虛擬實驗+互動式教學法在《汽車試驗學》課程中的應用＊

趙立軍，劉清河，李偉，王劍鋒

（1. 哈爾濱工業大學（威海） 汽車工程學院，山東 威海 264209；2.中國汽車技術研究中心汽車工程研究院，天津 300300）

前言

《汽車試驗學》是高校車輛工程專業學生的重要課程，其教學內容以汽車整車性能測試、主要總成和重要部件的性能測試為主，按照“在基本理論分析的基礎上，通過主要性能測試來全面掌握技術性能、結構特點和性能分析方法”的思路，系統介紹試驗原理、主要儀器設備工作原理和測量方法等。教學過程中設置有一定學時的實驗實踐內容，對課程實驗條件要求較高，實驗室建設和維護的經費投入較大。虛擬實驗的理念于近年來逐漸被車輛工程領域教師所接受，這不僅可以降低對汽車試驗硬件條件的要求，且具有很好的教學效果。購置實驗設備和虛擬實驗工作并行，可以作為實驗教學內容和方式的一種互補。

“互動式教學模式”是指教師“教”和學生“學”兩個過程互相作用的整體性動態過程，具體表現為教師的主導施教和學生的主體認識相輔相成的課堂活動過程。堅持“自主、合作、探究”的教學理念，提高教學效率，既注重“雙基”的落實，又著眼于學生的發展和能力的提高，是素質教育的根本所在。對于汽車試驗學這種理論和實踐能力培養并重的課程來說，互動式教學可以強化學生的主動學習意識，提升學習質量。

可見，虛擬實驗和互動式教學適用于在《汽車試驗學》中，但其應用實踐尚未見文獻報道，作為有益的嘗試，值得研究與探索。

1　虛擬實驗教學環節設計

虛擬實驗技術以其低成本、高效能、靈活可靠等特點在現代化教學中開始得到越來越普遍的應用。

國外的虛擬實驗技術起步較早，也有很多著名的虛擬實驗教學系統，比如美國加里福尼亞大學的集成電路模擬程序SPICE[1]，加拿大西北大學的虛擬物理實驗室[2]等。國內于上世紀九十年代末期開始將虛擬實驗技術應用在教育領域[3]。在車輛教學領域中，北京理工大學開發的坦克構造與設計視景仿真教學平臺[4]與車輛電子控制虛擬實驗教學平臺[5]已成功應用于實驗教學，并取得了良好效果。同濟大學汽車學院也進行了虛擬實驗技術在《流體力學與液壓傳動》課程中應用的探討[6]。

虛擬實驗可以在一定程度上緩解實驗資源的不足，而且在設計工作過程中，學生能夠得到更好更全面的學習。從實驗構思、實驗設計、實驗原理，到實驗方法和數據處理，有一個整體的學習過程。

當然，這要求授課教師通過收集資料、理論儲備，在課上講授虛擬實驗知識，引導學生進行虛擬實驗設計，并得出有意義的結論，解決以往學生對實驗全過程認知和理解不足的問題。這可以大大加強課程的學習效果，促進學生綜合能力的鍛煉和提升，為畢業后從事該領域工作打下良好的基礎。

為此，筆者在此次教學研究過程中，將授課的學生分成12組，每組 8-10人。虛擬實驗題目主要來源于中國汽車技術研究中心（天津）汽車工程研究院現有的科研試驗設備，這樣有基本方案可供設計參考，利于制定可行的設計目標，不至于太過盲目。當然，虛擬實驗過程是不能對已有設備進行模仿甚至抄襲的，否則就失去了研究的意義。題目包括整車軸耦合疲勞耐久試驗、四立柱輪耦合疲勞耐久試驗室、六自由度疲勞耐久試驗室、排氣系統疲勞耐久試驗室、轉向系統疲勞耐久試驗室、制動系統疲勞耐久試驗臺架、開閉件疲勞耐久試驗室、金屬件高頻疲勞耐久試驗室、載荷譜采集及傳感器系統、白車身/零部件剛度試驗室、汽車零部件材料試驗室、減振器臺架試驗室等。

