線上線下混合的虛擬仿真實驗教學模式探究與實踐

摘" 要：采用基于虛擬仿真技術(shù)的線上線下混合教學模式，將課外實踐和課內(nèi)問題進行有機融合，激發(fā)學生學習熱情，以發(fā)展學生的自主學習能力、創(chuàng)新能力為理念，提高課程教學質(zhì)量。文章深入研究了虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，探索了基于仿真技術(shù)的線上線下混合式教學模式，提出了新工科專業(yè)課程教學改革的具體實施方案，促進相似課程的教學改革實踐，完善混合式教學模式，為我國進一步實施基于虛擬仿真技術(shù)的線上線下混合教學模式奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)；混合式教學；探究與實踐；實施方案

中圖分類號：H191" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1673-7164（2023）02-0033-04

當今世界新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正處在取得重大突破的歷史關(guān)口，人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)新應用新業(yè)態(tài)方興未艾［1］，這些新技術(shù)發(fā)展對創(chuàng)新型人才的需求正在推動高等教育發(fā)生深刻變革。面對互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及近年來新冠肺炎疫情的影響，信息技術(shù)與傳統(tǒng)教學結(jié)合的混合教學模式越來越受到大家的重視，如何充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，解決傳統(tǒng)教學模式在實踐環(huán)節(jié)中的缺失是當前教學改革研究亟待解決的問題。傳統(tǒng)工程教育的培養(yǎng)模式、課程體系、課程內(nèi)容、教學方法等與信息及相關(guān)領(lǐng)域新知識產(chǎn)生與應用的快速發(fā)展不夠協(xié)調(diào)，傳統(tǒng)工程教育模式已經(jīng)不能完全適應新技術(shù)新應用新業(yè)態(tài)的需要［2］。

隨著虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展，通過匯聚豐富的線上教學資源，采用線上和線下相結(jié)合的教學方法，既能體現(xiàn)教師啟發(fā)式、探究式教學，又能充分調(diào)動學生的積極性、主動性，實現(xiàn)提高學生自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)目標。本研究通過對虛擬仿真技術(shù)的分析，結(jié)合仿真實驗教學的特點，將線上資源和線下教學經(jīng)驗相結(jié)合，構(gòu)建了基于虛擬仿真技術(shù)的線上線下混合教學模式，并在高等院校“核動力裝置熱力分析”課程中開展教學實踐，為線下和線上的混合式教學模式研究提供更好的思路和方法。

一、研究背景

傳統(tǒng)的教學模式更注重教師的授課經(jīng)驗和技巧，對教師的要求極高，需要教師具有很強的業(yè)務能力才能更好地啟發(fā)和引導學生。高校教學課程多、知識雜、時間緊、任務重，很多情況下都依賴于學生自主學習，對學生的自我學習能力要求也極高。傳統(tǒng)的教學模式以書本上的知識為主，主要介紹系統(tǒng)概念、組成、功能，對于系統(tǒng)及設(shè)備的結(jié)構(gòu)、運行特性等抽象概念沒有很好的展示手段，學生無法準確理解相關(guān)基礎(chǔ)知識。隨著知識的爆炸性增長，學生需要學習的內(nèi)容越來越多，專業(yè)課程的學時不斷減少，教師沒有足夠的時間去反復強調(diào)知識點，導致學生對課程內(nèi)容的理解不夠，只能依靠死記硬背來應付考試。這樣的教學模式無法滿足新工科工程教育理念的推廣。

虛擬仿真試驗的課程教學已經(jīng)具有了資源的多樣性，可為學生提供豐富的學習資料。教師在課堂講授的同時，學生可以利用全面的線上資源主動地獲取相關(guān)知識。特別是在當前互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高速發(fā)展，手機、筆記本電腦網(wǎng)絡普及化的今天，結(jié)合線上和線下資源，將教學從課堂內(nèi)擴展到課堂外，充分調(diào)動學生的積極性，可以達到改善教學效果、提高教學水平的目的。

