基于OBE理念的“焊縫中擴(kuò)散氫測定”混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

摘 要 針對材料成型原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，進(jìn)行基于OBE理念的“焊縫中擴(kuò)散氫測定”線上線下混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，開發(fā)了“焊縫中擴(kuò)散氫測定”虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計。使課程的原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)成果獲得性實(shí)驗(yàn)，從明確的學(xué)習(xí)成果出發(fā)進(jìn)行的教學(xué)設(shè)計可以滿足線上線下教學(xué)的自由切換需求，幫助學(xué)生獲得預(yù)定學(xué)習(xí)成果。所設(shè)計的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以用于“焊縫中擴(kuò)散氫測定”線上虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也可以作為線下教學(xué)的操作練習(xí)軟件。

關(guān)鍵詞 OBE理念；材料成型原理；虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)；“焊縫中擴(kuò)散氫測定”實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）20-0-05

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.20.136

0 引言

材料成型原理是一門幫助學(xué)生掌握材料成型基本理論的專業(yè)基礎(chǔ)課，是材料成型及控制工程專業(yè)的核心課程，對學(xué)生形成材料成型知識體系具有舉足輕重的作用。課程本身所具有的基礎(chǔ)理論特性，導(dǎo)致在教學(xué)過程中以教師為中心，注重理論體系完備性、注重知識傳授過程的現(xiàn)象比較突出，忽視對授課內(nèi)容的實(shí)際應(yīng)用注重度不足，對學(xué)生分析問題、解決問題的能力和工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)不夠。特別是其中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分，由于課程所涉及的幾個實(shí)驗(yàn)都是原理性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生即使進(jìn)行現(xiàn)場操作，其操作過程也是對教師操作的簡單模仿重復(fù)，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，學(xué)習(xí)效果比較差。

成果導(dǎo)向教育（Outcomes-based Education，OBE）是指基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式，經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，已成為美國、英國、加拿大等國家教育改革的主流理念。自美國工程認(rèn)證委員會頒布和實(shí)施重視成果導(dǎo)向教育的EC2000認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)后，歐美各國工程教育認(rèn)證組織都先后改革了認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，《華盛頓協(xié)議》各成員國（或地區(qū)）大多采納了成果導(dǎo)向教育的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)[1]。OBE理念強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心[2]，以學(xué)生取得的最終學(xué)習(xí)成果為起點(diǎn)，進(jìn)行反向教學(xué)設(shè)計，以構(gòu)建教學(xué)體系、確定教學(xué)策略，進(jìn)行自我參照評價而不是橫向比較，從而使學(xué)生逐級達(dá)到頂峰[3]。進(jìn)行基于OBE理念的教學(xué)改革，正在成為我國高等工程教育改革的大趨勢。基于OBE理念的教學(xué)模式形式多種多樣，線上線下混合教學(xué)模式改革是諸多形式中被廣泛研究和實(shí)踐的一種。混合教學(xué)的形式既有大型開放式網(wǎng)絡(luò)課程，即慕課（Massive Open Online Courses，MOOC）[4]和線下教學(xué)的結(jié)合，也有小規(guī)模限制性在線課程（Small Private Online Course，SPOC）[5]和線下教學(xué)的結(jié)合，還有各種網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺和即時通信工具的綜合應(yīng)用。在線上線下混合教學(xué)中充分運(yùn)用虛擬技術(shù)的優(yōu)勢，可以突破教學(xué)的時空限制，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)情境遷移，突破材料成型原理課程的教學(xué)困境。

