線上線下混合應(yīng)用的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

羅怡 丁雪萍 王新鑫 李春天

[摘 要] 針對(duì)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)在教學(xué)模式、學(xué)習(xí)形式、考核方式等方面存在的問(wèn)題，提出基于SPOC教學(xué)模式，將SPOC在線教學(xué)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度結(jié)合，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室實(shí)體實(shí)驗(yàn)深度融合，通過(guò)課前、課中和課后三個(gè)階段的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)，形成應(yīng)用于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的線上線下混合式教學(xué)新模式，致力于充分調(diào)動(dòng)和培養(yǎng)學(xué)生自主實(shí)踐創(chuàng)新能力，構(gòu)建思路清晰、形式新穎的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)的開(kāi)放性，切實(shí)提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞] 虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué);混合式教學(xué);SPOC

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-9324（2022）10-0153-04 [收稿日期] 2021-03-20

教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》中指出：教育信息化發(fā)展要以教育理念創(chuàng)新為先導(dǎo)，以優(yōu)質(zhì)教育資源和信息化學(xué)習(xí)環(huán)境建設(shè)為基礎(chǔ)，以學(xué)習(xí)方式和教育模式創(chuàng)新為核心，提出信息技術(shù)應(yīng)與教育全面“深度融合”的全新理念[1]。自2013年教育部啟動(dòng)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作以來(lái)，營(yíng)造虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和平臺(tái)已成為信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要舉措[2]。結(jié)合信息技術(shù)與教育全面“深度融合”的理念，SPOC（Small Private Online Course，小規(guī)模限制性在線課程）應(yīng)運(yùn)而生。相對(duì)于MOOC（Massive Open Online Courses，大規(guī)模在線開(kāi)放課程）而言，SPOC是一種將課堂教學(xué)與在線教學(xué)相結(jié)合的新型學(xué)習(xí)模式[3]。既融合了MOOC的優(yōu)點(diǎn)，又彌補(bǔ)了傳統(tǒng)課堂教學(xué)的不足[4]。SPOC在教學(xué)應(yīng)用中更強(qiáng)調(diào)線上課程和線下課堂的互補(bǔ)和融合，更適合個(gè)性化學(xué)習(xí)和新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的開(kāi)展[5]。利用SPOC進(jìn)行線上線下混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有助于虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的設(shè)計(jì)與呈現(xiàn)，促進(jìn)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的開(kāi)展和深化[6，7]。

本文以當(dāng)前教育領(lǐng)域熱門的在線開(kāi)放教學(xué)為切入點(diǎn)，將SPOC教學(xué)模式引入專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室實(shí)體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，以開(kāi)放共享的理念設(shè)計(jì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，形成開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用的線上線下混合式教學(xué)新模式。

一、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在的問(wèn)題

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最終目的致力于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和自主探索能力[8]。但是，在目前的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，普遍存在以下問(wèn)題。

（一）教學(xué)模式單一化

將實(shí)驗(yàn)教學(xué)依附于理論教學(xué)已成為廣泛采用的傳統(tǒng)教學(xué)模式，實(shí)驗(yàn)教學(xué)僅在于驗(yàn)證知識(shí)、得出結(jié)論，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中教師指令性地講授知識(shí)，學(xué)生被動(dòng)完成學(xué)習(xí)目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式單一化，學(xué)生分析、解決問(wèn)題的能力得不到培養(yǎng)[9]。

（二）學(xué)習(xí)形式機(jī)械化

簡(jiǎn)單的驗(yàn)證演示性實(shí)驗(yàn)居多，挑戰(zhàn)性的創(chuàng)新、綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)偏少。實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程缺少能調(diào)動(dòng)學(xué)生獨(dú)立思考的實(shí)踐活動(dòng)，無(wú)法調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生容易注意力渙散，學(xué)生的自主實(shí)踐能力以及創(chuàng)新思維能力得不到鍛煉。

（三）考核方式程式化

現(xiàn)行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)多將提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告等單一的結(jié)果性評(píng)價(jià)作為唯一的考核方式，忽視了對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程的考核。學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新思維能力無(wú)法得到檢驗(yàn)，動(dòng)手和實(shí)踐能力無(wú)法真實(shí)展現(xiàn)。另外，教師并不能準(zhǔn)確掌握學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的真實(shí)學(xué)習(xí)態(tài)度和學(xué)習(xí)成效。

二、混合式教學(xué)對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的價(jià)值

在實(shí)際教學(xué)應(yīng)用中，線上網(wǎng)絡(luò)課堂和線下傳統(tǒng)課堂在教學(xué)應(yīng)用中各有利弊，因而教育領(lǐng)域提出了線上線下混合式教學(xué)。混合式教學(xué)采用的方式是把線下傳統(tǒng)課堂教學(xué)與在線課堂教學(xué)結(jié)合起來(lái)，以教師為主導(dǎo)，引導(dǎo)、啟發(fā)、監(jiān)控教學(xué)過(guò)程;以學(xué)生為主體，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生參與學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與創(chuàng)造性。因此，線上線下混合式教學(xué)呈現(xiàn)了信息時(shí)代教育教學(xué)的一種新模式[10]。