二、虛擬仿真技術(shù)在“核動力裝置熱力分析”課程中的實踐

（一）虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真技術(shù)被認為是20世紀科學技術(shù)飛速發(fā)展的產(chǎn)物，在實際運用的過程中，重點通過計算機發(fā)揮相應的功能，使得虛擬環(huán)境得以構(gòu)建，讓人們可以接觸到感覺真實但虛擬的空間［3］。虛擬仿真技術(shù)具有沉浸性、交互性、虛幻性、逼真性四個基本特征［4］，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，在教育、醫(yī)療、建筑、化工、機械、航空等領(lǐng)域得到了廣泛應用［5-6］。將虛擬仿真技術(shù)用于教學能夠彌補傳統(tǒng)教學模式在實踐教學方面的不足，符合當今時代背景下學生的心理特點，可極大地提高學生自主學習的興趣［7］。虛擬仿真技術(shù)具有介入性、交互性和互動性的特點，教師可以根據(jù)需求引導學生根據(jù)自己的興趣開展虛擬實驗，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和實踐能力，以適應快速發(fā)展的社會對高質(zhì)量人才的需求［8］。高校科研工作中對虛擬仿真技術(shù)的應用也越來越重視，通過科研項目的技術(shù)積累，可以建立獨特的虛擬仿真實驗教學資源，完成線上線下混合式教學體系建設(shè)。

（二）教學內(nèi)容與任務

“核動力裝置熱力分析”是核科學與技術(shù)碩士研究生專業(yè)必修課，課程目標在于培養(yǎng)學生利用熱力學的基本理論和方法，對核動力裝置能量轉(zhuǎn)換和利用的合理性和有效性進行分析和評價，了解熱力循環(huán)對核動力裝置效率的決定性影響以及改進熱效率的方向和措施。通過本課程的學習，學生可以了解壓水堆核電廠熱力系統(tǒng)的基本熱力循環(huán)形式，掌握核動力裝置熱力分析的基本理論和方法，對核電廠節(jié)能的途徑和基本原則、經(jīng)濟學分析方法的基本原理有正確認識。

課程的主要任務是通過課堂教學和項目設(shè)計（研究）等環(huán)節(jié)培養(yǎng)學生綜合運用相關(guān)理論和技術(shù)手段設(shè)計壓水堆核動力裝置主要工藝系統(tǒng)、利用科學原理分析核動力裝置組成和運行特性并得到合理有效的結(jié)論的能力，支撐畢業(yè)要求中的相應指標點。課程總體性強，需要學生充分利用所學知識才能掌握。

目前采用的教學方式以課堂研討為主，通過大作業(yè)幫助學生將相關(guān)知識點體系化，學會運用所學知識解決實際問題。在教學實踐中發(fā)現(xiàn)，學生在完成第大作業(yè)的過程中，對于較簡單的熱平衡與分析都沒有問題，而對編程要求較高的優(yōu)化計算部分，大多數(shù)學生完成得不好，達不到預期的效果。究其原因，主要是課堂學時有限，絕大部分課時用于對基本概念、基本原理和方法的研討，而對如何解決實際問題的方法和技巧的介紹課時相對較少，一方面學生的理解不夠深入，另一方面也高估了學生編程能力的平均水平，難以達到教學要求。高校應通過課程建設(shè)，開發(fā)線上學習資源，合理分配線上（預習、拓展）、線下（研討、實踐）學習內(nèi)容，采用混合式教學，實現(xiàn)教學目標。

（三）教學實施過程

教學實施過程以“立德樹人”為根本標準，圍繞提高學生批判性思考能力、創(chuàng)新能力、協(xié)作溝通能力、解決復雜問題能力、“人技”互動能力等方面的需求開展課程建設(shè)，完善教學內(nèi)容，優(yōu)化教學方式，豐富教學手段。