虛擬實(shí)驗(yàn)是指借助多媒體、仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)在計算機(jī)上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)環(huán)境中一樣完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所取得的實(shí)驗(yàn)效果等價于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果[6]。虛擬技術(shù)與教育的融合已經(jīng)開始深度影響我國傳統(tǒng)教學(xué)模式和學(xué)習(xí)方式[7-8]。各高校的教師開展了大量的虛擬實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)，并和線上線下混合教學(xué)模式充分結(jié)合，取得了非常好的教學(xué)效果[9]。充分利用虛擬技術(shù)開展基于OBE理念的材料成型原理線上線下混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，對OBE理念的全面貫徹也有十分重要的意義。本文以材料成型原理課程中的代表性實(shí)驗(yàn)“焊縫中擴(kuò)散氫測定”為例，進(jìn)行線上線下混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計，開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)施基于OBE理念的混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。

1 基于OBE理念的“焊縫中擴(kuò)散氫測定”

混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計

基于OBE理念進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，要從學(xué)生取得的最終學(xué)習(xí)成果出發(fā)，進(jìn)行反向教學(xué)設(shè)計：根據(jù)國家、社會、行業(yè)需求確定培養(yǎng)目標(biāo)；根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)確定畢業(yè)要求；根據(jù)畢業(yè)要求確定畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)；根據(jù)指標(biāo)點(diǎn)確定課程體系；根據(jù)課程體系確定教學(xué)要求；根據(jù)教學(xué)要求確定教學(xué)內(nèi)容[10]。基于OBE理念的材料成型原理課程教學(xué)目標(biāo)已在前期的教學(xué)改革階段制訂完成。

根據(jù)沈陽理工大學(xué)“材料成型及控制工程專業(yè)培養(yǎng)方案2021版”，畢業(yè)指標(biāo)與材料成型原理課程之間的高相關(guān)度指標(biāo)為1.3“掌握解決材料成型及控制工程領(lǐng)域問題所需的專業(yè)基礎(chǔ)知識，用于分析復(fù)雜工程問題”和2.1“能夠根據(jù)所學(xué)的科學(xué)知識的基本原理識別和判斷材料成型及控制工程中復(fù)雜工程問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和參數(shù)”；中相關(guān)度指標(biāo)為2.3“能夠正確表述一個材料成型及控制工程中的復(fù)雜工程問題的解決方案，并能運(yùn)用基本原理分析方案的合理性”和2.4“能運(yùn)用基本原理，借助文獻(xiàn)研究，分析本領(lǐng)域復(fù)雜工程問題解決過程中的影響因素，獲得有效結(jié)論”。

以此為根據(jù)，充分發(fā)揮線上線下教學(xué)各自優(yōu)勢，展開線上線下混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程設(shè)計。線上線下混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程流程圖如圖1所示。整個實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程分為三個階段：預(yù)習(xí)階段、實(shí)驗(yàn)階段、總結(jié)階段。

1.1 預(yù)習(xí)階段

預(yù)習(xí)階段的任務(wù)是明確要取得的學(xué)習(xí)成果：識別影響焊縫中擴(kuò)散氫含量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和參數(shù)，對應(yīng)前文所述高相關(guān)度指標(biāo)2.1。在預(yù)習(xí)階段，由實(shí)驗(yàn)教師或?qū)W生建立網(wǎng)絡(luò)交流群，全體實(shí)驗(yàn)相關(guān)人員進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)交流群，包括學(xué)生、實(shí)驗(yàn)教師、理論課教師。由實(shí)驗(yàn)教師在群里發(fā)布實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)材料、虛擬實(shí)驗(yàn)軟件或者網(wǎng)絡(luò)版虛擬實(shí)驗(yàn)網(wǎng)址。學(xué)生花少量時間預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)操作要求及注意事項(xiàng)，明確要取得的學(xué)習(xí)成果。教師可以在群里給學(xué)生答疑解惑。

1.2 實(shí)驗(yàn)階段

實(shí)驗(yàn)階段的任務(wù)是通過反復(fù)探索性操作取得學(xué)習(xí)成果。實(shí)驗(yàn)階段教學(xué)流程包括兩個分支，分別對應(yīng)線下教學(xué)和線上教學(xué)。

