虛實結合的精準教學模式在“船舶通信導航設備”實訓課程中的應用研究

李冰蟾 吳 俊 宗許寧 趙立山

(1.江蘇海事職業技術學院 輪機電氣與智能工程學院 江蘇南京 211170；2.南京財經大學 信息工程學院 江蘇南京 210023)

“船舶通信導航設備”實訓課程是海船電子電氣員考證科目之一，該課程以船舶通信導航設備的維護管理為主線，主要培養學生對船舶通導設備的操作，維護、以及故障檢修等實訓技能。傳統的“船舶通信導航設備”實訓教學使用真機設備進行實操訓練，設備投入成本較高，容易磨損消耗，對設備的維護要求高。對于某些復雜設備，不便于用真機設備進行實操訓練；而對于某些危險性系數較高的操作訓練，由于操作不當可能會引起安全問題。隨著行業技術的不斷進步，企業對人才要求的不斷提高，根據目前行業標準與崗位需求，如何改善高校的實操環境，提高學生動手能力與實操技能成為當前實訓教學的重點問題[1-2]。而隨著智能時代的到來，學生作為個體的教育接受者，已經逐漸不能滿足于統一、同質的課堂教育。

2019 年2 月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發了《加快推進教育現代化實施方案（2018—2022 年）》一文，提出要推進虛擬仿真實驗教學，利用現代信息化手段服務教育教學全過程；國務院“職教二十條”提出職業教育要適應“互聯網+職業教育”的發展需求，運用現代信息技術改進教學方法，推進虛擬仿真等技術在教學中的應用；中共中央、國務院在《中國教育現代化2035》中強調“因材施教”“知行合一”，指出要加快“信息化教育時代變革”，提出利用現代教育技術，實現規模化教育與個性化培養的有機結合，推動人才培養模式的改革，[3]。“互聯網+”教育的時代背景下，虛擬現實技術由于其交互性和沉浸性，開始逐步走入課堂，在VR 教育理念推廣的過程中，VR 實訓成為VR 技術推廣的先行者，各國都在研究VR 技術與教育教學的結合，尤其在實驗實訓這方面。國內外利用VR 技術，構建虛擬操作環節，虛實結合的實訓教學模式在教育教學中已經得到了廣泛的應用[4-6]。而隨著課程形態、教學方式不斷地推陳出新，“一刀切”培養共性化人才的傳統教育模式已無法滿足時代的需求。隨著互聯網、虛擬現實、全息投影、人工智能、數據挖掘等信息技術的快速發展，信息技術走進課堂并與教育深度融合，獲得更好的教學效果；同時，深度分析學生在學習過程中產生的行為數據，以學生為中心實施個性化精準教學，能進一步提升教學效果[7-8]。

一、虛實結合的精準教學模式改革目標

實現《船舶通信導航設備》課程實訓教學模式的創新改革要實現的主要目標如下：

（一）突破環境、硬件限制，建立基于虛擬現實技術的虛實結合現代化實訓教學方式

利用VR 技術可以突破環境、硬件限制，模擬出真實環境，讓學生產生身臨其境的體驗，激發學生興趣，提高實訓效果。充分應用現代技術手段，實現虛擬現實與真機設備實訓教學的結合，“以虛代實”“以虛補實”，建立虛實結合的實訓教學方式，能顯著提高實訓效果。

（二）強調個體差異性，實現個性化實訓教學

傳統的實訓教學模式沒有區分度，所有的學生實操訓練的項目內容一樣，不能開展個性化實訓教學。而智能時代的教學注重個體差異性，強調個性化的精準教學，基于人工智能技術，研究虛實環境下的學生學習行為，開展精準教學[9]。

（三）推動實訓教學模式改革，真正將“以教師為中心”轉變為“以學生為中心”

