“互聯網+教育”背景下基于“Wed 3D技術+翻轉課堂”的高電壓技術課程教學模式探索

黎鵬　吳田　普子恒　李振華

摘 要 高電壓技術作為三峽大學特色專業輸電線路工程的必修課之一，是一門理論性和實踐性較強的課程，本文根據其內容及特點，提出了基于“Web 3D技術+翻轉課堂”的教學模式，并對教學方法進行了初步探索，將提升學生的自主學習能力，具有一定的推廣價值。

關鍵詞 高電壓技術 Web 3D技術 翻轉課堂 教學模式

中圖分類號：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2021.01.060

Abstract High voltage technology is one of the compulsory courses of characteristic specialty transmission line engineering in Three Gorges University， and it is a theoretical and practical course. According to its content and characteristics， the teaching mode based on "Web 3D technology + flipped classroom" is proposed in this paper. The teaching method is preliminarily explored， which will improve students' autonomous learning ability and have certain promotion value.

Keywords high voltage technology; Web 3D technology; flipped classroom; teaching mode

0 概況

2019年全國兩會將“互聯網+教育”首次寫入政府工作報告，《國家十三五規劃（2016-2020年）》中將虛擬現實技術明確列入國家大力支持的行業中，虛擬現實技術與教學的深度融合勢在必行。Web3D技術是互聯網與虛擬現實技術相結合的產物（互聯網+虛擬現實技術VR），通過建立三維虛擬世界，能更好地觀察抽象的現實世界。[1]因此， 隨著“互聯網+教育”時代的到來，Web3D技術為高等教育教學改革提供了廣闊的發展前景。[2]

自2007年美國學者Jon Bergmann和Aaron Sams提出新興教學模式翻轉課堂以來，[3]基于翻轉課堂的教學方式在國內快速興起，學生參與課程學習的熱情和積極性有所提高，該教學模式已在眾多高等院校推廣，解決了以往學生被動學習、自主學習能力不足、師生缺乏溝通、課堂效果差的局面，得到了師生的一致好評。[4]但現有教學中仍存在一些問題，翻轉課堂提高了學生參與學習的積極性，但未解決抽象知識點理解難、理論與實際缺乏聯系等問題，使得學生對相關知識點難以掌握，自主學習及課堂教學還是達不到預期。

高電壓技術作為三峽大學特色專業輸電線路工程的必修核心專業課程之一，內容多、難度大，抽象概念多，如電介質放電機理、雷電、波過程、過電壓等，學生難以理解掌握;同時，還包含了大量工程實際知識點，如高壓電氣設備結構、高壓絕緣試驗等。[5-6]這些抽象晦澀的理論及工程實際知識點，僅依靠傳統課堂講解以及課外翻轉教學效果依然有限。如能利用Web 3D技術制作三維模型VR，再結合翻轉課堂，將極大地豐富學習內容，激發學生興趣，真正實現主動學習和個性化教學。

本文針對現有教學模式存在的問題，提出了基于“Web 3D技術+翻轉課堂”的教學模式，對高電壓技術課程中的知識點進行歸類，對復雜晦澀理論及工程性強的知識點利用Web 3D技術制作三維動畫及視頻，綜合課外視頻及理論講授，實現課堂翻轉，培養大學生自主學習能力，提高教學質量。

1 Web 3D+翻轉課堂教學模式實現

本文以三峽大學輸電線路工程專業人才培養方案為基礎，以提高學生自主學習能力、激發學習興趣為目標，基于Web 3D技術和翻轉課堂，構建高電壓技術課程混合式教學模式。總體實施框圖如圖1，具體實施方案如下：

（1）構建整體框架。高電壓技術課程內容主要包括放電理論、高壓試驗、電力系統過電壓及防護、絕緣配合等，具有較強的理論性和實踐性。根據教學大綱、教學目標，結合以往教學經驗及考核方式，并通過對學生人群及企業調研，綜合反饋意見，對課程內容安排進行分析，確定課堂講授內容、翻轉教學內容及3D虛擬場景內容，構建整體教學框架及實施流程，形成新的教學實施方案。

