基于學習軟件的工程訓練線上教學模式探索

陳宇姍，童 洲，江麗珍，焦文正

（廣州城市理工學院 工程訓練中心，廣東 廣州 510800）

0 引言

高等工程教育改革發展已經站在新的歷史起點。工程訓練中心是全校7個學院（含部分文科生）學生工程能力提升的機構。本中心近年開始構建引入虛擬仿真模塊，比如虛擬注塑成型，虛擬五軸數控加工，CAD建模、CAE模流分析、ANASYS力學有限元分析、機器人自動化專業、模擬制造軟件和網絡通信應用等新技術內容，把以前孤立分開的傳統實踐教學以自動化控制的共性連接起來，但是這些項目都停留在與實體設備相連接，沒有形成統一的線上教學內容。通過這次疫情的推動，嘗試在實踐中探索工科院校的金工實習線上教學虛擬仿真教學運作模式[1-4]。

疫情形勢下的教育模式被動改變，促使以前沒有開展網上教學的實操類科目不得不采取新的網上教學模式，催生出了一種虛擬體驗教學模式創新，產生許多新的教學運行管理體系，使傳統的實操課程也能像其他理論課一樣在網上進行教學，智能制造實訓教學能與互聯網技術更好地進行融合[5-6]。

1 課程的基礎和平臺的建設

1.1 構建虛擬體驗教學體系

線上教學的核心是能夠模擬真實的情景體驗，替代真實的實訓場景，從而實現線上教學與線下教學的一致性，解決了傳統的實訓場地、設備儀器不足的限制、設備損耗、實訓安全等問題。虛擬體驗是利用虛擬現實技術或計算機仿真技術創設一種類似真實實習教學的場景、裝置和方法，能夠豐富和改善現有的教學手段，加深學生對實習內容的理解，能夠為實習者帶來沉浸感、交互性和想象性，增強實習的體驗，同時能擴展實習場地邊界，為實習者提供豐富的實習資源[7]。

學院開展了基于超星網絡平臺的線上虛擬體驗教學，其課程資源應用了華南理工大學工程訓練中心胡青春教授開發的“工程認知”和本校工程訓練中心教師團隊開發的金工實習部分虛擬實訓體驗項目；針對不同學院、不同專業學生對金工實習的學習任務，對“工程認知”線上實訓課程任務內容進行規劃設置。

1.2 搭建虛擬仿真實習平臺

通過這個理念，構建了工程訓練線上虛擬體驗學習平臺，以“超星網+學習通”的模式進行教學創新，如圖1所示。

平臺實現多功能的集成，提供的6大模塊有：線上虛擬體驗項目預習、超新線上虛擬實訓、作業和考試系統、設備演示實訓、學生和成績管理、師生交流與互動平臺。通過6大模塊組合，涵蓋實訓全方位內容，從實訓內容分配、實踐演示指導和成績管理和互動交流等組成全方位的教學框架，從而提升學生學習效果[8]。

圖1 機械工程訓練線上虛擬體驗學習平臺

2 工程訓練網上虛擬體驗教學具體運行實施

2.1 課程體系主要內容

“工程認知”這門課程包含5大部分的內容，主要介紹工程的內涵、工程的歷史發展軌跡、工程教育的使命、機械制造工程、制造工程技術前沿[14-16]。特別是對工程與環境、社會、文化等的聯系進行交叉融合介紹，這一視野的開闊，不僅提升學生的宏觀認知層次，提升術的技能，更對道的理解和啟發有深遠影響。這門課程囊括了眾多內容和領域，有助于全方位提升學生認知，形成高層次價值觀，為后續的學習打下良好的理論基礎[9]。

2.2 課程任務實施

在實際的運作中，我們將這種模式運用于5個工科學院總計1427名學生。不同的專業學分各有差異，但基本框架一致，線上成績占比40%，見表1。

表1 各學院金工實習學時分配

平臺的搭建首先登錄超星網，進行設置，“工程認知”這門課的視頻放入，并設置教學任務點，教學任務點是根據不同專業進行不同要求的課程內容。它是學時分配以及教學內容設計的具體體現，以視頻觀看的完成程度評價學習任務的完成[10]。