圖1為基于虛擬仿真技術(shù)的線上線下混合教學模式探究與實踐的總體思路。總體來說，教學實施過程分為課程資源開發(fā)、教學方案實施、累加式考核和測評總結(jié)四個環(huán)節(jié)。每個環(huán)節(jié)針對不同對象開展相應的組織工作。

1. 利用線上課程資源以問題為導向培養(yǎng)學生的自主學習能力

首先要結(jié)合教學內(nèi)容開發(fā)豐富的教學資源，利用科研成果進行適應性的改造，形成豐富的網(wǎng)絡平臺資源以滿足線上教學的需求，線上資源包括微視頻、分析軟件、互動平臺等內(nèi)容。要求網(wǎng)絡平臺簡單高效，能夠滿足至少30名學生同時上線操作，并可以對每位學生的操作過程、研究內(nèi)容、分析結(jié)果進行總結(jié)和打分。通過豐富的網(wǎng)絡資源建設(shè)，提供多樣性的學習內(nèi)容，帶動學生的積極性，讓學生養(yǎng)成積極主動的學習習慣。帶著問題找答案、依循過程求結(jié)果，在實際操作中牢記知識點。建立線上多樣化資源，在一定程度上培養(yǎng)學生自學探究的能力。豐富學生學習的手段，滿足學生的探索興趣，提高學生的實踐能力。

2. 教學過程中以多樣化手段調(diào)動學生的學習積極性

在課堂教學過程中充分結(jié)合課前學習環(huán)節(jié)，要求學生針對每一個知識點，采用相對應的學習方式自主學習。比如對于設(shè)備運行特性可以結(jié)合三維展示的微視頻從不同的角度去觀察、對應、明確各個部件結(jié)構(gòu)；對于系統(tǒng)的運行特性可以采用實驗分析軟件搭建分析模型，通過數(shù)據(jù)和曲線的形式驗證知識點，總結(jié)所發(fā)現(xiàn)的問題。在課堂通過研討的形式相互交流，驗證自己的理解，做到分析問題、解決問題、加深印象。在課堂教學中，提倡以學生為主體的思想，采用以自主、合作、探究為主的學習方式，讓學生在合作中學習。老師由單純的講課轉(zhuǎn)變?yōu)橛心康牡匾龑В瑢W生由被動地聽講轉(zhuǎn)化為主動的思考，在實踐中掌握知識點，充分發(fā)揮學生學習的主動性和積極性，提高學生的學習興趣，提升學習的效果。

3. 多元化評價方法規(guī)范教學過程

對學生學習效果的累加式考核采取教師主導、網(wǎng)絡輔助的方式開展，一方面根據(jù)考試的結(jié)果，同時參考學生的課堂表現(xiàn)，結(jié)合課后作業(yè)的完成情況，綜合考查學生的表現(xiàn)，給出最終的綜合成績。由于上課時間有限，且上課的學生比較多，課堂討論可以采用分組的形式開展，5—6名學生分為一組，以組為單位組織匯報和研討，教師根據(jù)匯報表現(xiàn)給出成績，也可以由學生打分。教師通過課前的自主學習評價、課中的綜合評價、課后的練習評價，能夠全方位地了解學生對知識點的掌握程度與應用能力，從而真正有效地提高教學質(zhì)量。多元化評價方法其中比較重要的一個內(nèi)容是學生的組織和協(xié)調(diào)能力評價，因為各個小組的學生需要根據(jù)討論題目合作來完成成果展示，所以學生的組織能力、協(xié)調(diào)能力、綜合素質(zhì)都可以得到鍛煉，既提高了學生的能力，又可以給出綜合成績。

4. 通過豐富的測評環(huán)節(jié)開展反思和總結(jié)

