“項目導入式”在線虛擬仿真實驗教學的研究與實踐

李娟 孫濤 李宏博 馬英瑞 許有軍

摘要：利用現(xiàn)代化教學手段全程在線開展實驗教學，對實踐類課程是史無前例的挑戰(zhàn)。以工程應用為背景，開展“項目導入式”在線虛擬仿真教學，踐行OBE教育理念，將項目貫穿于教學過程始終，優(yōu)化重組教學內(nèi)容，從教學模式、教學設計、考核評價三個方面在教學實踐中實施，實現(xiàn)了“以教為主”到學生“以學為主”的轉(zhuǎn)變。實踐證明，學生的實踐操作、應用技能和創(chuàng)新能力得到提高，激發(fā)學生學習積極性成效顯著。

關鍵詞： 項目導入式;虛擬仿真實驗;OBE理念;主動學習

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）09-0169-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research and Practice of Online Virtual Simulation Experimental Teaching in the Form of Project Leading

LI Juan， SUN Tao， LI Hong-bo， MA Ying-rui， XU You-jun

（College of Computer Science and Information Technology， Daqing Normal University， Daqing 163712， China）

Abstract： Utilizing modern teaching methods to carry out experimental teaching online throughout the entire process is an unprecedented challenge to practical courses. With engineering application as the background， carry out "project-Leading" online virtual simulation teaching， practice the OBE education concept， integrate projects throughout the teaching process， optimize and reorganize teaching content， and teach in three aspects： teaching mode， teaching design， and assessment Implementation in practice has realized the transition from "teaching-oriented" to "learning-oriented" of students. Practice has proved that students' practical operation， application skills and innovation ability have been improved， and the effect of stimulating students' learning enthusiasm is remarkable.

Key words： Project Leading; Virtual Simulation Experiment; OBE Concept; Active Learning

1 引言

傳統(tǒng)的實踐課堂教學過程是“先教后練”，一般按照“預習-授課講解-實操練習-總結(jié)報告-教師評分”五大環(huán)節(jié)組織教學，這種教學的優(yōu)點是知識體系具有系統(tǒng)性和完整性，缺點是學生實際操作時能力很弱，這種“填鴨式”學習方式，學生不能清晰地理順理論知識點和實際應用之間的聯(lián)系，就如同小朋友剛學認字一樣，只識字不讀完整的篇章，是不能夠在語言環(huán)境中深入理解語言的正確表達的。利用現(xiàn)代化教學手段改進實踐類課程的教學，引入“項目導入式”的教學設計開展“混合式”在線實驗教學，在教學過程中采用“先學后教”的教學方式，創(chuàng)設實際應用場景，讓學生通過觀看在線教學視頻先看到項目功能演示，回溯知識點并完善知識體系，在通過在線直播課程進行項目式訓練，使學生到達知識要求和能力要求，掌握基本操作的步驟和要領，并完善過程性考核標準，使學生從應用性的項目中學習，有針對性地在工程訓練中獲得實踐能力的提升。學生課前均能認真主動預習教學視頻，這種“項目導入”教學模式使學生變“被動學習”為“主動學習”教學互動靈活，教學效果明顯提高。

2 “項目導入式”在線虛擬仿真實驗的教學模式

2.1 教師活動

教師的課前活動流程如圖1所示。

教師的課中活動流程如圖2所示。

2.2學生活動

學生的課前活動流程如圖3所示。

學生的課中活動流程如圖4所示。

課前準備項目式教學視頻，教學內(nèi)容是按照課程知識體系設計針對性的項目案例，采用“項目導入式”方式講授知識點，需要學生實操練習的部分用釘釘課堂直播方式補充，做好知識銜接，課后在QQ課程群中做實時在線答疑。實驗驗收通過釘釘會議直播形式驗收實驗成果，要求學生錄制虛擬仿真實驗作品的演示視頻，以視頻形式提交作業(yè)，學生主動完成并展示成果。學生普遍感到實驗有趣，當展示出自己獨立完成的一個個實驗作品時，都非常有成就感。

3 在線虛擬仿真教學活動組織實施

3.1教學總目標

以《單片機原理及接口技術(shù)》在線虛擬仿真實驗教學設計為例，本課程是計算機科學與技術(shù)等計算機類專業(yè)的重要專業(yè)課程，并廣泛地開設在自動化控制、電子信息工程、工業(yè)機器人技術(shù)、應用電子技術(shù)、嵌入式技術(shù)與應用等專業(yè)群內(nèi)的專業(yè)中。課程總目標是通過學習MCS-51單片機的結(jié)構(gòu)及外圍接口電路，掌握51單片機匯編指令功能和編程方法，利用Proteus虛擬仿真平臺開展在線仿真實驗，將理論與工程實踐相結(jié)合，以工程應用為背景，優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，采用項目驅(qū)動方式開展教學，使學生具有單片機系統(tǒng)編程和設計的知識與技能，為大力開展學生科技創(chuàng)新活動打基礎，未來對從事軟件開發(fā)工程師、硬件開發(fā)工程師和設計師等崗位做知識和技能的儲備。