同時，可將課程有關的其他視頻和課件，放進資料庫，給學生們充足的學習補充，補充資料幫助對這門課有興趣的同學，提供豐富的補充教學資源。比如緒論部分，除了將緒論和競賽與認知的PPT之外，還增加了“身邊的工程活動”其他材料，如“手機按鍵疲勞試驗臺”的視頻、“水浮蓮處理船工作過程”的視頻、身邊的工程活動的電子版教材；又比如“競賽與工程認知-接力小車”部分，設計了內容豐富的PPT。視頻觀看，高效快速認知的方式，常用于基本認知的拓展。對于有一定深度的問題，如果要深刻思考其中的內在聯系，或者工程細節的聯系展示及內在的原理思考，是需要靜態的PPT作為啟發，能在腦中進行思考，進行有效的學習消化。因此PPT的合適設計，完美的對視頻內容進行了補充。這個有助于理解真實的實操學習場景，能提升學生各種學習能力，擴展思維認知維度。

將課程發送給學生后，學生只需要在手機“學習通”里進行學習，并不需要特定的時間及地點進行學習，加大了學習的靈活性。同時，也能為每一個學生自主學習提供個性化指導。總之，提供多樣性，個性化的學習平臺，更有利學生消化吸收知識。

學生端的操作也非常簡單，進入“學習通”APP后，在“全部課程”下面選擇“工程認知”，然后選擇里面的“章節”，接下來可以看到任務點總數，任務點就是需要學生學習的內容。比如，點開第一個任務點“（一）課程介紹”，即可觀看學習視頻，操作非常便捷，看視頻的過程中，如果有其他事情，可以返回，在選擇其他時間繼續觀看。如果學生理解不夠，也可以重復觀看。這樣學生可以分散學習，減少集中，有利于疫情的平穩控制。

2.3 典型訓練項目實施

以PLC實習線上虛擬體驗教學、3D打印虛擬體驗教學為例。PLC實習的線上虛擬體驗教學，是讓學生通過線上虛擬體驗實習，對所學內容進行理解和掌握，通過平臺提供的若干典型的線上虛擬體驗案例，對PLC的邏輯運算進行消化理解，同時為學生自我編程提供驗證程序，以此積累編程經驗，進行PLC知識的深化和鞏固。引入形象化的實例，幫助學生理解并掌握抽象化的觸點和線圈的邏輯含義，對于觸點的深度掌握靈活運用，特別是定時器線圈對觸點的延時控制，觸點之間的相互影響，常開觸點和常閉觸點之間的異同，非常有幫助，還有助于學生克服對于邏輯理論的相對抽象而難以理解的困難。

為了線上虛擬體驗，借鑒了線下實習的上課案例，通過軟件進行范例的線上化的優化，從而保證學習效果的一致性。如圖2所示，從基礎編程、設計拓展、實戰仿例多層次為學生開發了三個線上虛擬體驗案例：案例1.基本指令編程練習；案例2.十字路口交通燈；案例3.LED數碼顯示。這3個案例由點帶面，層層推進，有助于學生快速形成整體編程概念，融會貫通，提升編程開發能力。并且由于仿真實驗的調試過程與實物實驗極為相似，當線下實訓平臺開放時，學生可以回到到實物平臺上直接進行再次驗證。

3D打印訓虛擬體驗教學目的是讓學生形成自主創意創新產品設計，轉化為概念草圖為三維數字模型的設計工具和將數字模型快速生成實物模型的理念。主要利用學生已經學過的solidworks等建模軟件對3D模型進行建模，以掌握3D打印技術，從中熟悉3D打印軟件和設置，材料的選擇，打印過程的要點難點，完成零件的設計建模、3D打印加工、驗證。形成一系列產品設計的方法和原理認知，最后完成產品加工鏈的閉環輸出，整個流程如圖3所示。

圖2 PLC實習線上虛擬體驗平臺架構

圖3 3D打印網上體驗教學工作流程

2.4 線上虛擬體驗考核評價

工程訓練線上考核的方式也需要根據疫情的情況重新設計，必須監控學生的學習效果。因此題庫的設置非常重要，以“第二章機械制造工程認知”為例，簡述一下題庫的建設。題庫的建設需要對知識點進行逐一考核。如圖4所示，目的讓學生理解常見的切削加工主方法。然后對各種加工的適用范圍，又可以出選擇題，諸如此類，把知識點逐一進行量化，靈活設置不同的考題，達到加深學生對所學內容的理解目的，這樣優于死記硬背。

