基于OBE 理論面向能源動力專業的虛擬仿真實驗教學體系的探索

黃蓉 唐守強 趙倩 湯正成

（江蘇大學京江學院，江蘇 鎮江 212000）

一、研究背景與意義

OBE（Outcome based education，OBE）教育理念，又稱為成果導向教育，是一種以成果為目標導向，以學生為中心，采用逆向思維的方式進行的課程體系的建設理念。作為一種先進的教育理念，OBE 是以預期學習產出為中心、以畢業生的預期培養目標為導向，注重教學體系的改進、優化相應教學模式，確保學生符合培養目標。在新時代，新形勢下，OBE 教育理念在國內外各個高校中已普遍得到重視，受到越來越多的教育工作者的青睞[1][2]。

基于能源與動力工程專業，考慮到專業實驗項目價格昂貴，造價高，所占用體積龐大，實驗安全系數低等因素，專業實驗項目內容較少，能源動力專業難以全面廣泛地開展大型專業綜合實驗項目，學生缺少必要的訓練，無法對能源系統、大型動力裝置形成系統的、全面的認識[3]，這與培養以產業需求為導向的畢業學生難適應。

針對上述問題，本文先通過資料查找、文獻檢索等方式獲取了相關資料和信息，研究分析如今國內外高校虛擬仿真實驗教學的現狀和特點，探尋虛擬仿真實驗教學體系的改革動向和趨勢，提出基于OBE 理論的虛擬仿真實驗教學體系的新模式，為開展江蘇大學京江學院能源動力專業的虛擬仿真實驗教學模式奠定基礎，培養適應產業發展的合格工程人才。

二、國內外虛擬仿真實驗教學的發展現狀

（一）國外虛擬仿真實驗教學的發展現狀

國外高校對虛擬仿真技術的研究起步較早，應用較為廣泛。美國新媒體聯盟(NMC,New Media Consortium)發布的《國際教育信息化地平線報告》一度引領了國際教育信息化建設與發展的風向，報告中提出，虛擬仿真教學將在今后國內外教育界改革傳統教學、人才質量提升等方面扮演重要角色，將成為現代教育的領頭羊，由此虛擬仿真教學收到國內外教育界的廣泛關注。[4]

英國開放大學實驗室通過網絡、虛擬現實等技術開發了虛擬儀器共享平臺，滿足在線實現所有實驗室功能，學生通過下載虛擬儀器軟件即可進行在線實驗，或借助遙控儀器進行遠程控制實驗。2006 年，英國開放大學還構建了一個與課堂平行的三維虛擬環境，使師生有身臨其境的感覺，可完成學習任務，參加集體活動等，教師可以通過虛擬世界與異地學生進行“面對面”的交流和輔導[5]。

澳大利亞雷德蘭茲大學早已利用平板電腦取代了傳統的實驗儀器，包括視頻設備進行野外實踐教學，拍攝高分辨率的地形圖片資料，收集和分享巖石數據，快速獲取參考資料并對收集的數據進行記錄和分析[5]。

美國耶魯大學利用平板電腦進行分子生物學、細胞生物學等實驗課程，通過移動應用程序學生可分享到從中心實驗室數字顯微鏡中獲取的數據和圖像資源[6]。

美國科羅拉多大學在學校內進行了PhET 交互式虛擬仿真實驗，讓學生在虛擬仿真環境中，自主實驗、啟迪創新思維，從而驗證實驗方案和技術構想[5]。

加拿大大學通過開設虛擬仿真教學實驗室，同時配備3D 掃描儀和打印機等高科技設備，體現了“虛實結合、能實不虛”的教育體系[5]。

通過調查國外高校虛擬仿真實驗體系的應用可知，運用電子信息技術開展虛擬仿真實驗平臺，極大地滿足了現代化時代高等教育開放辦學、資源共享的變革要求，為實現學生自主性學習和創新實踐提供了有利資源，為培養自主性、創新型人才提供了有利渠道。

（二）國內虛擬仿真實驗教學的發展現狀

與國外相比，我國的虛擬仿真技術起步比較晚。自2013 年起，教育部已開展國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設工作，在2013-2015 年期間，前后共建設了300 個國家級虛擬仿真實驗教學中心，分別分布在26 個省市自治區，其中理工類211 個，農林醫藥類53 個，人文社科類36 個[6]。

中國農業大學成立了機械與農業工程虛擬仿真實驗教學中心，以“虛實結合、相互補充”為原則，創新性地提出了一套虛擬仿真實驗教學體系，即“三平臺、九模塊”[7]。

山東農業大學國家級農業機械化及其自動化虛擬仿真實驗教學中心建立了“現代農場虛擬仿真實驗教學系統”等四個虛擬仿真教學模塊。其中2018 年的“家禽病毒性傳染病疫苗的生產應用虛擬仿真實驗”入選當年國家虛擬仿真實驗教學項目，呈現了較好的應用前景[8]。

