時在學生頭腦中形成了一個案例發生過程的情境框架。教師指導學生打開虛擬仿真教學軟件程序，使用鍵盤、鼠標在案例虛擬場景中進行虛擬漫游，使學生沉浸在案例所發生的虛擬情境中，對案例產生的背景、環境、設備有了直觀的視覺感受。

3.實驗案例實現步驟的討論。對學生進行分組，組內成員協作分工，通過書、網絡等途徑獲得解決實驗案例的相關信息、并于成員對各自所形成的初步解決方案進行交流和討論。老師在學生討論過程中要求只進行線索引導不對學生給出詳細的實驗技術方案步驟。

4.學生做出決策。學生經過小組討論提供了各種可能的解決方案，并總結出各種方案的優缺點，但每人心中都會有一種最優方案。

5.實驗案例的虛擬仿真實踐。每個學生操作計算機或智能手機在虛擬仿真平臺上進行虛擬仿真實驗，檢驗學生心中所提供的決策方案是否是最優方案。在學生具體的虛擬仿真操作過程中，軟件將依據專家知識庫實時針對學生的操作給予語音、文本、動畫的指導。

6.課堂總結。重申實驗案例操作重點，加強記憶;討論并進行細致的分析操作失誤的主要問題并引導學生揭示該現象背后蘊含的專業理論，加強學生理論聯系實踐、指導實際動手的能力。

四、教學法實例與分析

本教學方法應用于職業教育——電力系統實習訓練的實踐教學中。為使學生全面掌握110KV變電系統設備的操作，教師親自到上海洋山港配電系統深入調研，共完成283個變電站操作票案的選取與整理。在實踐教學上，教師簡介了實習訓練的內容并以問題的方式引導學生進入實習情境。隨后教師指導學生使用虛擬仿真軟件在110KV變電系統中進行3D場景漫游沉浸在案例所發生的虛擬場景中，見圖1。而后學生分組，在組中討論如何實踐操作任務并形成書面的解決方案。學生打開虛擬仿真軟件，對設備按照自己擬定的操作任務實現步驟利用鼠標、鍵盤或點擊觸摸屏進行仿真操作。具體操作步驟如下：

在程序界面里選取149操作票“10KV 1號電容器從開關檢修改為冷備用”案例如圖2a。

1.按下“x”鍵出現第一步操作語音提示“將10KV 1號電容器車式閘刀推至試驗位置”在此語音提示下，鼠標左擊圖2b紅筆標示處，車式閘刀被推至試驗位置。

2.出現第二步操作語音提示“放上10KV 1號電容器開關二次插頭”，鼠標左擊圖2c紅筆標示處，二次插頭合上。

3.出現第三步操作語音提示“合上10KV 1號電容器開關合閘電源開關”，鼠標左鍵點選圖2d紅筆標示處，開關合閘電源開關被合上。

4.出現第四步操作語音提示“合上10KV 1號電容器開關直流操作電源開關”，點選圖2e紅筆標示處，直流操作電源被合上，上柜門的綠燈變亮見圖2f紅筆標示處。

5.出現操作票操作成功對話框如圖2g，各種設備恢復到冷備用起始狀態，整個實習訓練案例結束。

上述交互操作過程中，虛擬仿真軟件給予的語音、flash、動畫都取自專家知識庫。100名學生上過該課，經過統計100%的學生在最后的總結過程中，每個學生都樂于談及切身的感受并做體驗小結：表示此種教學方法能夠突破時空限制使學生對系列或系統的操作任務有明確的認識;通過良好的人機交互、啟發式導引，學習者自身對操作步驟、技術要點了然于胸;學習者對任務背后的設備、系統的工作原理產生了濃厚的興趣和深刻的理解。

參考文獻

[1]秦長城.計量經濟學案例教學法及小而精案例探討[J].中國大學教學，2014（2）：45-47.

[2]趙經成.虛擬仿真訓練系統設計與實踐[M].北京：國防工業出版社，2008.