虛擬實驗設計工作主要分為六個過程：功能及設計任務分析、方案論證、主體參數設計、設計計算及分析、實驗過程及試驗數據模擬、經濟性分析。在此過程中，要求每個小組內部協作完成所有任務，這也是對協作和溝通能力的培養及鍛煉。

2　“互動式”教學環節設計

經過近年的發展，在教育界達成共識的互動式教學模式，其關鍵環節概括為：教師的啟動-互動的前提、學生感悟-互動的基礎、小組活動-互動的主體、組際交流-互動的關鍵、成果展示-互動的檢測和評價。通過“互動式”教學模式可以不斷推動師生之間的交流，更使得學生的學習熱情高漲，為實現個性發展、發揮內在潛能、培養綜合創新能力提供有利條件[7]。Pugsley研究發現，互動式教學的成效顯著優于傳統教學方式[8]。Zakrzewska發現，互動性教學方式顯著提高學習者溝通能力[9]。北京大學“世界課堂”[10]、中國醫科大學基礎醫學院[11]、華中科技大學光學與電子信息學院[12]、廈門大學嘉庚學院[13]等都已經在課程中嘗試采用互動式教學模式，重視學生探索思維的鍛煉，注重培養學生知識的學科交叉性，更注重高層次創新思維的鍛煉，增強了學生主體間的交往活動，有利于促進高校教學模式的創新及人才培養質量的提高。

對《汽車試驗學》課程進行全新的教學設計，在保證該課程理論知識能夠按照培養要求進行傳授的基礎上，設計更好的課上/課下教學內容，高效地解決有限學時下的教學內容講授和學習問題。將互動式教學模式引入課堂之后，教師需要調整教學內容的學時分配，傳統的純教學學時要有所壓縮。教師加強指導，根據虛擬實驗設計任務和進度要求，為學生安排課下學習任務和虛擬實驗設計任務。這樣一來，課上既有教師的重點講授、難點分析和對虛擬實驗設計的指導，也有學生小組講述分享自己的虛擬實驗環節。同學們帶著自己所在學習小組的任務進行主動學習，在教師指導下進行完善和修正，最終將完成的工作以科學和直觀的形式展示。

為了提高學生的表達和展示能力，每周安排一次學生的虛擬實驗設計工作進度匯報。限時5分鐘，利用PPT進行展示，合理安排時間分配和內容組織，在講臺上客串“主講人”，為大家介紹設計過程和成果。教師現場點評，以利于下一步的工作更加合理和順利。這對于新時代教與學的關系來說，是一種更新更有效的大學課堂教學方式。

3　“累加式”課程考核設計

累加式考核就是將包括出勤率、課堂的投入程度、回答問題的主觀能動性、作業的完成情況、實驗的表現等等教學的全過程都納入考核的范圍，并通過權重調節這些環節之間的輕重關系，引導學生做好每一個環節。推行累加式考核方法的核心和目標是引導教師采用啟發式、探究式、互動式的課堂教學方法，引導學生通過自主學習激發創新意識，提升創新能力。哈爾濱工業大學[14]、湖北工業大學[15]等在教學中采用了累加式考核體系，實踐效果出色。課程采用累加式考核是科學的，但是更加合理地體現學生的學習效果，是其關鍵所在。將這種虛擬實驗考核納入課程考核中，能夠更加準確地反映學生的學習效果、知識的全面性和掌握程度，這會是一種更加科學和公平的處理方式。經過與學生充分溝通，協商后確定課程考核方案，分為以下三部分。

