“互聯網+虛擬仿真”的新工科實驗教學模式研究

馬明舟

關鍵詞：新工科;互聯網+虛擬仿真;實驗教學模式;主動式學習

1緒論

新工科是為了適應新一輪的科技革命，立足國家戰略發展需求以及國際競爭新形勢，提出的一種工程類的新的教育改革方向，因此新工科的內涵包括了兩個層面：一個面是在新技術發展和融合的背景下產生的新工科型專業，另一面是在新技術的推動下實現傳統專業的升級和改造。

在新工科發展的大背景下，實現應用型高級技術人才培養的重要突破，就是要擺脫匱乏的實驗教學資源和落后的教學方法、手段對人才培養的束縛，推進信息技術與教育教學的深度融合，創新教育教學方法，形成符合新工科人才培養需求的教學模式。

2實驗教學過程中的現存問題

對于高校實驗教學而言，新工科教學需求與傳統的教育資源和教學模式的矛盾日益突出。根源在于隨著信息化技術的發展，技術細分導致新型實驗的過程更加系統和復雜，存在不確定性因素，甚至有多種實驗結果并存，而實驗所用的設備和軟件系統也在不斷推陳出新，一些與生產實際聯系緊密的實驗課程對場地環境要求嚴苛，存在一定的安全風險。而高校所能投入的資源總量是有限的。因此，當前高校在大力發展新工科實驗教學的過程中，面臨著如下幾個棘手的問題：

一是，在高校的實驗教學環節中，設備、軟件的數量和更新頻率無法及時跟進行業技術的快速發展，實驗環境無法滿足要求，限制了傳統實驗教學模式的作用。

二是，在傳統實驗教學模式中，面對新實驗中復雜、開放的實驗環節和內容時，學生的主動性不足，缺乏探索能力。

三是，傳統實驗教學模式中對學生能力的評價和管理，更側重于實驗完成結果的質量，因師資投入等原因，無法對學生實驗完成的成績做全面、準確的評價。

四是，傳統實驗教學模式中指導教師不僅要承擔教學組織工作，還要在實驗過程中進行指導和答疑，同時要解決實驗中出現的各種復雜問題，并要對學生進行管理和評測，教學壓力巨大。

五是，傳統實驗教學方法的時間和場地固定，不利于學生開展復習和鞏固。

3“互聯網+虛擬仿真”的實驗教學模式

“互聯網+虛擬仿真”的教學模式是利用新的網絡技術，建立互聯網學習模式，實現了仿真軟件資源在網絡端的應用。用戶以網絡游戲的模式登錄校園網訪問教學仿真軟件，隨時隨地進行在線學習，系統多數采用了B/S模式的Web應用，特別適用于動手能力訓練的教學活動中。互聯網+虛擬仿真教學模式在實驗教學、實習實訓、課程設計等環節中，能夠滿足學生動手操作的需求。其優勢在于教師可以基于該系統組織教學活動，學生可隨時隨地上網進行仿真操作訓練，學生進行虛擬仿真實驗實訓的成績可在系統中跟蹤、統計、匯總。

以虛擬仿真技術為主實現對新工科專業及傳統專業新工科改造過程中實驗課程體系里無法在現實環境中實現的實驗教學內容進行仿真模擬，并依托互聯網教育平臺搭建可多終端使用的在線虛擬仿真實驗教學系統，引入主動式學習的思想，并與線下理論課程相融合，構建混合式學習、動態式跟蹤、智能化評價、數字化管理的新型教學模式，解決傳統教學模式的弊端和不足。

4“互聯網+虛擬仿真”的實驗教學實施策略

4.1對新工科實驗教學的特點進行全面的研究分析

采用總結歸納法，全面分析新工科專業和傳統專業新工科升級過程中產生的實驗教學課程，掌握其教學內容、教學資源、教學手段和方法;再通過查閱文獻資料和調查訪問等形式，對國內外現有優秀的互聯網虛擬仿真實驗教學課程的系統建設和教學模式進行調研和借鑒，整理出有價值的資料和數據，為研究提供可借鑒的經驗;在分析歸納和調查研究的基礎上，通過邏輯推演法對“互聯網+虛擬仿真”實驗教學系統進行總體方案的設計，形成“互聯網+虛擬仿真”實驗教學模式的基本架構，提出研究的技術問題和重點、難點;通過調查問卷、走訪調查等形式征求新工科教育領域中專家和學者的意見和建議，改進設計方案、調整研究問題、假設目標和研究思路。

