能源動力類專業開放自主式實驗教學模式探索

費景洲， 路 勇， 高 峰， 李淑英， 馬修真

(哈爾濱工程大學， 船舶動力技術國家級實驗教學示范中心， 哈爾濱 150001)

0 引 言

“互聯網+教育”的主要特征是教育與信息化相融合以及信息化所帶來的自主學習?；ヂ摼W教育所帶來的自主式、交互式、開放式的學習方式，給傳統的教學模式帶來革命性改變，給高等學校教育教學的發展帶來巨大挑戰[1-3]。正如《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)》所述：信息技術對教育發展具有革命性影響，必須予以高度重視。教育部為落實規劃要求，推動信息化與高等教育深度融合，創新人才培養模式，開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作，目前已有300余個高校的虛擬仿真實驗教學中心獲批國家級虛擬仿真實驗教學中心，虛擬仿真實驗中心建設已經成為教育部推進教育信息化的重要舉措[4]。虛擬實驗與互聯網技術相結合形成的網上遠程實驗系統，具有不受時間、空間制約的特點，為自主式學習、開放式教學奠定技術基礎?！盎ヂ摼W+教育”模式下的虛擬仿真實驗和開放自主式實驗，對傳統的實驗教學思想、體系、模式、內容、方法以及手段都產生了意義深遠的顛覆性影響，必將不斷推進高等院校的實驗教學改革與創新[5-8]。

開放自主式實驗教學是以學生為主體的自主實驗模式，能夠避免傳統實驗教學過程中教師課前演示學生模仿復制的教學弊端，在發揮學生學習主動性、培養學生創新能力方面具有諸多優勢。目前在電子、生物、化學等學科的實驗教學中大面積開展[9-12]。能源動力類專業的實驗教學中多涉及到高溫、高壓、高速等風險性較大的實驗項目，實驗過程中能源、備件等實驗消耗也很大。這些不利因素限制了開放式教學、自主式教學等新型教學方法在能源動力專業實驗教學中的發展。

在我校船舶動力技術國家級虛擬仿真實驗教學中心的平臺上，將“互聯網+教育”的理念融合到虛擬仿真實驗教學中。建設虛擬仿真實驗系統和網上虛擬實驗室，探索“線上線下相結合、虛擬現實相結合”的開放自主式實驗教學模式，推進以學生自主學習為中心的開放自主式實驗教學模式改革。通過“開放自主”培養學生的創新意識和自主實驗能力，解決能源動力類專業實驗教學過程中普遍存在教學模式落后、學生實驗參與積極性差、學生主動性學習能力差等問題。

1 能源動力類專業實驗教學改革現狀及問題

1.1 國內相關專業高校教學改革現狀

為提升學生的工程實踐能力和創新能力，國內能源動力類相關院校針對自身的教學特點，結合國家級實驗教學示范中心建設項目，積極開展教學模式改革和探索。華中科技大學加強實驗教學體系改革，探索構建實驗室開放制度，希望通過實驗室開放進一步提升培養學生的綜合實踐能力；重慶大學針對目前實驗教學中存在的實驗教學體系滯后、實驗課程缺乏統籌、專業特色不夠明顯等問題，在實驗教學手段上，通過綜合仿真實驗和虛擬實驗，強化和綜合所學知識，進一步增強學生的綜合素質和實際動手能力；上海理工大學在實驗教學過程中通過實驗教學網站為實驗教學提供高效優質實驗教學資源，學生通過網站查閱實驗課件、完成課前預習、進行實驗總結、交流實驗心得，在實驗教學平臺網絡信息化建設方面取得了較好的成效；華北電力大學構建火力發電系統仿真虛擬實驗和半物理仿真平臺，充分發揮虛擬仿真在實驗安全、實驗成本等方面的優勢，形成以虛擬仿真實驗教學為特色的實踐教學體系，在虛擬仿真實驗和學科特色相結合方面做出了突出的貢獻。

在教育部國家級實驗教學中心建設、國家級虛擬仿真教學中心建設相關文件的引領下，實驗室開放、虛擬仿真實驗、網絡化教學等內容已成為目前國內高校實驗教學改革的重要發展方向。在“互聯網+教育”背景下，通過互聯網教學和實驗室開放等手段為學生自主學習創造條件，強調通過自主學習提升學生的實踐能力和創新能力，已經成為高等學校實驗教學改革的重要發展方向。

1.2 實驗教學中存在的主要問題

目前能源動力類專業實驗教學主要沿襲傳統實驗教學模式：老師先按照實驗指導書要求講解實驗要求、實驗內容、實驗步驟等內容，有些情況下還要先給學生演示一遍實驗操作步驟。學生按部就班地按照規定步驟完成實驗操作、實驗數據處理及實驗報告。這種實驗教學過程是一種典型的“鸚鵡學舌”式的教學過程。教學模式依然是老師講學生聽，教師在課堂上的主體地位沒有發生變化，學生被動聽講的地位也沒有改變。由于學生在課堂上缺乏參與感，基本上是老師講課的熱情很高，學生聽課的興致較低。教學模式落后、學生實驗參與積極性差、學生主動性學習能力差等問題在能源動力類專業實驗教學過程中是普遍存在的[13]。