本文提出基于SPOC教學(xué)模式將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室實(shí)體實(shí)驗(yàn)深度融合，形成線上線下混合式教學(xué)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的總體思路。具體而言是遵循“學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)”，以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，利用形式多樣的學(xué)習(xí)資源，將再現(xiàn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榍榫扯鄻拥木€上線下混合互動(dòng)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生自主實(shí)踐能力，構(gòu)建出思路清晰、形式新穎的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。

三、混合式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

針對(duì)作者所在焊接技術(shù)與工程專業(yè)的學(xué)科特點(diǎn)及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了線上線下相結(jié)合的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式主要將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)在課前線上學(xué)習(xí)、課中實(shí)驗(yàn)、課后反思測(cè)評(píng)3個(gè)教學(xué)階段予以體現(xiàn)。通過(guò)將線上線下教學(xué)模式相結(jié)合應(yīng)用于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)室實(shí)體實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)組織與進(jìn)程適應(yīng)于學(xué)生認(rèn)知行為。圖1所示為將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為核心實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，圖2、圖3所示為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室實(shí)體實(shí)驗(yàn)混合的教學(xué)模式。根據(jù)教學(xué)目標(biāo)的具體要求，可將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為前期認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室實(shí)體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為進(jìn)階實(shí)驗(yàn)（圖2），也可將實(shí)驗(yàn)室實(shí)體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為前期認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為進(jìn)階實(shí)驗(yàn)（圖3）。

（一）課前線上學(xué)習(xí)階段

該階段將SPOC學(xué)習(xí)平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，基于SPOC學(xué)習(xí)平臺(tái)設(shè)計(jì)課前學(xué)習(xí)活動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)基本實(shí)驗(yàn)知識(shí)傳授為學(xué)習(xí)任務(wù)導(dǎo)向。

1.教師教學(xué)部分。教師通過(guò)SPOC學(xué)習(xí)平臺(tái)管理實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)習(xí)資源，模塊化實(shí)驗(yàn)課程知識(shí)內(nèi)容，使每個(gè)模塊體現(xiàn)具體的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)課程的進(jìn)程安排設(shè)計(jì)階段性學(xué)習(xí)目標(biāo)、教學(xué)活動(dòng)，并通過(guò)SPOC學(xué)習(xí)平臺(tái)追蹤和管理學(xué)生學(xué)習(xí)行為，有針對(duì)性地解決學(xué)生學(xué)習(xí)疑難，監(jiān)督學(xué)習(xí)任務(wù)的完成。

2.學(xué)生學(xué)習(xí)部分。學(xué)生通過(guò)SPOC學(xué)習(xí)平臺(tái)接收教師布置的學(xué)習(xí)任務(wù)，根據(jù)自身情況安排線上資源學(xué)習(xí)。在充分完成學(xué)習(xí)資源的學(xué)習(xí)后，通過(guò)學(xué)習(xí)資源中的習(xí)題以及單元測(cè)試檢驗(yàn)課前自主學(xué)習(xí)的質(zhì)量，完成學(xué)習(xí)過(guò)程監(jiān)督考核。并且可以通過(guò)線上交流及時(shí)獲得教師對(duì)學(xué)習(xí)疑難的解答。根據(jù)教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)，還可組織小組協(xié)作式學(xué)習(xí)，考核團(tuán)隊(duì)合作，完成實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。

（二）課中實(shí)驗(yàn)階段

該階段以實(shí)驗(yàn)任務(wù)為導(dǎo)向進(jìn)行自主實(shí)踐，主要依靠線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)或線下實(shí)驗(yàn)室實(shí)體實(shí)驗(yàn)來(lái)完成，以實(shí)現(xiàn)知識(shí)的內(nèi)化為主要目的。