測評和總結(jié)是混合式教學改革的一個重要環(huán)節(jié)。隨著網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展以及教學理念的不斷更新，針對不同層次的學生需要給出不同的授課方案，最后通過測評展示教學效果。授課過程中還要根據(jù)客觀測評的結(jié)果對教學內(nèi)容進行優(yōu)化，不斷總結(jié)，改善教學效果。真正體現(xiàn)以學生為主體、因材施教的個性化授課方式。在這一過程中，教師要隨時根據(jù)學生的反饋調(diào)整教學內(nèi)容、豐富教學資源、改善教學方法，真正達到引導學生自主學習的效果。

三、線上線下混合式教學課程實施效果

通過結(jié)合虛擬仿真實驗的混合教學課程主要得到以下效果：

（一）積極培養(yǎng)學生創(chuàng)新的理念

創(chuàng)新是科學技術(shù)進步的動力之源，是推進各項事業(yè)發(fā)展進步的根本動力。沒有創(chuàng)新就沒有科學事業(yè)的發(fā)展進步，也就沒有科研工作的前途和希望。學生是國家的未來，也是創(chuàng)新的主體，在學習過程中灌輸創(chuàng)新的思維至關(guān)重要。創(chuàng)新來源于不斷地學習和積累，首先要做到對專業(yè)知識深刻、精確的掌握，然后可以熟練地運用所學知識解決實際問題，在具體的實踐過程中才能發(fā)現(xiàn)問題，提出創(chuàng)新思想。因此，在教學過程中，利用線上和線下資源鼓勵學生拓寬視野、發(fā)散思維，在實踐中去學習和提高，加深對問題的理解，從而通過不斷積累和探索提升創(chuàng)新的實力和水平。

（二）推動教師依托重大國防科研項目開展育人工作

科研育人是我國高校育人體系的重要一環(huán)，是新時代高等教育深化改革的關(guān)鍵課題。特別是對于類似核動力裝置熱力分析這樣涉及技術(shù)密集、更新快速的課程，教師教授的內(nèi)容也要根據(jù)實際裝置的發(fā)展持續(xù)更新，充分依托國防科研領(lǐng)域難得的學習機會和探索環(huán)境，不斷提升教師的授課水平。依托重大國防科研項目開展育人工作也是提高學生思想、理論和實踐水平極其難得的機遇，在科研環(huán)境下抓育人工作，鼓勵教師在實踐中培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性思維，以及針對具體問題解決實際問題的能力，使學生能成才、早成才、擔重任。

四、結(jié)語

近年來，隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在教學領(lǐng)域的應用不斷得到發(fā)展和完善，被越來越多的高校和教育工作者應用到教學中，已經(jīng)成為新的網(wǎng)絡教學趨勢。基于虛擬仿真技術(shù)的線上線下混合式教學模式可以最大限度地提升學生的實踐能力，拓寬學生視野，提高課堂教學互動效果，對于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)具有重要意義。但是，在課程實施過程中需要學生投入相對較多的時間和精力開展課前預習、課上討論和課后復習。這就對教學內(nèi)容的總結(jié)和提煉提出了較高的要求，需要教師不斷更新和完善教學資源，有效開展知識點的整理和總結(jié)，才能達到最好的教學效果，學生的學習體驗才能有質(zhì)的飛躍。

線上線下混合式教學模式對線上資源有較多要求，需要線上資源能夠覆蓋所有的知識點內(nèi)容，需要教師用大量的時間去建設(shè)線上內(nèi)容，一些陳舊的教學內(nèi)容要根據(jù)新技術(shù)的發(fā)展進行調(diào)整以滿足展示和分析的需求，教師也需要在摸索中前進并不斷改進和完善。因此，混合式教學不但是對學生自主學習能力的考驗，同時也是對教師教學能力和水平的一個測試。需要教師和學生互相配合、共同努力才能建立豐富完善的教學資源，達到最好的教學體驗。該過程中需要針對所遇到的多種問題開展研究，通過多種方式提升個人在教學中的信息技術(shù)素養(yǎng)，更有效提高課堂教學效果。

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（責任編輯：淳潔）