線上線下混合應用的虛擬仿真實驗教學模式

羅怡 丁雪萍 王新鑫 李春天

[摘 要] 針對當前實驗教學在教學模式、學習形式、考核方式等方面存在的問題，提出基于SPOC教學模式，將SPOC在線教學與虛擬仿真實驗教學深度結合，虛擬仿真實驗和實驗室實體實驗深度融合，通過課前、課中和課后三個階段的教學活動設計，形成應用于虛擬仿真實驗教學的線上線下混合式教學新模式，致力于充分調動和培養學生自主實踐創新能力，構建思路清晰、形式新穎的混合式實驗教學方案，從而提高實驗教學活動設計的開放性，切實提升實驗教學質量。

[關鍵詞] 虛擬仿真;實驗教學;混合式教學;SPOC

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）10-0153-04 [收稿日期] 2021-03-20

教育部《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》中指出：教育信息化發展要以教育理念創新為先導，以優質教育資源和信息化學習環境建設為基礎，以學習方式和教育模式創新為核心，提出信息技術應與教育全面“深度融合”的全新理念[1]。自2013年教育部啟動國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作以來，營造虛實結合的實驗環境和平臺已成為信息技術融入實驗教學的重要舉措[2]。結合信息技術與教育全面“深度融合”的理念，SPOC（Small Private Online Course，小規模限制性在線課程）應運而生。相對于MOOC（Massive Open Online Courses，大規模在線開放課程）而言，SPOC是一種將課堂教學與在線教學相結合的新型學習模式[3]。既融合了MOOC的優點，又彌補了傳統課堂教學的不足[4]。SPOC在教學應用中更強調線上課程和線下課堂的互補和融合，更適合個性化學習和新型實驗教學模式的開展[5]。利用SPOC進行線上線下混合式實驗教學，有助于虛實結合的實驗教學環境的設計與呈現，促進新型實驗教學模式的開展和深化[6，7]。

本文以當前教育領域熱門的在線開放教學為切入點，將SPOC教學模式引入專業實驗教學，虛擬仿真實驗與實驗室實體實驗相結合，以開放共享的理念設計專業實驗教學活動，形成開展虛擬仿真實驗教學應用的線上線下混合式教學新模式。

一、傳統實驗教學模式存在的問題

實驗教學的最終目的致力于培養學生的實踐能力和自主探索能力[8]。但是，在目前的高校實驗教學中，普遍存在以下問題。

（一）教學模式單一化

將實驗教學依附于理論教學已成為廣泛采用的傳統教學模式，實驗教學僅在于驗證知識、得出結論，在實驗過程中教師指令性地講授知識，學生被動完成學習目標，實驗課程教學模式單一化，學生分析、解決問題的能力得不到培養[9]。

（二）學習形式機械化

簡單的驗證演示性實驗居多，挑戰性的創新、綜合設計實驗偏少。實驗教學過程缺少能調動學生獨立思考的實踐活動，無法調動學習興趣，學生容易注意力渙散，學生的自主實踐能力以及創新思維能力得不到鍛煉。

（三）考核方式程式化

現行的實驗教學多將提交實驗報告等單一的結果性評價作為唯一的考核方式，忽視了對實驗教學過程的考核。學生的自主學習能力和創新思維能力無法得到檢驗，動手和實踐能力無法真實展現。另外，教師并不能準確掌握學生在實驗過程中的真實學習態度和學習成效。

二、混合式教學對虛擬仿真實驗教學的價值

在實際教學應用中，線上網絡課堂和線下傳統課堂在教學應用中各有利弊，因而教育領域提出了線上線下混合式教學。混合式教學采用的方式是把線下傳統課堂教學與在線課堂教學結合起來，以教師為主導，引導、啟發、監控教學過程;以學生為主體，充分調動學生參與學習的主動性與創造性。因此，線上線下混合式教學呈現了信息時代教育教學的一種新模式[10]。

本文提出基于SPOC教學模式將虛擬仿真實驗和實驗室實體實驗深度融合，形成線上線下混合式教學應用于實驗教學的總體思路。具體而言是遵循“學生為主體、教師為主導”，以學習成果為導向，利用形式多樣的學習資源，將再現式實驗教學轉變為情境多樣的線上線下混合互動式實驗教學，激發學生學習興趣，培養學生自主實踐能力，構建出思路清晰、形式新穎的混合式實驗教學方案。

三、混合式虛擬仿真實驗教學模式

針對作者所在焊接技術與工程專業的學科特點及虛擬仿真實驗的教學特點和優勢，設計了線上線下相結合的混合式實驗教學模式。該實驗教學模式主要將虛擬仿真實驗的教學設計在課前線上學習、課中實驗、課后反思測評3個教學階段予以體現。通過將線上線下教學模式相結合應用于虛擬仿真實驗或實驗室實體實驗，使實驗教學活動組織與進程適應于學生認知行為。圖1所示為將虛擬仿真實驗設計為核心實驗的教學模式，圖2、圖3所示為虛擬仿真實驗和實驗室實體實驗混合的教學模式。根據教學目標的具體要求，可將虛擬仿真實驗設計為前期認知實驗，實驗室實體實驗設計為進階實驗（圖2），也可將實驗室實體實驗設計為前期認知實驗，虛擬仿真實驗設計為進階實驗（圖3）。