1.教師教學(xué)部分。教師可以單一虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為核心實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)及實(shí)驗(yàn)任務(wù)，適用于教學(xué)目標(biāo)較為單一的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。也可以設(shè)計(jì)更為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)和實(shí)驗(yàn)任務(wù)，根據(jù)線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和線下實(shí)驗(yàn)室實(shí)體實(shí)驗(yàn)各自的特點(diǎn)，將二者相結(jié)合，以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為實(shí)驗(yàn)室實(shí)體實(shí)驗(yàn)的前期基礎(chǔ)，或?qū)嶒?yàn)室實(shí)體實(shí)驗(yàn)作為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的前期基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)高層次的任務(wù)復(fù)合型綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。例如，焊接技術(shù)與工程專業(yè)的機(jī)器人焊接工藝設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，可將焊接機(jī)器人工作原理、組成結(jié)構(gòu)、焊接工藝示教編程等基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為虛擬仿真認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在虛擬仿真環(huán)境中反復(fù)學(xué)習(xí)和熟悉;在進(jìn)階實(shí)驗(yàn)階段則通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)體機(jī)器人完成工藝設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)焊接實(shí)施。再如，車架零部件結(jié)構(gòu)的焊接生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，可將基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為實(shí)驗(yàn)室實(shí)體機(jī)器人操作認(rèn)知實(shí)驗(yàn);在進(jìn)階實(shí)驗(yàn)階段則通過(guò)虛擬仿真技術(shù)創(chuàng)設(shè)復(fù)雜逼真的虛擬生產(chǎn)環(huán)境，使學(xué)生在幾近真實(shí)的環(huán)境中通過(guò)虛擬實(shí)踐學(xué)習(xí)車架零部件的多工位焊接制作流程。在實(shí)驗(yàn)課堂中，教師的角色被重新定位，是學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者，主要起到組織教學(xué)活動(dòng)、控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)程、引導(dǎo)學(xué)生思考、解答疑難問(wèn)題和實(shí)驗(yàn)總結(jié)評(píng)價(jià)的作用。

2.學(xué)生學(xué)習(xí)部分。學(xué)生在前期線上自主學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，在實(shí)驗(yàn)課堂中通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室實(shí)體實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的不斷實(shí)踐提升實(shí)驗(yàn)技能和對(duì)知識(shí)內(nèi)容的認(rèn)識(shí)。通過(guò)教師引導(dǎo)以及學(xué)習(xí)進(jìn)程中的團(tuán)隊(duì)協(xié)作，解決實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題，極大地鍛煉自身的綜合素質(zhì)，促進(jìn)實(shí)踐能力的提升。

（三）課后反思測(cè)評(píng)階段

該階段以學(xué)習(xí)成果評(píng)價(jià)為導(dǎo)向，以線上結(jié)合線下的多種形式來(lái)完成，以實(shí)現(xiàn)知識(shí)的鞏固、拓展、分享為主要目的。

1.教師教學(xué)部分。針對(duì)學(xué)生在前兩階段的學(xué)習(xí)情況，教師以鞏固學(xué)習(xí)成效為目的設(shè)計(jì)課后考核任務(wù)。在階段性實(shí)驗(yàn)任務(wù)完成后，教師需要引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己在實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題或不足，指導(dǎo)學(xué)生團(tuán)隊(duì)開(kāi)展課后討論和優(yōu)化改進(jìn)。教師課后的評(píng)價(jià)以過(guò)程+結(jié)果的綜合評(píng)價(jià)為主，并根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況反饋，進(jìn)一步更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)。

2.學(xué)生學(xué)習(xí)部分。學(xué)生課后的主體學(xué)習(xí)任務(wù)是對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、結(jié)果等進(jìn)行評(píng)價(jià)及反思，以小組實(shí)驗(yàn)匯報(bào)等多種形式總結(jié)實(shí)驗(yàn)成功及不足之處。可以采取對(duì)疑難問(wèn)題重復(fù)學(xué)習(xí)、查找資料、尋求教師幫助等多種形式優(yōu)化、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，或開(kāi)展后續(xù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的準(zhǔn)備和探索。

結(jié)語(yǔ)

充分利用SPOC的教學(xué)資源形成線上線下混合式教學(xué)模式，勢(shì)必成為高校教學(xué)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。基于SPOC平臺(tái)將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室實(shí)體實(shí)驗(yàn)相融合，將線上的教學(xué)資源與線下課堂的實(shí)驗(yàn)操作相融合，形成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式。在信息技術(shù)與教育全面“深度融合”的教育理念下，不斷探索新技術(shù)在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用與融合，不斷完善和普及新型教學(xué)模式的應(yīng)用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性、實(shí)踐創(chuàng)新能力和實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量得到了有效提高。

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Virtual Simulation Experiment Teaching Mode for Online and Offline Mixed Teaching Application

LUO Yi 1，2， DING Xue-ping 1，2， WANG Xin-xin 1，2， LI Chun-tian 1，2

（1. School of Material Science and Engineering， Chongqing University of Technology， Chongqing 400054， China;

2. Chongqing Municipal Engineering Research Center of Institutions of Higher Education for Special Welding Materials and Technology， Chongqing 400054， China）

Abstract： In view of the problems existing in the current experimental teaching， this paper proposes a new mode of online and offline mixed teaching applied in virtual simulation experiment teaching based on SPOC teaching mode， which integrates virtual simulation experiment and real laboratory experiment deeply. Through the design of teaching activities in the three stages of pre-class， in class and after class， this mode forms a new mode of online and offline mixed teaching applied to virtual simulation experiment teaching. The new mode is committed to training students’ independent practice and innovation ability， and constructing a clear and new mixed experimental teaching scheme， so as to improve the quality of experimental teaching.

Key words： virtual simulation; experiment teaching; mixed teaching; SPOC