4.2“互聯網+虛擬仿真”實驗教學系統的設計與研發

以情景假設法為主，按照實驗教學的需求，首先運用互聯網開發、虛擬現實、數據挖掘、大數據分析等信息技術構建“互聯網+虛擬仿真”實驗教學系統，主要解決的問題包括：

（1）網絡平臺運行環境的搭建;

（2）虛擬仿真實驗課程校本設計與開發;

（3）仿真實驗教學所需的模型庫和案例庫的開發;

（4）虛擬場景庫的開發;

（5）教學輔助資源數據庫的開發;

（6）實驗管理和成績測評系統的開發。

在通過內部測試以后，將“互聯網+虛擬仿真”實驗教學系統植入到新工科課程中，建立線下理論教學+線上虛擬仿真訓練相結合的混合式教學體系，并對理論教學與虛擬仿真實驗教學之間的有效銜接性進行改進和優化。

4.3運用對比分析法改進“互聯網+虛擬仿真”實驗教學模式

在測試改進階段，選取測試學生對象，分別以“互聯網+虛擬仿真”實驗教學模式與傳統的實驗教學模式進行獨立測試，通過行為觀察、調查問卷、測試評估等方法，對兩組實驗結果進行對比和評價，科學評估“互聯網+虛擬仿真”實驗教學模式的有效性，對實驗偏差進行分析，提出系統建設方案中的問題和不足，進而從在線教學資源、系統開發技術和教學方法手段等方面對教學模式進行改進和更新。

5“互聯網+虛擬仿真”的實驗教學模式的關鍵因素

5.1加強組織和領導建設

學校層面成立專門的教學研究部，對新工科教育發展、專業建設和課程改革工作進行全面的規劃和管理，由主管教學工作的領導擔任主官。分院領導組織各分院層面的新工科研究與改革項目小組，為各專業新工科建設提供指導。在學院內部和外部組建跨學科、跨專業的團隊，集中優秀的師資力量組建專項研究小組，針對新工科教育中出現的各種困難進行研究與探索。與項目相配套的課程建設保障工作需要指定相關職能部門專人專項負責。

5.2建立制度規范

學校應通過制定信息化課程建設的實施方案、教學改革規劃等指導性文件，為“互聯網+虛擬仿真”課程建設發展提供制度保障。與此同時，在年度教育教學改革項目中，將新工科專業課程建設納入教育教學進行項目中，列入課題指南中。

5.3保障建設經費

學院對“互聯網+虛擬仿真”課程教學改革設置專項經費，符合校級課程改革的項目準予啟動經費;獲得省級或國家級課程改革項目，可再獲得專項經費，通過驗收合格予以獎勵經費。

項目建設經費可按建設年度逐年發放，獎勵資金一次性發放。建設經費主要用于項目調研、軟硬件設備、教學資源、教學文件等建設，以及改革課程的建設、后期維護及更新，對學院建設起到重大作用情況下，可對課程改革項目課追加獎勵和建設資金。

5.4組建跨學科課程建設團隊

教師是推動課程建設的主導者，“互聯網+虛擬仿真”實驗仿真教學模式的研究需要從課程背景、技術路線、實施分析、總結思考等多個層面展開，采用的不是現有的成熟平臺和方法。特別是“互聯網+虛擬仿真”實驗教學系統的開發，需要具備專業知識背景的任課教師，具備互聯網技術和虛擬仿真技術的計算機教師，以及多媒體藝術設計、數字媒體技術等專業教師共同參與。因此，建立跨專業的課程建設團隊，是“互聯網+虛擬仿真”實驗教學改革能否取得成功最為關鍵的因素。

6總結

通過本文的研究，不僅要使“互聯網+虛擬仿真”的教育技術手段能夠在某一個新工科專業的相關實驗中得到推廣，同時也要實現一定程度上的普遍性，能夠為具有相同需求的專業參照項目研究的問題和過程，結合專業自身的特點，尋求教學方法與信息技術的深度融合。