交互模式下虛擬仿真教學的探索和研究

李文華　王景芹　趙靖英

[摘 要] 教學手段的發展和教學方法體系的豐富，是培養新時代高科技人才的必要途徑。將虛擬仿真教學結合交互式教學模式，經過在“電器可靠性技術”課程中的實踐，證明其具有很強的優越性。分析了交互式模式下虛擬仿真教學的構成要素，重點探索了其交互設置的合理性、教師引導的高效性、評價體系的全面性等理論基礎，研究了其在課程實踐中的核心優勢和特征。交互式虛擬仿真教學模式的實現是電器可靠性學科實驗教學的極大拓展，對“電器可靠性技術”課程教學質量的提高具有深遠意義。

[關鍵詞] 虛擬仿真;交互模式;電器可靠性技術

[基金項目] 2020年度河北省高等教育學會高等教育科學研究規劃課題“電器可靠性技術的虛擬仿真實驗教學研究”（GJXH2019-18）;2019年度國家虛擬仿真實驗教學項目“電器可靠性試驗、評價及失效分析虛擬仿真實驗平臺”

[作者簡介] 李文華（1973—），男，河北邢臺人，博士，河北工業大學電氣工程學院教授，河北省電工技術學會理事，主要從事電器可靠性技術研究;王景芹（1963—），女，河北衡水人，博士，河北工業大學電氣工程學院教授，主要從事電器可靠性與智能電器研究;趙靖英（1974—），女，河北保定人，博士，河北工業大學電氣工程學院教授，主要從事電器可靠性與智能電器研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）11-0117-04 [收稿日期] 2021-07-16

根據教育部對虛擬仿真實驗教學項目“堅持‘學生中心、產出導向、持續改進’的原則，突出應用驅動、資源共享，將實驗教學信息化作為高等教育系統性變革的內生變量”的這一要求[1]，依托多媒體技術、網絡技術和虛擬現實等技術的虛擬仿真教學模式逐漸凸顯出其優越性。“電器可靠性技術”作為我校電氣工程的專業特色課，其實驗課程難以針對電氣工程專業的本科生普及開展，一直是制約該學科發展的瓶頸。本文以本科生的“電器可靠性技術”實驗教學為例，將交互式教學模式融進虛擬仿真教學，該模式的運用著力于培養學生的動手能力及創新能力，為提高電器可靠性領域專業人才的綜合素質奠定了基礎。

一、交互模式下虛擬仿真教學模式的創建背景

“電器可靠性技術”作為一門統籌考慮電工行業人才培養和社會應用需求而開設的課程，實踐性很強，并與工程實際聯系緊密[2]，電器可靠性的研究側重于電器產品在規定時間或操作次數完成規定功能的能力，試驗周期從幾個月到幾年不等，過程中對樣品具有破壞性，同時設備昂貴，試樣成本高，操作具有一定的危險性。受教學學時的局限，學生難以完成從實驗方案設計、操作到失效分析這一完整的閉環流程[3，4]。作為為本科生開設的課程，以往的實驗教學主要以教師課堂授課描述實驗現象為主，難以開展和推廣真實實驗，嚴重制約了該課程教學水平的提高和對該方面人才的培養。

在傳統的以教師為中心的單向傳遞知識的課堂教學中，學生全程處于被動接受的狀態，無法參與教學內容、進度和方法的安排，學習的主觀能動性和靈活性不強。近年來，新興的虛擬仿真教學為學生提供了開放式的學習環境，但在教學中產生了師生脫節、難以把控教學效果的現象[5，6]。為了解決傳統課堂教學和虛擬仿真教學中不同程度的教學主體重心偏離的問題，本文提出了一種交互模式下的虛擬仿真教學，該模式考慮了符合學生認知規律和知識體系構建的交互性教學因素，協同運用靈活多樣的交互手段，最大限度地激發學生的學習積極性，調動學生探求知識的興趣和欲望[7-9]，促進了“電器可靠性技術”課程的教學水平和人才培養質量的提高。

二、交互式虛擬仿真教學的構成要素

虛擬仿真教學作為教學技術網絡化、數字化、智能化發展的產物，在可靠性教學中體現出了巨大的優越性。在融合交互式教學模式的基礎上，該種教學方式既實現了“線上+線下”教學的優勢互補，又實現了現實教學和虛擬教學的有序銜接。應用于“電器可靠性技術”課程中的交互式虛擬仿真教學模式的構成要素包括以下幾個方面。

（一）交互設置的合理性

交互活動在教學中應進行符合學生認知規律的合理分配，在教學的不同階段和流程中進行優化和設計，以適用于不同的交互主體，從而保證教學資源的最優配置[10]。在應用于“電器可靠性技術”課程中時，交互教學模式根據互動主體的不同，可分為師生交互、學生與虛擬仿真系統間的交互及學生間的交互。師生互動主要體現在課前預習任務的布置、課堂中疑難點答疑、虛擬實驗過程中疑難點的求助等。學生與虛擬仿真系統間的交互主要體現在通過人機互動進行典型電器產品的拆裝，以及通過系統的引導和提示獨立完成學習任務等。學生間的交流互動是在小組討論及分組完成實驗的過程中進行的，該種交互行為有助于互動雙方深化對討論點的理解，以及對疏漏和疑點盲區的查漏補缺。交互環節的合理設置是該教學模式的基礎要素。