（1）出勤和課上表現環節

滿分10分；每缺勤1學時，扣0.5分；課程對應的實驗環節必須參加，實驗報告必須認真撰寫和按時提交；虛擬實驗設計的匯報和考核環節必須參加。

（2）虛擬實驗設計環節給分標準說明

本環節滿分50分。按照授課教師提出的設計題目，學生設計小組內部協作完成設計任務。六周時間內，根據前期工作安排進行合作學習，完成各階段的課題任務。期間各小組每周均需進行一次進度匯報，根據教師點評內容進行修改完善。最終進行結題匯報和提交虛擬實驗設計工作報告，所有同學按照教師設計的打分表和打分要求，根據課程設計完成情況及展示效果進行評分。在最終匯報展示后，根據本環節打分統計結果，將各小組分為 A、B、C三檔，各檔比例為20%、50%、30%，各檔對應不同的成績計算權重。

小組組員的得分，由組長組織本小組成員共同商定具體的給分辦法：可以由組長根據平時表現和付出來初步給定，再經組內公示無異議之后確定；也可以在組長組織下組內評議決定。給分標準主要參照兩個方面，組員上臺進行進度匯報時的展示效果，意在鼓勵組員上臺展示，此項為實際得分的重要參考；組員在整個課程設計任務周期內對小組任務的貢獻量，根據小組各成員對課程設計任務貢獻度的大小進行給分。建議組員實際得分分為50、48、45三檔。后續由授課教師組織進行計算調節的處理工作。

（3）試卷考核環節

以閉卷和筆試試題形式進行；試題主要考核學生對試驗過程的分析處理能力和計算分析能力，題型以分析說明和計算說明為主。滿分為40分。

4　問卷調查及結果統計

按照上述教學方案和內容實施教學過程，經過本輪授課后，對本課程104名同學進行課堂教學情況調查問卷，匯總后得出分析結果。

對本次采取的累加式考核方法滿意程度調查，“滿意”占53.8%，“比較滿意”占 44.2%，“比較不滿意”占 1.9%；對這種互動式的教學方法的滿意程度調查，“滿意”占55.8%，“比較滿意”占43.3%，“比較不滿意”占1.0%；對自己主要得到的提高和收獲調查，“專業知識”占17.4%，“文獻查閱”占27%，“軟件應用”占16.3%，“團隊合作”占26.3%，“語言表達”占 13%；對在設計小組里感受到團隊協作的重要性調查，“總是”占43.3%，“經常”占48.1%，“偶爾”占 7.7%，“沒有”占 1.0%；對設計小組團隊合作進行學習認可程度調查，“認可”占56.7%，“比較認可”占38.5%，“比較不認可”占2.9%，“不認可”占1.9%；認為這種虛擬實驗設計+互動式教學的方式還可以加強的方面的調查，“試驗題目設計”占30%，“課堂教學方式”占21.5%，“小組合作方式”占50%；認為這種教學的方式是否有繼續實踐或推廣價值的調查，“有價值”占47.6%，“比較有價值”占45.6%，“比較沒有價值”占 6.8%，“沒有價值”為0；對《汽車試驗學》課程的學習效果和表現的滿意程度調查，“滿意”占34%，“比較滿意”占58.3%，“比較不滿意”占7.8%，“不滿意”為0。

可以看出，學生對本輪授課方式的滿意程度令人欣慰，同時也提出了更高的要求，這有助于教師在以后教學過程中不斷完善。

5　結論

（1）通過對《汽車試驗學》課程進行全新的教學設計（課上/課下環節），可以在保證講授該課程理論知識的基礎上，完成虛擬實驗設計的學習過程，提高有限學時內的教學質量。

（2）學生通過收集資料、理論學習、設計計算分析和講解展示，完成一個完整的虛擬實驗設計全過程，得到知識寬度和高度提升，學習效果令人滿意。

（3）本文提出的教學方式，實現一定程度的課堂翻轉，活躍課堂氛圍，獲得了真正意義上的累加式考核方案，可按此理念繼續探索和研究提高教學效果和培養學生綜合能力的教學方法。

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