為了改變這種傳統的實驗教學模式，國內外許多高校都在大力推廣開放自主式實驗教學方法。其核心思想就是學生是實驗教學課程的主體，實驗過程由學生自主管理。具體的做法包括學生自主設計實驗內容、規劃實驗步驟、設計實驗報告等，學生在整個實驗過程中盡可能的“自主”，老師甚至不需要在課上進行實驗講解。開放自主式的實驗教學能將傳統的演示驗證性實驗轉化為綜合設計性實驗，提高學生在實驗過程的參與感和實驗熱情，有利于培養學生的實驗設計能力和綜合實驗素養。國內很多高校在電子、生物等學科開展了開放自主式實驗教學模型改革，在創新型人才培養方面取得了明顯的效果[9-12]。開放自主式的實驗教學方法受到了越來越多的其他學科專業實驗教學人員的推崇，其應用的學科領域也在快速地擴大。

能源動力類學科的實驗教學項目，尤其動力機械專業(包括柴油機、燃氣輪機、蒸汽動力等專業方向)的專業課程實驗項目，會涉及到高溫、高壓、高速旋轉的設備，實驗存在一定的安全風險。同時還具有實驗設備造價高、臺套數量少、實驗消耗大等特點。受實驗風險、實驗費用和實驗臺架數量的制約，電子、生物等其他學科在開放自主式教學、研究式教學等方面取得的教學研究成果，難以在能源動力類相關專業進行全面的推廣應用。能源動力類專業在開放式、自主式實驗教學模式改革方面的深度和廣度不能滿足創新型人才培養的需要。

2 互聯網平臺下的開放自主式實驗教學模式

為解決能源動力類專業實驗教學過程中的主要問題，培養學生自主實驗能力，結合互聯網和虛擬仿真實驗的優勢，在開放式教學管理平臺的支撐下，探索“線上線下相結合、虛擬現實相結合”的能源動力類專業開放自主式實驗教學模式。對于基礎課程實驗項目，采用“線上線下相結合”方法：線上利用虛擬仿真資源進行實驗預習，線下在實驗室內學生自主開展實驗項目；對于專業課程實驗項目采用“虛擬現實相結合”方式，“虛擬”是指按照物理設備構建的虛擬仿真實驗系統，“現實”是指實際的物理實驗設備。虛擬實驗完成現實實驗難以完成的實驗內容，是對現實實驗的補充和拓展，二者相結合構成開放自主的教學方法。該教學模式的系統構成示意圖如圖1所示。

圖1 開放自主式實驗教學模式的系統構成示意圖

2.1 “線上線下相結合”的基礎課程實驗教學

“線上”是指網上虛擬仿真實驗系統，“線下”是指真實物理設備實驗室?；A課程的虛擬仿真實驗系統按照真實的物理實驗操作過程開發，虛擬實驗過程及關鍵步驟與物理設備實驗操作相同。學生在課前通過互聯網訪問方式開展虛擬仿真實驗，模擬與實際物理實驗相一致的實驗操作過程。線上可以反復演練虛擬實驗項目，熟悉實驗要點，訓練實驗操作步驟和模擬觀測實驗現象。線上的網絡虛擬仿真實驗為學生提供實驗預習、實驗課前自我學習的手段，同時為線下物理實驗教學過程的開放自主式實驗模式奠定基礎。

對于能源動力專業的基礎課程實驗，比如熱工基礎、測試技術、控制原理實驗課程等，采用“線上線下相結合”的開放自主式實驗教學模式。下面以能源動力專業的基礎實驗課程—熱工基礎實驗課為例，說明“線上線下相結合”的開放自主式實驗教學主要過程。

建立網上虛擬仿真實驗系統，開發與物理實驗項目一一對應的虛擬仿真實驗項目，包括熱工基礎實驗課程中的絕熱材料導熱系數及比熱、大容積沸騰放熱系數測定、風洞綜合、二氧化碳臨界狀態觀測、熱電偶制造與標定、空氣沿橫管表明自由運動放熱實驗等10余個虛擬仿真實驗項目。二氧化碳臨界現象觀測實驗的虛擬仿真實驗與物理實驗對比如圖2所示。

虛擬仿真實驗系統按照真實的物理實驗操作過程開發，虛擬實驗過程及關鍵步驟與實際實驗相同。學生在課前通過互聯網訪問方式(線上)開展虛擬仿真實驗，模擬與實際物理實驗相一致的實驗操作過程。線上可以反復演練虛擬實驗項目，熟悉實驗要點，訓練實驗操作和觀測實驗現象。這樣待線下(課上)進行物理設備實驗時就無需教師講解演示，學生自己就可以按照實驗指導書規定的步驟進行實驗。