（二）教師引導的高效性

教學活動的本質是促進學生掌握客觀世界的運動變化規律，并使自身的基本素質得到全面的培養，促進各方面能力和諧發展的過程，因此教學活動以學生為主體的觀點是毋庸置疑的。研究“教學”中“教”的含義，究其本質是引導，引導的特征是含而不露、指而不明，即重在思路的引導，杜絕“填鴨式”的教學方式，給學生充分思考的余地和思維發散的空間。學生的主體地位以教師引導作用為實現條件，教師的引導作用是以實現學生的主體地位為出發點和最終歸宿。無論何種教學方式，教師在教學活動中都處于不可或缺的地位，在交互式虛擬仿真教學模式應用于“電器可靠性技術”課程中，從課前布置預習任務、預習測試，到課堂疑難點和重點的講解，以及在學生獨立進行實驗操作時，教師通過虛擬仿真平臺進行的糾錯和提示，教師的科學引導具有強烈的標志性和指引性。與此同時，教師憑借多年對電器可靠性的研究和教學經驗，使其對學生的引導具有高效性，使學生在教學活動開始時就對主要的知識點有了清晰的認知和思路，能夠促使學生快速獲取課程目標中的重點和難點，從而整體提高教學效率。

（三）評價體系的全面性

由于教學形式和內容的豐富性，教學模式的評價內容、評價角度和評價方式需要更為全面和多元。教學評價的環節包括對教師線下教學設計、組織實施的評價，對線上教學流程中教師的引導職能的評價，對學生學習效果的評價，以及對虛擬仿真系統中流程環節設置的評價，等等。在以學生為評價主體的評價體系里，要避免傳統的以卷面成績為導向的評價方式，要注重在教學的過程中，學生的具體學習動作、實驗操作等體現其認知水平的具體行為，關注其整體的參與度、規范性及投入度。這種過程性的評價能夠更直觀、更立體地反映學生學習的真實效果。建立全面多元的評價體系是衡量交互式教學模式教學質量的重要因素。

三、交互式虛擬仿真教學模式在課程實踐中的核心優勢

本文探究的交互式虛擬仿真教學，是根據“電器可靠性技術”的課程特征、教學需求和工程實際等提出的一種新型教學模式，并依據此搭建了電器可靠性試驗、評價及失效分析虛擬仿真實驗平臺，系統界面見圖1。

在虛擬仿真實驗教學過程中，虛擬實驗的流程、實驗結果的呈現與真實場景完全一致。實驗中，在設置典型電器產品實驗參數后，以前期大量的可靠性數據為數據源構建的結果庫為依據，幾分鐘內即可展示試驗周期為幾個月甚至幾年的結果，使電器可靠性試驗的完整呈現具有了可實現性。可靠性試驗的樣品抽樣、實驗操作、可靠性設計等均由學生自主完成，實驗結束后即以仿真情景形式呈現出結果和數據，以便于進行相關的失效分析。

在交互式虛擬仿真教學模式的教學實踐中，設置了虛擬實驗的基礎元件庫、實驗課程庫、典型實驗庫、標準答案庫、規則庫、實驗數據、用戶信息庫等，實現對相應數據的存放和管理，使該平臺的使用不受時間和空間的限制。豐富的資源和教學形式不僅可供在校生使用，也可面向社會開放運行，打破了真實實驗的地點局限性，為整體提升專業人才的實驗技能提供了平臺，其功能架構見圖2。

交互式虛擬仿真教學模式經過在電器可靠性課程中的實踐，與傳統的教學方式相比呈現出了明顯的優越性，能夠有效解決制約電器可靠性相關實驗教學開展的瓶頸問題，取得了良好的教學成果。通過對學生進行問卷調查可知，該教學模式的教學流程設置合理，引導功能翔實豐富，為學生對電器可靠性的學習提供了直觀有效的途徑。

在科技不斷發展和進步的今天，先進的教學技術手段和豐富的教學方法體系是培養新時代高科技人才的必要途徑。河北工業大學電器可靠性研究團隊通過實踐發現，虛擬仿真教學極大地增強了學生學習的主動性、參與性和自覺性，結合了交互式教學方法，使教學流程更符合學生的認知規律，可引導學生進行主動分析和思考，培養學生的創新思維，顯著提高了該課程的教學質量。但是，該教學模式的推廣應用要充分考慮不同基礎的學生的接受能力，科學合理安排教學內容和進度，杜絕“形式大于內容”的面子工程，著力于從實際出發，為電器可靠性行業培養優質人才。

參考文獻

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Exploration and Research on Virtual Simulation Teaching under Interactive Mode： Taking the

Course of? Electrical Reliability Technology as an Example

LI Wen-hua， WANG Jing-qin， ZHAO Jing-ying

（College of Electrical Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China）

Abstract： The development of teaching means and the enrichment of teaching method system are the necessary ways to cultivate high-tech talents in the new era. We combine virtual simulation teaching with interactive teaching mode. Through the practice in the course of Electrical Reliability Technology， it is proved to have some advantages. This paper analyzes the constituent elements of virtual simulation teaching in interactive mode， focuses on the theoretical basis of the rationality of its interactive setting， the efficiency of teachers’ guidance and the comprehensiveness of the evaluation system， and studies its core advantages and characteristics in curriculum practice. The realization of interactive virtual simulation teaching mode is a great expansion of the experimental teaching of electrical reliability， and has far-reaching significance for the improvement of the teaching quality of Electrical Reliability Technology.

Key words： virtual simulation; interactive mode; Electrical Reliability Technology