（一）課前線上學習階段

該階段將SPOC學習平臺與實驗教學相結合，基于SPOC學習平臺設計課前學習活動，以實現基本實驗知識傳授為學習任務導向。

1.教師教學部分。教師通過SPOC學習平臺管理實驗教學學習資源，模塊化實驗課程知識內容，使每個模塊體現具體的實驗基礎知識點。根據實驗課程的進程安排設計階段性學習目標、教學活動，并通過SPOC學習平臺追蹤和管理學生學習行為，有針對性地解決學生學習疑難，監督學習任務的完成。

2.學生學習部分。學生通過SPOC學習平臺接收教師布置的學習任務，根據自身情況安排線上資源學習。在充分完成學習資源的學習后，通過學習資源中的習題以及單元測試檢驗課前自主學習的質量，完成學習過程監督考核。并且可以通過線上交流及時獲得教師對學習疑難的解答。根據教學活動設計，還可組織小組協作式學習，考核團隊合作，完成實驗方案設計。

（二）課中實驗階段

該階段以實驗任務為導向進行自主實踐，主要依靠線上虛擬仿真實驗或線下實驗室實體實驗來完成，以實現知識的內化為主要目的。

1.教師教學部分。教師可以單一虛擬仿真實驗為核心實驗設計實驗教學活動及實驗任務，適用于教學目標較為單一的實驗項目。也可以設計更為復雜的實驗教學活動和實驗任務，根據線上虛擬仿真實驗和線下實驗室實體實驗各自的特點，將二者相結合，以虛擬仿真實驗作為實驗室實體實驗的前期基礎，或實驗室實體實驗作為虛擬仿真實驗的前期基礎，設計高層次的任務復合型綜合實驗項目。例如，焊接技術與工程專業的機器人焊接工藝設計實驗，可將焊接機器人工作原理、組成結構、焊接工藝示教編程等基礎性實驗設計為虛擬仿真認知實驗，使學生在虛擬仿真環境中反復學習和熟悉;在進階實驗階段則通過實驗室實體機器人完成工藝設計和結構焊接實施。再如，車架零部件結構的焊接生產實驗，可將基礎性實驗設計為實驗室實體機器人操作認知實驗;在進階實驗階段則通過虛擬仿真技術創設復雜逼真的虛擬生產環境，使學生在幾近真實的環境中通過虛擬實踐學習車架零部件的多工位焊接制作流程。在實驗課堂中，教師的角色被重新定位，是學生學習的引導者，主要起到組織教學活動、控制實驗進程、引導學生思考、解答疑難問題和實驗總結評價的作用。

2.學生學習部分。學生在前期線上自主學習的基礎上，在實驗課堂中通過虛擬仿真實驗和實驗室實體實驗過程中的不斷實踐提升實驗技能和對知識內容的認識。通過教師引導以及學習進程中的團隊協作，解決實驗中遇到的問題，極大地鍛煉自身的綜合素質，促進實踐能力的提升。

（三）課后反思測評階段

該階段以學習成果評價為導向，以線上結合線下的多種形式來完成，以實現知識的鞏固、拓展、分享為主要目的。

1.教師教學部分。針對學生在前兩階段的學習情況，教師以鞏固學習成效為目的設計課后考核任務。在階段性實驗任務完成后，教師需要引導學生發現自己在實驗中的問題或不足，指導學生團隊開展課后討論和優化改進。教師課后的評價以過程+結果的綜合評價為主，并根據學生學習情況反饋，進一步更新實驗教學資源和完善實驗教學設計。

2.學生學習部分。學生課后的主體學習任務是對實驗環節、結果等進行評價及反思，以小組實驗匯報等多種形式總結實驗成功及不足之處。可以采取對疑難問題重復學習、查找資料、尋求教師幫助等多種形式優化、改進實驗方案，或開展后續實驗內容的準備和探索。

結語

充分利用SPOC的教學資源形成線上線下混合式教學模式，勢必成為高校教學的未來發展趨勢。基于SPOC平臺將虛擬仿真實驗與實驗室實體實驗相融合，將線上的教學資源與線下課堂的實驗操作相融合，形成虛擬仿真實驗教學新模式。在信息技術與教育全面“深度融合”的教育理念下，不斷探索新技術在傳統實驗教學中的應用與融合，不斷完善和普及新型教學模式的應用。通過實驗實踐教學，學生學習的主觀能動性、實踐創新能力和實驗教學質量得到了有效提高。

參考文獻

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[10]侯學清，何淑花.混合式教學在《無機化學實驗》中的探索與實踐[J].廣州化工，2020，48（21）：201-202.

Virtual Simulation Experiment Teaching Mode for Online and Offline Mixed Teaching Application

LUO Yi 1，2， DING Xue-ping 1，2， WANG Xin-xin 1，2， LI Chun-tian 1，2

（1. School of Material Science and Engineering， Chongqing University of Technology， Chongqing 400054， China;

2. Chongqing Municipal Engineering Research Center of Institutions of Higher Education for Special Welding Materials and Technology， Chongqing 400054， China）

Abstract： In view of the problems existing in the current experimental teaching， this paper proposes a new mode of online and offline mixed teaching applied in virtual simulation experiment teaching based on SPOC teaching mode， which integrates virtual simulation experiment and real laboratory experiment deeply. Through the design of teaching activities in the three stages of pre-class， in class and after class， this mode forms a new mode of online and offline mixed teaching applied to virtual simulation experiment teaching. The new mode is committed to training students’ independent practice and innovation ability， and constructing a clear and new mixed experimental teaching scheme， so as to improve the quality of experimental teaching.

Key words： virtual simulation; experiment teaching; mixed teaching; SPOC