而通過人工智能與教學的融合，對學生開展個性化教學，能提高學生興趣，培養自主學習能力，從教師主導課堂切實轉變為“以學生為中心”。

二、虛實結合的精準教學模式設計

(一)構建虛實結合的實訓模式

針對“船舶通信導航設備”實訓課程的教學現狀，結合《STCW 馬尼拉公約》最新修正案中對海船電子電氣員做出的新規定，特別是規定中關于船舶通導部分的技能要求，依據行業企業人才需求，我們利用PLC、VR 等技術構建教、學、做一體化項目訓練環境，提出了一種虛實結合的“船舶通信導航設備”課程實訓教學模式，滿足海船電子電氣員的技能訓練要求，提高學生實操動手能力。

實訓教學包括以下三種方式：基于PLC 的排故實操訓練，基于VR 的故障檢修訓練和真機實操。“船舶通信導航設備”實訓課程在開展教學時，做到“虛實結合”[10]，對于普通實訓項目做到“能實就實”，利用實訓室的駕控臺真實設備進行實操訓練，如船舶通信導航設備的基本操作等；對于某些故障檢修類實訓項目，則通過在設備上設置故障點，結合PLC 完成實操訓練，如設備電源的檢修、信號線的連接等；對于某些難以實際開展的實訓項目，則利用虛擬現實技術構建虛擬場景與設備器件的方式來完成，如設備內部模塊故障的檢修等。本實訓教學模式實現了虛擬仿真操作和實際操作虛實結合，相互補充，揚長避短。

實訓教學模式如圖1 所示：

圖1 虛實結合的實訓教學模式

（二）構建基于個體差異性的精準教學模式

在學習過程中，學生的綜合素質有所差別、接受能力也各不相同，為了給不同的學生提供更為適合的精準教學方案，需要了解學生的學習數據。對虛實結合的“船舶通信導航設備”實訓課程，構建基于用戶行為數據分析的精準教學模式如圖2所示。

在學生的實操訓練過程中，采集學生過程行為數據，如學生的操作時長、提示使用次數、任務完成度、仿真訓練鼠標軌跡與停留點擊、VR 環境下的眼動數據等，對學生的學習過程數據進行數據挖掘，挖掘分析包括預測、聚類、文本挖掘、關系挖掘、模型發現等[11]，結合人工智能技術進行個體分析，對學習者的知識點、實操技能點掌握狀況進行實時監控和診斷，從而了解學生的學習進度與掌握程度，把握學生的學習情況，建立個性化的學習者模型，學習者模型包括學生的學情數據、偏好興趣、強項弱項等信息，并生成雷達圖分析報告，幫助學生查漏補缺。

不同學習者模型之間存在差異性，這種差異性會導致教學目標的差異性，而分層的教學目標又進一步體現在學習進程和任務難度的差異性安排上。以基于用戶行為數據的學生學習過程分析為基礎，以個性化的學習者模型為對象，提出一種包含課前預習與學生分組、課中基于學習者模型的實訓任務與進程分配與差異化指導、課后匹配學習者模型的習題、學習資料與任務的差異化推送等環節的教學流程。其中課前環節主要是通過與學生認知水平匹配的預習活動讓學生掌握任務相關的基礎知識，并基于預習內容的完成程度、知識技能的薄弱環節設置差異化的學習目標，并根據學習和模型進行分組，為課中小組實操任務做好準備。課中環節主要是基于差異化的學習目標，根據學習者模型進行不同小組實操任務安排與進度安排，并進行各小組的差異化指導。課后環節則是讓學生利用線上課程平臺開展自主練習。基于學習者模型，平臺會給不同的學生推送差異化的學習資源與任務、習題等，進一步促進技能點的掌握。通過以上教學過程，實現因學定教，個性化精準教學。

圖2 基于用戶行為數據分析的精準教學模式

三、結束語

構建符合現代信息技術發展要求的虛實結合現代信息化學習環境，結合人工智能開展符合學生個性的精準教學，實現一種以“自主、探索”為特征的符合學生個性差異性的教學方式，發揮了學生的學習主體性，改變了傳統的“教師為中心、學生共性化培養”的教學模式，真正做到因材施教，使學生的創新精神與實踐能力的培養落到實處，有助于推動“船舶通信導航設備”實訓課程的教學模式改革，并為其他課程改革提供理論依據與實踐指導。