哈爾濱工程大學動力與能源工程學院在2014 年開發出船舶動力專業虛擬仿真實驗教學平臺，以“頂層設計、虛實結合、開放創新”為教學理念，并成功獲批國家級虛擬仿真實驗教學中心[3]。

西安交通大學能源與動力工程學院開發了液態壓縮空氣儲能系統虛擬仿真實驗平臺，提升了實驗教學的吸引力、推動了該領域的專業技術人才培養工作，使得仿真實驗教學具備了深刻的應用意義。

三、基于OBE 理念虛擬仿真實驗教學模式的建設目標

他山之石，可以攻玉。我校能源動力專業實驗課程依舊采用的是傳統模式，為以成果為導向，提高創新型人才培養的質量，在OBE 教育理念的背景下，開始探索能源動力類實驗仿真教學的新道路。

傳統的實驗教學模式是以教師教學為主體，學生在教師的推動下接受知識，很顯然，這已經明顯不滿足現代化高教教育理念的方針。OBE 教育理念倡導學生作為教學活動的主體，以成果導向教育為目標，在新形勢下，以能源動力專業為例，探索提出了基于OBE 理念虛擬仿真實驗教學模式（如圖1 所示）。

圖1 基于OBE 理念虛擬仿真實驗教學模式

在實驗仿真教學之前，首先確定預期的學習成果即設立培養目標。根據預期的培養目標和人才培養的教學方案，分為兩部分展開：虛擬仿真實驗課程的自主性和虛擬仿真實驗課程的創新性。

第一部分，教學活動不再是以老師教為主體，而是以學生自主學習為主體，在課堂前10 分鐘，借助視頻讓學生回顧已學的基礎知識，為本節課程內容做鋪墊；熟悉本節實驗教學的內容、目的。以傳熱學平板的導熱系數測定實驗為例，可先通過視頻回顧下什么是熱傳導，導熱系數具有哪些特性，為后續實驗步驟埋下伏筆。然后進入課堂的中心環節，聽從教師或視頻的語音講解，介紹實驗仿真教學平臺的操作步驟、注意事項等方面，學生自主性進行實驗，對于虛擬實驗中遇到的問題，可以選擇向老師提問或與同學交流，觀察實驗結果是否達到預期的目的，分析相關現象并學會解釋其中的原理。實驗結束后，進行課后反思，舉一反三，能否開展同類型的其他的材料的實驗，更深入的探究實驗項目，探索其中的奧秘。第二部分，虛擬仿真實驗平臺的創新性，如何將學生在書本所接觸的實際環境，工作條件在傳統實驗中展現出來是一大難點，只憑借書本的圖片，視頻難以發現其中的樂趣，于是，可借助虛擬實驗達到“身臨其境”的效果，將我們在工程上所聽到過的、難以實現的場景通過虛擬平臺呈現出來。我們可以舉個流體力學的例子，我們可以借助FLUENT 模擬軟件仿真模擬出圓柱繞流現象，通過自己動手實際操作，得到這樣一個三維動態結果。借助CFD 軟件，學生可以分析每一個工程實際問題，提高學生解決實際問題的能力。該課程建設體現了以學生為中心，靈活式的培養專業型人才。最后，這一新型模式的提出，離不開后期教學質量體系的監督，通過網絡平臺，實時監控課堂過程中產生的課堂信息，及時反饋學生的學習情況，不僅僅是監測學生學習過程中所產生的問題，也是對教師教學質量效果的評價，學生可借助網絡平臺，及時反饋學習效果，對存在的問題可提出自己的修改意見，從而教師可更好地建立優秀的教學環節，樹立良好的教學氛圍。

實驗仿真教學平臺的建立豐富了實驗項目的內容，通過共享平臺學生可自主性的，開放性的開展虛擬平臺所能開展的實驗；但是虛擬仿真實驗平臺也存在幾個問題：1.虛擬仿真實驗平臺雖不存在傳統實驗的危險性、不可控性，但也有可能削弱、淡化學生對工程中相關注意事項的警惕度，這也要求教師應不斷改良、優化自己的教學設計；2.虛擬仿真實驗平臺包含大量創新型、專業型項目，這也要求專業化的教師隊伍需不斷擴大；3.虛擬仿真實驗平臺的教學質量效果需真實經歷才能發現其中的問題，對此，后續本文將開展學生的虛擬仿真實驗教學真實體驗，觀察教學過程中所存在的問題，為更好地建設基于OBE 理論面向能源動力專業的虛擬仿真實驗教學體系奠定基礎。

結語

OBE 教育理念以成果導向為教育目標，基于OBE 教育理念，更能培養出適合這個社會，這個專業更優秀的人才。縱觀國內外實驗仿真教學的發展，實驗仿真教學體系已成為大勢所趨，在OBE 教育理念的背景下，如何借助虛擬仿真實驗教學平臺，優化我們的教學模式，以預期培養目標為導向，培養出更專業型的人才是我們奮斗的目標。