如果進(jìn)行線下教學(xué)，則虛擬實(shí)驗(yàn)軟件作為實(shí)驗(yàn)操作練習(xí)軟件，學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作之前必須進(jìn)行一定次數(shù)的練習(xí)，以解決實(shí)際設(shè)備臺套數(shù)難以滿足每個學(xué)生全流程操作需求的問題。虛擬實(shí)驗(yàn)軟件根據(jù)學(xué)生的練習(xí)情況進(jìn)行計分，作為實(shí)驗(yàn)成績的一部分。學(xué)生通過軟件熟悉實(shí)驗(yàn)操作后進(jìn)行分組實(shí)際操作，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

如果進(jìn)行線上教學(xué)，則虛擬實(shí)驗(yàn)軟件作為實(shí)驗(yàn)操作軟件，對應(yīng)線下實(shí)驗(yàn)前的練習(xí)由學(xué)生自由進(jìn)行，不作硬性要求。學(xué)生登錄軟件后，操作成功，即可記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。如果實(shí)驗(yàn)操作失敗，可以進(jìn)入軟件操作學(xué)習(xí)模式，跟隨軟件操作提示進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作學(xué)習(xí)，軟件記錄學(xué)習(xí)過程并計分，直到實(shí)驗(yàn)操作成功。

1.3 總結(jié)階段

總結(jié)階段的任務(wù)是確認(rèn)已取得的學(xué)習(xí)成果。總結(jié)階段學(xué)生對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、歸納，總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律，撰寫實(shí)驗(yàn)報告，提出對實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步改進(jìn)的意見和建議。學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)報告后，實(shí)驗(yàn)教師根據(jù)學(xué)生的預(yù)習(xí)情況、實(shí)驗(yàn)練習(xí)情況、實(shí)驗(yàn)過程情況、虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)和操作情況、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析情況、實(shí)驗(yàn)報告撰寫情況進(jìn)行考核打分，并對學(xué)生提出改進(jìn)

建議。

2 基于OBE理念的“焊縫中擴(kuò)散氫測定”

線上線下混合虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)

要實(shí)施基于OBE理念的線上線下混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，開發(fā)適用的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)流程如圖2所示。首先對要開展的虛擬實(shí)驗(yàn)所用儀器、設(shè)備進(jìn)行簡化，提取關(guān)鍵要素；然后采用三維建模軟件進(jìn)行儀器、設(shè)備、實(shí)驗(yàn)樣品、試件建模；最后設(shè)計操作界面和操作流程，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的虛擬操作。

2.1 虛擬實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備建模

“焊縫中擴(kuò)散氫測定”實(shí)驗(yàn)要用到的儀器、設(shè)備包括測氫儀、交流手工電弧焊機(jī)、直流手工電弧焊機(jī)、焊條烘干箱、集氣管以及卡具、吹風(fēng)機(jī)、鉗子、錘子、鋼絲刷、瓷盤、絨布、丙酮、酒精、秒表、引弧板、收弧板等輔助器材。另外還要用到碳鋼試板、J422焊條、J507焊條等材料。在設(shè)計虛擬實(shí)驗(yàn)前期首先要進(jìn)行儀器設(shè)備建模。本文中采用UG進(jìn)行儀器設(shè)備建模，然后導(dǎo)入Unity3D使用。圖3所示為電焊機(jī)模型。

2.2 操作界面和操作流程設(shè)計

實(shí)驗(yàn)的操作界面分為三個部分：登錄界面、實(shí)驗(yàn)操作界面、結(jié)果顯示界面。圖4所示為實(shí)驗(yàn)操作界面，是虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要工作界面。

學(xué)生要進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作，首先要通過登錄界面登錄虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。登錄界面用于記錄操作學(xué)生的學(xué)號、姓名信息，以便于統(tǒng)計學(xué)生的練習(xí)和學(xué)習(xí)情況，并進(jìn)行計分。練習(xí)和學(xué)習(xí)情況及分?jǐn)?shù)記錄到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。