(a) 虛擬仿真實驗

(b) 真實實驗

2.2 “虛擬現實相結合”的專業課程實驗教學

“虛擬現實相結合”的開放式教學模式主要應用于專業課程實驗項目上。虛實結合在這里有2個方面的內容：① 通過虛擬實驗練習實驗操作過程，模擬實驗現象；② 對于物理實驗難以實現或者實驗成本太大無法大面積開展的實驗項目，通過虛擬實驗來實現相關實驗內容?；谶@兩點，開發了內燃機、燃氣輪機、蒸汽動力虛擬仿真實驗系統等虛擬仿真實驗教學資源，涵蓋能源動力專業各個方向的專業實驗課程[14]。在教學管理平臺的支撐下，開展“虛擬拓展現實，課上開放自主”的教學改革，下面以熱能工程專業的增壓鍋爐結構拆裝實驗為例，說明“虛擬現實相結合”的專業課程開放自主式實驗教學模式。

按照增壓鍋爐實驗室的實際設備為原型開發虛擬仿真模型，構建與真實實驗室高度相似的虛擬仿真實驗環境。學生在虛擬環境下對增壓鍋爐結構進行虛擬拆裝，對系統組成、關鍵設備結構有較為深入的了解和掌握[見圖3(a)]。進入增壓鍋爐實驗室(真實實驗)后，通過實驗室的物理設備認識增壓鍋爐各個部分的系統結構[見圖3(b)]。學生在自主實驗過程中，對于需要深入了解掌握的內容，如爐膛結構、對流管束的布置形式等，實際物理設備是不能現場給學生做拆裝實驗的，可以通過虛擬仿真實驗教學資源中的虛擬拆裝實驗來拓展學習相關內容[見圖3(c)]?！疤摂M現實相結合”的教學模式，將虛擬結構拆裝和實驗室設備拆裝緊密結合起來，二者優勢互補，既能拓展實驗內容，又能給學生開放自主的實驗空間，對學生的自主學習和創新能力培養都大有益處。>

(a) 虛擬拆裝

(b) 真實設備

(c) 爐膛管束結構(實驗拓展)

2.3 虛擬仿真實驗教學資源

虛擬仿真教學資源為開放自主式實驗教學模式的開展提供了大量虛擬仿真實驗項目，起到了重要的支撐作用。在船舶動力技術國家級虛擬仿真實驗中心的建設過程中，充分發揮科研優勢，將大量的優質科研成果轉化為虛擬仿真實驗教學資源，同時按照“虛實結合、能實不虛”的原則，將虛擬仿真實驗教學資源與真實實驗設備緊密結合起來，實現優勢互補。

目前開發的虛擬仿真實驗教學資源主要包括熱工基礎、測試技術、內燃機結構及性能、燃氣輪機結構及性能、增壓鍋爐結構及性能、聯合動力裝置虛擬仿真實驗系統等。這些虛擬仿真實驗教學資源涵蓋了能源動力專業的專業基礎實驗和柴油機、燃氣輪機、蒸汽動力裝置等多個方向的專業實驗教學內容。具體的虛擬仿真實驗系統見我校船舶動力技術虛擬仿真實驗教學中心網站。

2.4 開放式實驗教學管理平臺

管理平臺的主要作用是為開放自主的實驗教學模式提供網上實驗教學環境和教務管理[15-16]。開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺主要包括虛擬仿真實驗中心門戶網站、實驗前的理論學習、實驗的開課管理、典型實驗庫的維護、實驗教學安排、實驗過程的智能指導、實驗結果的自動批改、實驗成績統計查詢、數字化資源管理、師生互動交流和系統管理等子系統。

3 結 語

互聯網平臺下“線上線下相結合、虛擬現實相結合”的開放自主式實驗教學模式，把傳統的課下預習寫報告變成“游戲”式的虛擬仿真體驗，把教師課上的實驗演示變成學生自主探索學習過程，避免了能源動力專業傳統實驗教學過程中“鸚鵡學舌式”教學模式的弊端，讓實驗過程變得好玩一些，激發了學生對實驗內容的好奇心，點燃了學生的實驗熱情，同時在實驗課上也給學生更多的探索和嘗試的機會，受到了廣大學生的歡迎。

目前在能源動力專業實驗教學上的開放自主還僅限于一些指定的實驗項目，“開放”和“自主”的程度都遠遠不夠。未來希望能夠進一步擴大實驗開放的深度，在實驗項目選擇、實驗方案確定、實驗步驟安排、實驗報告撰寫等實驗過程的各個方面，給學生更大的自主性，逐步實現學生在整個實驗過程的自主學習和自我管理，不斷提高學生的創新意識和實踐能力。