基于項目式學習和遠程虛擬仿真實驗技術的學生在線實踐課程建設探討

摘 要：隨著我國遠程學生教育的快速發展，遠程學生實踐課程急需引入創新模式來解決目前面臨的難題。教育部近年來印發了各類遠程學生高等教育質量規范，吹響了提高遠程教育質量的號角，并鼓勵各地、各校做好網上授課等線上教學以應對目前國內外環境帶來的不利影響。本文以可編程控制器課程為例，分析了傳統觀看視頻線上課程模式的不足，提出一種基于項目式學習和遠程虛擬仿真實驗技術的在線實踐課程建設新方案，并通過課堂真實應用評估了其有效性，對于多學科交叉、重實踐應用等類別的課程具有較高的參考價值。

關鍵詞：項目式學習;遠程虛擬仿真實驗;遠程學生在線實踐課程

一、遠程學生實踐課程現狀

近年來隨著我國教育國際化、在線化的快速發展，遠程學生數量已經有了相當大的增長，但遠程學生教育的質量還有待進一步提高。為認真貫徹落實黨的十九大精神，提升高等教育內涵，提高遠程學生高等教育質量，近年來教育部印發相關規定，要求改進遠程高等教育工作，提高教育質量和管理服務水平。以我校“可編程控制器”為例，目前針對遠程學生的課程教學形式以理論授課為主，經過多年的改進和完善，已經初步實現了課程的英文化，其質量也得到了廣大遠程學生的認可，課程考試通過率逐年提高。然而，有較大部分遠程學生在課后甚至畢業后反饋，希望能夠增加更多的實踐機會，一方面能夠加深其對于書本知識的理解掌握，另一方面也能幫助其在今后的升學、就業中真正將可編程控制器作為一項重要技能熟練使用。分析其原因，現在的以授課為主的教學形式確實無法充分培養遠程學生的實踐能力。尤其是可編程控制器這樣的軟硬件高度結合、工作原理較為復雜的學習對象，單純的課堂理論教學難以幫助遠程學生深刻理解其工作原理并進一步熟練應用。雖然前期已經針對這個問題對教學內容、教材等做了一定的調整，增加了大量可編程控制器應用案例的講解，但是學生還是無法看到實物，僅能憑借其想象力對案例進行較為抽象的解讀理解，并且無法通過試錯、調試等方法觀察控制器真實運行過程中的各種重要狀態，也無法按照自己的想法設計硬件電路，探索同一個問題的多種方案，因而極大地限制了其發揮創造力的空間，不利于遠程學生實踐創新能力的培養。此外，雖然可以考慮通過增加實驗訓練來緩解此問題，但是受課時和實驗室資源的限制，目前還無法給每一位遠程學生提供大量的實驗條件以及后續的創新實踐機會，僅能滿足其開展最基礎的訓練，包括熟悉控制器軟硬件和基本指令等，并且許多人共用一套實驗設備，往往造成“一人動手、多人圍觀”的不良局面。多數遠程學生反映實驗機會太少，剛剛熟悉了軟硬件平臺和基本編程方法就結束了，缺少自己嘗試的機會。

此外，近年來國內外環境對遠程學生的實踐課程造成了嚴重影響，大量遠程學生無法到校學習。教育部鼓勵各地、各校做好網上授課等線上教學，各高校積極響應，快速開始啟動線上授課[1-2]。針對線上教學資源匱乏的問題，我校錄制了《可編程控制器》實踐課程的實驗操作視頻供遠程學生觀看，部分解決了遠程學生對實踐課程的需求，一定程度上允許他們反復觀看加深其理解。然而，線上觀看實驗視頻的方式相比于線下實踐還存在如下問題：

（1）學生僅觀看了視頻講解，并未真正動手編程操作，體驗不夠深刻;

（2）硬件配置無法更改，無法探究控制器的其他運行方式;

（3）無法調整程序來嘗試各種解法;

（4）無法開展調試來理解控制器內部的運行機制。

因此，急需提出一種創新的適合于線上教學的實踐課程模式來解決上述問題，為學生提供在線開展實踐活動的條件。

二、基于項目式學習和遠程虛擬仿真實驗技術的在線實踐課程建設

在教學方法方面，“可編程控制器”課程多學科交叉、重實踐應用的特點決定了其更適合采用項目式學習（Project-Based Learning，PBL）的教學法[3-4]，以學生為中心，通過教師引導，學生主動探索現實世界挑戰性的問題，獲得更深刻的知識和技能。學生在教師的輔助下完成項目選題、規劃方案、解決問題及項目成果的展示評估，在此過程中積極開展團隊合作，運用先進的學習技術與工具，主動學習，應用多學科知識，理論聯系實際，對問題進行深入探究，深刻理解可編程控制器的相關知識，并增強其自主學習和實踐能力。具體體現在以下方面：