（2）課外教學設計。根據高電壓技術課程知識點的特點，選取合理知識點構建翻轉課堂教學微視頻，并對重難點知識制作3D虛擬場景動畫;如針對放電理論部分，可制作電介質放電/擊穿過程的3D視頻和動畫;針對復雜電力設備，如變壓器、斷路器等，可利用Web 3D技術構建三維立體模型，通過旋轉、放大等操作清晰地顯示各部分的結構;對于高壓絕緣試驗部分，可根據實際高壓實驗室布局及設備結構，構建真實三維虛擬場景，讓學生產生身臨其境的效果，真正實現理論與實際相結合的目標。通過理論教學視頻、3D虛擬場景展示，并輔以詳細的語音講解，將大大地提高學生的自主學習效率，提升學習理解能力，激發想象力。同時，可基于雨課堂和SPOC等網絡空間構建知識點3D展示和微視頻播放綜合平臺，形式開放包容;將視頻資源通過云盤空間或SPOC網絡空間共享，通過雨課堂向學生推送PPT、視頻鏈接等方式開展課下學習，讓學生及時觀看教學視頻和3D虛擬動畫，并配套互動測評，反饋學生自主學習情況。使教師可以有效地管理課程，并加強與學生的互動，有效監控學生的學習進度和效果。

（3）課堂教學設計。課堂教學主要分為兩個方面：①對學生課外自主學習情況進行匯總分析，結合3D虛擬動畫，對部分重難點知識進行針對性講解，幫助學生加深理解;②構建多元化的交流討論交流環節，通過師生交流、小組討論、成果展示等方式，實踐“微視頻—虛擬現實場景—師生互動交流—總結反饋”的教學模式，如讓學生參與3D虛擬場景制作，并進行現場演示，分享學習心得，提高課堂中學生的參與度，引導學生發現問題、解決問題，激發學習興趣。

（4）教學評價機制。教學評價是教學模式的關鍵環節，其好壞直接決定了教學模式是否可行。而現有評價模式仍以“卷面考試+平時成績”的評價方式為主，應形成“課前學習+課堂討論+學習平臺交流+理論考試”的多元化評價機制;同時，形成師生互評的評價體系，在整個教學過程中實現動態評價，老師依據評價結果不斷反思和調整教學思路，學生不斷優化學習方式，提高學習效率;充分調動學生和老師的積極性，形成教和學相互促進的良好局面。[7]

2 Web 3D+翻轉課堂教學案例分析

2.1 抽象理論案例

高電壓技術課程涉及較多抽象理論，以氣體放電理論部分為例來論述針對抽象理論的教學實施方法。氣體放電理論包括：湯森德放電理論、流注放電理論、先導理論等;這些理論不論是課外自主學習還是課堂講授，從反饋情況來看，大部分學生未真正理解和掌握，原因在于放電過程極為抽象復雜。傳統的教學視頻仍停留在概念講解方面，圖片也以靜態為主，不夠生動形象，導致課外學習效果不佳，達不到翻轉課堂期望的目標。根據本文提出的教學模式，可做如下改進：

（1）在課外學習視頻中，增加放電過程動畫，如圖2所示。將放電理論講解與視頻動畫結合起來，通過視頻及圖片，對電子崩、電暈起始、流注放電（正流注和負流注）等理論進行介紹，讓學生在課外學習過程對氣體放電的宏觀過程有所認識，加深對相關理論知識點的理解;同時可設置相關問題引導學生去思考，比如放電為什么會出現分支？放電為什么不是均勻連續發展？等。

（2）利用Web 3D技術制作三維動畫，從微觀層面解釋氣體放電現象。在了解氣體放電基本理論后，利用Web 3D技術構建三維立體彩色模型，從電子和離子產生、運動形成電子崩開始，到空間電離、光電離形成流注，以及長間隙熱電離形成先導通道等過程，生動形象地描述氣體間隙放電理論。學生可從微觀層面（電子、離子運動等）清晰地看出各放電理論之間的差異，使抽象的理論立體、直觀、多維度呈現。同時，可將微觀三維模型與宏觀放電動畫進行深度結合，引導學生對相關放電現象從微觀層面進行解釋，激發學生的學習熱情，增強創新能力。