3.2項目導入與教學單元鏈接體系設計

《單片機原理與接口技術(shù)》課程創(chuàng)新性提出，以工程應用項目為背景，借鑒SPOC教育“短課、互動、分享”的特點，實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂，實施“一課多樣”的教學方法，變灌輸式教學為項目問題式、啟發(fā)式、線上互動式等教學方法。創(chuàng)設應用場景，建立仿真實驗環(huán)境，學生通過Proteus仿真軟件完成作品的設計和開發(fā)，此種方法只需要學生自備一臺筆記本電腦，在教師指導下完成虛擬仿真環(huán)境的準備，無其他硬件實驗環(huán)境的要求，方便課堂翻轉(zhuǎn)，學生自學并完成實操練習，教師在課后組織驗收。通過“項目驅(qū)動”方式學習，注重理論聯(lián)系實際，實驗實訓項目與理論教學相結(jié)合。本課程選取適合教學的十個典型項目導入案例，進行項目案例與知識模塊對接，通過項目導入理論知識點，知識鏈接體系設計如下表1所示。

學時有限的情況下完成十個項目實驗任務量過大，所以實際教學中，僅將標有“*”的項目布置給學生課堂上完成在線仿真實驗，將標有“**”的項目作為綜合性在線仿真實驗項目，其他項目的知識模塊的理論內(nèi)容是必修內(nèi)容，實驗實操部分作為學生課外拓展訓練項目，不做必修實驗的要求。

4 完善實驗教學考核體系

開展在線“混合式”虛擬仿真實驗教學的過程中，能培養(yǎng)學生達到知識目標和技能目標，為避免通過一張考卷來評價學生，突出學生能力素質(zhì)的培養(yǎng)，改變傳統(tǒng)考試考核方式為過程性考核為主，考核評價方式采用階段性評價、過程評價和終結(jié)性評價相結(jié)合的方式。學習任務分而治之，將學習任務的考核劃分在不同學習的階段，通過對學生的實驗作品完成考核，將注重考查學生的綜合能力和素質(zhì)。采用綜合性成績評定方式和多樣化的考試方式，多階段、多類別、多種成績評定方式;推行考、練結(jié)合，改變了傳統(tǒng)考核方式，將過程性考核貫穿于整個教學過程，以考核學生綜合能力。

本課程的學習環(huán)節(jié)包含：觀看課程教學視頻、完成單元測試和作業(yè)、參與課程討論、完成項目設計并參加期末考試。總成績由三部分構(gòu)成：

（1）單元測驗、討論和作業(yè)，占課程成績的30%。

（2）基礎實驗和項目綜合設計，占課程成績的20%。

（3）課程期末階段，學生參加課程的終結(jié)性考試，占課程成績的50%。

5 網(wǎng)絡資源建設和存在的問題

5.1 加強課程建設，優(yōu)化課程資源

網(wǎng)絡學習資源建設，充分利用校內(nèi)外的網(wǎng)絡學習資源，充分利用超星學習通網(wǎng)絡平臺，在答疑討論、課程問卷、知識單元專項測試、課程作業(yè)及研究性教學等方面充分發(fā)揮平臺的作用。利用學習通云盤等免費網(wǎng)絡資源上傳/下載大文件。在學習通網(wǎng)絡平臺上，提供課程的教學大綱、教材電子版、教學視頻、PPT課件、教案、教學設計、隨堂練習、章節(jié)測試、實驗驗收任務點、作業(yè)任務點、項目綜合設計任務點等資源;共享本課程優(yōu)質(zhì)資源鏈接;提供本課程的答疑討論;提供本課程最新的思想觀點、技術(shù)及方法，最新的企業(yè)需求及就業(yè)信息;展示往屆學生優(yōu)秀虛擬仿真作品;提供在線測試;提供學生評價考核標準等。

自編教材是以虛擬仿真項目案例為教學主線，強化應用能力訓練;每周提前發(fā)布本周學習通知，布置學習任務，提供應知應會、重點難點知識點專項章節(jié)練習;實驗驗收任務點，讓學生上傳實驗成果展示視頻;作業(yè)任務點，上傳實驗報告;討論區(qū)對重點難點的知識點問題剖析和討論;項目綜合設計任務點，在學生完成后做視頻成果展示;期末大綜合試卷用于在線考試，具有知識覆蓋面廣，題型豐富、題量大的特點，客觀題和主觀題各占50%。

選擇適當?shù)卦诰€教學組織方式，開展全新的教學設計，通過師生在線教學互動和加強實驗教學在線驗收和細化考核體系，實現(xiàn)了教師“以教為主”到學生“以學為主”的轉(zhuǎn)變。實踐證明，這種教學模式有效地激發(fā)學生學習興趣，引導學生探究，透過項目實驗現(xiàn)象，引導學生思考和分析并解決問題;將知識點巧妙的鏈接在一起，進而再剖析知識點，進行系統(tǒng)講解，最后將知識點放在實際的項目環(huán)境中，讓學生能夠舉一反三加深理解和熟練運用。

5.2在線課程存在的現(xiàn)實問題

全程在線開展虛擬仿真教學也存在很多現(xiàn)實問題，比如少數(shù)學生沒有電腦，無法真正完成實操練習只能用手寫學習筆記的方式替代;學生感覺任務點多，學習壓力大;教師批改作業(yè)量大，工作任務繁重;學生實操過程遇到的問題多，老師通過一對一的答疑效率低，共性問題分享到討論區(qū)，但是學生不能實時瀏覽率不能及時得到問題反饋;實操練習打卡依然不能有效監(jiān)督學生實操練習的過程等等。通過不斷努力和持續(xù)改進，在教學實踐中，以期達到一個更理想的教學效果。

6 結(jié)論

結(jié)合CDIO工程教育理念，優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，搭建虛擬實驗平臺，將理論與工程實踐相結(jié)合，以“項目驅(qū)動”為載體，這種在線虛擬仿真實驗教學是全方位、立體化培養(yǎng)模式的創(chuàng)新和實踐，符合高校應用型人才的培養(yǎng)要求。

參考文獻：

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【通聯(lián)編輯：王力】