（1）項目選題。設計想要學生探究的問題，可以是教師科研領域的前沿課題，也可以是學生在教師或行業專家引導下提出的兼具挑戰性和重要意義的真實問題。

（2）規劃方案。學生在教師的引導下分組，開展問題的初步調研，通過頭腦風暴等提出備選的研究目標和解決方案，并開展分析、對比、辯論，最終達成一致。

（3）解決問題。學生對任務進行分工，確保角色分工明確，自主學習項目所需的課程相關知識，基于設計、建模、分析、仿真、實驗等科學研究方法，利用互聯網、虛擬現實、仿真軟件、開發平臺等先進技術和工具對問題開展深入探究，教師輔助調解可能的沖突，并鼓勵學生積極開展合作。

（4）項目成果展示評估。要求學生以仿真模型、視頻、論文、報告等豐富的形式展示其研究成果，邀請相關領域專家評估項目完成情況、學生掌握相關知識的程度及其在項目過程中的表現，給出反饋和改進意見。

此外，探索基于遠程虛擬仿真實驗技術的新型實踐教學模式[5-6]：通過虛擬化可編程控制器軟硬件的方式，給學生提供逼真的模擬仿真實驗環境，學生僅需電腦即可隨時隨地開展仿真實踐訓練;通過網絡技術搭建遠程實驗平臺，可遠程上傳程序至實驗室的可編程控制器設備運行，并通過攝像頭觀測運行結果，達到和真實實驗幾乎相同的效果。

在教學內容方面，對可編程控制器傳統的實驗內容做較大改進：將占用實驗課時的編程軟硬件熟悉環節調整為線上觀看視頻教程，既節省了時間，又便于學生反復觀看，達到熟練掌握其使用方法的目的;除原有基本指令編程訓練外，增加可編程控制器高級綜合應用訓練和開放式創新能力訓練，培養學生應用可編程控制器解決復雜實際問題并開展創新的能力。此外，基于項目式學習的思想，本著突出實踐應用、引導學生自主探索學習的總體思路，對課程內容進行以下的改革創新：FEA13F87-8594-4C1A-B251-F71883B69B98

（1）以項目為中心設計課程內容，摒棄傳統課程內容過于全面且死板的組織形式，以適量的簡介和概述內容引導學生開始自主學習探索，將培養方案知識點精心設計融入項目中，保證完成項目時學生學到必需的知識總量。

（2）以項目流程的順序分階段引入知識點，采用先問題后方法的思路，讓學生發現問題主動去尋找答案，自發地去學習了解相關知識點，循序漸進，根據自身能力差異調整每個知識點的學習時間，突出學習的主動性和個性化。

（3）為學生自主學習探索搭好腳手架，以突出實踐應用改造傳統課程知識點，增加實踐所需的仿真軟件和開發平臺硬件的視頻、教程等內容，縮減原理、發展歷史等過于理論冗長的內容，突出課程實踐特色。

在教學條件方面，基于上述新型的教學模式和實踐教學內容，構建完善的可編程控制器實踐課程條件，包括：在現有編程軟件的基礎上，利用其仿真、網絡功能進行二次開發，實現仿真實驗和遠程實驗功能;錄制用于線上觀看的編程軟硬件熟悉環節的英文視頻資源;編寫新的英文實驗指導書，設計多個高級綜合應用編程案例及開放式課題案例。

在教學效果的評估方面，研究改進傳統以課堂考試為主的評估方式，提高開放式創新設計課題等實踐評估比例，更能有效反映可編程控制器這類編程實踐類課程的教學效果，提高學生學習的積極性。