虛擬實(shí)驗(yàn)操作流程如圖5所示。登錄到系統(tǒng)后，首先要選擇焊縫擴(kuò)散氫的測量方法，這樣可以讓學(xué)生了解各種測量方法的異同，而不是只進(jìn)行一種方法的操作。例如，學(xué)生選擇了甘油法，但在線上教學(xué)時不能使用，因?yàn)楦视头y量精度不夠，無法滿足高精度測量要求，國標(biāo)中已經(jīng)改為水銀法測量，而水銀法不適合于線下教學(xué)使用，因?yàn)樗y毒性大，學(xué)生實(shí)驗(yàn)安全性差。

實(shí)驗(yàn)界面包括多個操作環(huán)節(jié)，學(xué)生需要按流程順序進(jìn)行操作。在操作過程中，學(xué)生要正確識別出影響焊縫擴(kuò)散氫含量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和參數(shù)，并在這些環(huán)節(jié)選擇正確的設(shè)備、工具，設(shè)定正確的工藝參數(shù)，進(jìn)行正確的工藝操作。這些環(huán)節(jié)包括焊條選擇、電焊機(jī)選擇、焊條烘干、母材除油、母材除水、母材除銹、焊接工藝參數(shù)選擇。本實(shí)驗(yàn)中未完全囊括所有的影響環(huán)節(jié)，如預(yù)熱、后熱、焊后熱處理等，這些環(huán)節(jié)將作為實(shí)驗(yàn)后思考題留給學(xué)生進(jìn)行補(bǔ)充。遺漏操作步驟、工具選擇錯誤、參數(shù)設(shè)定錯誤都會收到系統(tǒng)的提示，并被記錄到系統(tǒng)中。

3 教學(xué)改革效果

“焊縫中擴(kuò)散氫測定”虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計制作完成后，于2023年春季學(xué)期在20050103、20050104兩個班級進(jìn)行試用。實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中學(xué)生反饋，預(yù)習(xí)階段學(xué)習(xí)興趣明顯提高，實(shí)驗(yàn)操作更加熟練，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果比未采用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)前

更好。

圖6所示為“焊縫中擴(kuò)散氫測定”實(shí)驗(yàn)2023年春季學(xué)期學(xué)生平均成績和2022年秋季學(xué)期學(xué)生平均成績的對比情況。可以看出，使用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，學(xué)生的各項(xiàng)平均成績都有所提高，特別是預(yù)習(xí)成績提高更加明顯。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的使用，讓學(xué)生在預(yù)習(xí)階段身臨其境，在虛擬世界中進(jìn)行操作，對實(shí)驗(yàn)過程有更直觀的感受，可以有效提高學(xué)習(xí)興趣，提高預(yù)習(xí)積極性。這種方式下學(xué)生對實(shí)驗(yàn)操作過程掌握更熟練，間接提高了實(shí)驗(yàn)實(shí)操能力和實(shí)驗(yàn)報告撰寫質(zhì)量。

4 結(jié)束語

基于OBE理念的“焊縫中擴(kuò)散氫測定”線上線下混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革使課程的原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)成果獲得性實(shí)驗(yàn)，從明確的學(xué)習(xí)成果出發(fā)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，所設(shè)計教學(xué)方案可滿足線上線下教學(xué)的自由切換需要，幫助學(xué)生獲得預(yù)定學(xué)習(xí)成果。開發(fā)了“焊縫中擴(kuò)散氫測定”線上線下混合虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，所設(shè)計的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以用于“焊縫中擴(kuò)散氫測定”線上虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也可以作為線下教學(xué)的操作練習(xí)軟件。

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*項(xiàng)目來源：2021年遼寧省普通高等教育本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目“基于OBE理念的‘材料成型原理’線上線下混合教學(xué)模式改革”（基金編號：SBKJGYB-2021-06）。

作者簡介：劉愛國，博士，教授。