2.2 工程實際案例

高電壓技術課程具有較強的工程實踐性，下面以高壓絕緣試驗為例，來論述針對工程實際的教學實施方法。高壓絕緣試驗涉及高壓電氣設備（調壓器、試驗變壓器、分壓器等）、高壓產生原理、高壓測量以及試驗接線等過程;雖然針對高壓絕緣試驗部分既有理論講解，也有現場試驗操作，但學習效果一般，主要原因在于：（1）學生對高壓電氣設備結構缺乏認識，特別是內部結構，幾乎僅靠圖片了解，導致對變壓器等復雜電氣設備工作原理及應注意的問題無法真正理解;（2）高壓實驗室現場開設的一些實驗課，雖然能一定程度上彌補理論教學的不足，但學生僅能對設備的外觀進行觀察，仍無法觀測內部結構;同時，出于安全問題考慮和實驗室容量有限，許多高壓試驗（如工頻、沖擊耐壓試驗等）學生只能遠距離觀看，并不能動手操作（如試驗接線、測量等），對試驗流程、具體操作步驟、注意事項、試驗現象等停留在表象認識，并未真正理解，導致理論與實踐仍存在脫節情況，達不到預期目標。為此，可進行如下改進：

根據高壓實驗室設備及布局，利用Web 3D技術制作電氣設備真型三維模型及實驗室虛擬現實場景。3D模型可對設備的內部結構進行細致呈現，如變壓器的鐵心結構、繞組纏繞方式、高低壓繞組排列等，學生可通過局部放大、旋轉等方式，對設備內部結構有清晰的認識，加深對相關理論的理解。同時，虛擬現實場景可讓學生有置身于實際實驗室的感受，達到身臨其境的效果，既有很強的交互性，也有沉浸感和趣味性。[4]學生可在虛擬現實場景中開展試驗操作，如接線、電壓調整、電壓測量等，還可對各類試驗現象進行觀測，并對錯誤操作引發的后果及原因進行說明和展示，彌補現有試驗教學的不足，激發學生對高電壓工程實踐的興趣。

3 結語

本文針對傳統教學視頻、圖片和動畫不能完全滿足高電壓技術課程教學需要的問題，基于“Web3D技術+翻轉課堂”構建新的教學模式。通過將現有翻轉課堂教學模式與3D虛擬現實場景相結合，使抽象理論與工程實際知識點立體化、直觀化和形象化，提升學生對抽象知識的理解能力，激發學習興趣，完美解決教學與實踐脫節、部分內容抽象難以理解等難題。該教學模式將為其他電氣工程專業課程提供改革方向，但其有效性有待進一步驗證，同時也對教師的專業技能提出了新的要求。

參考文獻

[1] 徐翰鵬，吳金成，張海麗，等.Web 3D技術在護理解剖學翻轉課堂教學中的應用探討[J].解剖學研究，2017.，39（06）：491-493.

[2] 邸志宏.Web 3D技術在高職院校教學中的應用[J].咸寧學院學報，2011，31（08）：174-175.

[3] 楊斌，王以寧，任建四，等.美國大學IPSP課程混合式翻轉課堂分析與啟示[J].中國電化教育，2015，（02）：118-122，128.

[4] 賈敏，張曉輝，付鋒，等.虛擬實驗聯合翻轉課堂教學模式在生理學實驗教學中的應用[J].心臟雜志，2020，32（04）：449-453.

[5] 邱巍.如何增強《高電壓技術》課程教學實效性[J].江西建材，2015，（21）：219，225.

[6] 黃萍，梁小冰，韓昆侖.多媒體技術在《高電壓技術》課程教學中的應用[J].中國電力教育，2008，（07）：66-67.

[7] 普子恒，張宇嬌，方春華，等.基于混合式翻轉課堂的電力電纜課程教學模式探索[J].教育教學論壇，2017，（29）：144-145.