三、項目式學習題庫構建及說明材料制作

項目式教學的核心在于選取一個好的問題供學生開展深入探究。這樣的問題既可以是教師科研領域的前沿課題，也可以是學生在教師或行業專家引導下提出的兼具挑戰性和重要意義的真實問題，此外還必須緊密圍繞課程的主題“可編程控制器”來進行題目設計。因此，本課程針對幾種典型的可編程控制器控制對象（移動機器人、工業機械臂、飛行機器人、無人船）構建項目題庫，并且通過企業調研的方式為每一個題目設計其真實的應用背景，由行業專家提出真實的需求，以此為目標指導學生開展研究任務。結合研究基礎及實驗室條件，提出管道內壁檢測、自動化生產線物品抓取、高空巡檢和水產養殖自動喂食等典型應用場景下的可編程控制器設計開發項目，并將其分解成子任務，明確其對應的關聯知識點。以自動化生產線物品抓取機械臂為例，將其分解為：機械結構及電氣設計與仿真模型搭建、可編程控制器系統安裝與調試、機械臂控制軟件工具包學習、機械臂抓取程序模塊設計與調試、機器視覺物品識別程序模塊設計與調試、自動識別抓取物品綜合程序設計與調試、模擬自動化生產線場景測試、成果總結展示與評估。

為了使學生能夠清楚了解項目的詳細要求，針對每一個項目制作完整的說明材料，包括說明文檔和視頻。到企業實地考察其真實的應用場景及任務流程，拍攝相關圖片和視頻素材，將其制作成精美的PPT和視頻等多媒體材料供學生觀看，使其能身臨其境地體驗到項目的真實需求，并發掘其中的問題，為其開展項目打下良好的基礎。學生完成項目選題并充分了解項目背景后，在教師的引導下按照項目式教學PBL的實施流程自主開展對問題的探究。考慮到首次接觸項目式教學的學生缺乏相關經驗，因此，在起步階段教師引導學生采用由淺入深、循序漸進的方式來開展項目。教師先引導學生對項目進行規劃，提出基本的設計目標，學生利用其現有的知識儲備嘗試解決。在完成初步的要求后，教師進一步提出更高的要求，學生由于知識所限暫時無法解決。此時教師引導學生有針對性地自主學習新知識，并引導其應用新知識去解決問題，最終學生自主完成設計目標，并在此過程中學習掌握了新的知識。

四、實踐課程教學效果評估

該課程建成后已開展兩年教學，經過廣大遠程學生的應用，反映良好。對學生開展問卷調查，統計其對于在線實踐課程的使用感受和對未來發展方向的建議，參與調查的學生數量為50人。結果有98%的學生認為新的實踐課程方式比僅觀看視頻講解能獲得更加深刻的體驗;94%的學生嘗試按照自己的想法調整程序來解決問題;90%的學生嘗試通過調試來理解控制器內部的運行機制;100%的學生認為新的在線實踐課程解決了無法實地開展實驗的問題;92%的學生認為項目式學習方法提高了其學習的主動性和積極性;94%的學生認為遠程虛擬仿真實驗技術幫助其按需反復開展實踐訓練而無須占用實驗室資源;92%的學生認為自己學習時間的安排更加靈活，有效避免了不同地區作息時間不同對教學造成的影響。

對學生的使用情況開展統計分析，發現采用新課程后，學生學習知識點的頻次大幅提升，最高達到68次/天，比原先未采用新課程時提高約2倍，學生的主觀能動性得到了大幅提高。在實踐學習效果評估方面，分析采用新課程后的實驗成績，比往年有顯著提高，平均分提高約20%，且缺交、晚交實驗報告的學生人數比原來下降約60%，可見新的實踐課程大幅提高了學生的學習積極性和效果。

最后，學校征集了學生對于進一步改進課程的建議，如下表所示。

五、總結與展望

在遠程學生數量快速增長的背景下，遠程學生實踐課程面臨很多困難，傳統的基于視頻觀看的線上課程模式雖能解決部分問題，但在動手操作體驗、擴展性等方面存在明顯不足。本文提出的基于項目式學習和遠程虛擬仿真實驗技術的遠程學生在線實踐課程模式，可為學生提供開展虛擬實驗動手實踐的機會，比觀看視頻印象更深刻，也便于其在此基礎上開展進一步的自主探索和創新應用，為培養遠程學生動手實踐能力發揮重要作用。

未來，我們將在進一步提高虛擬化程度、增加更多真實實例等方面繼續深入研究，以期為我國遠程學生教育提供更多創新思路。

參考文獻：

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基金項目：南京航空航天大學來華留學生教學改革研究專項，基于虛擬仿真和遠程實驗技術的可編程控制器實踐課程建設;南京航空航天大學本科教學建設項目，機器人操作系統實踐探究，2021JG0531A;南京航空航天大學教育科學與改革研究專項課題，疫情防控常態化背景下機械工程專業線上項目式生產實習研究與實踐，2020JYKX-19

作者簡介：鞠鋒（1982— ），男，漢族，江蘇常熟人，博士，副教授，研究方向：機器人技術。FEA13F87-8594-4C1A-B251-F71883B69B98