圖4 以切削加工為例的題庫設計

基于這樣的題庫設計思想，對于各章節都設置了類似的題目，每學完一個章節，就可以進行測驗，以檢查自己的學習效果。這種測驗時間隨機，可以利用各種空隙時間完成，通過這種充分利用非正式學習空間的學習方式，能夠給學生帶來空間參與感，可選擇性和成就感，能夠很好地提升學習效率。同時營造出一種輕松的學習氛圍，有利于學生發揮創造性思維，激發大腦潛能。

3 線上虛擬體驗教學的學生成績管理

如圖5所示，對課程的相關進行設置。比如作業、章節測驗、考試分數的線上學習分配占比，觀看視頻的次數，單個視頻的觀看進度得分，都可以根據要求自由設置。還可以設置線上教學和線下教學分數分配的比例。

圖5 學生成績管理

該系統還可以同步監控學生的學習情況，綜合評價學生的學習質量。具體在“成績管理”-“成績統計”，可以看到每一位學生的每個部分的完成情況，用“綜合成績”來檢驗學習效果。綜合成績的評定，不是單方面的，而是多維度發散式的考驗組合，這樣就保證了線上學習的真實效果，也對學生的學習規劃有很好的監督和導向作用。

4 教學實施的成效與反饋

本課程因受疫情影響被動地由線下教學轉為線上進行，當實訓場景由真實環境轉向虛擬環境時，學生可充分利用先進的軟件開發工具，以現代自動化領域中最重要的人機交互模式來完成實訓任務。2020年開展了基于超新網絡平臺的線上虛擬實訓教學，其課程資源應用了華南理工大學工程訓練中心開發的“工程認知”和本校工程訓練中心教師團隊開發的金工實習部分虛擬實訓體驗項目。

4.1 線上虛擬實施效果

本次教學完成了五個工科學院（電氣工程學院、機械工程學院/機器人工程學院、汽車與交通工程學院、電子信息工程學院、通信工程學院）機械工程訓練線上虛擬體驗線上教學和手機APP考試平臺應用。2020年共計1415名學生的網上虛擬工程訓練實踐教學，并應用手機“學習通”APP平臺進行了工程訓練線上考試，以及學生成績統計。如圖6所示，以2019級機器工程學院機器人3~4班的金工實習線上實訓考試為例：考試之后，在“金工實習在線考試”-“考試”中調出機器人3~4班的試學生成績統計，即可進行查閱分析。

圖6 機器人專業金工實習線上實訓考試表

4.2 線上虛擬的優點

（1）突破實際空間場景，創新教學模式。通過這種新的教學模式，較好完成了疫情期間的線上教學任務。但仍然會保留線下的教學內容，因為有部分內容已經在線上學習，因此線下的課時進行了優化，主要把課時分配到實踐類。比如，數控車床切削加工，理論的內容在線上已經講過，那么在優化后的實踐，主要集中在上機床實操。

（2）激發學生學習熱情，提高學習效率。線上資源豐富，有利于激發學生的實訓興趣與學習探究的積極性，拓展學生的思維層次，發展認知空間。把線上的學習占總成績的40%，既肯定了線上學習的內容，也保證了線下學習的重要性。通過減少線下實習的比例，減少學生聚集的時間，有利于疫情的防控，同時也不減少學習效果，取得雙贏結局。

（3）教學素材的循環利用。以教學視頻形式呈現軟件使用的基本操作，能夠使學生在任何有需要的時候觀看、揣摩。對于重點難點的學習，尤其有利，重復觀看學習，有助于學生消化理解，使教師教學效率更高。

（4）快速學習關鍵技術。實操時設備演示需要的準備工作需要繁冗的簡單重復，需要較多時間才能進入重點工藝部分，而線上虛擬可以快速跳過多余的演示環節，最快地了解制造過程的關鍵技術環節，體驗關鍵工藝過程，還可以橫向比較不同的技術仿真方案產生的效果，更好地積累工藝經驗。

（5）提高實習安全系數。傳統的沖壓成型、壓力鑄造，熱處理和焊接等，實訓演示過程會產生高溫高壓等危險因素，網上虛擬體驗能避開這種危險環境體驗此類工藝技術過程，能夠更安全的學習。

5 結語

隨著互聯網加和疫情發展的推動，在線教育持續發展，謀劃更新教學模式勢在必行。交叉融合的教學內容模塊跟隨智能化的發展而持續更新，突破傳統教學模式，改變單純認識的枯燥教學方式，以智能制造改造為導向，進行在線實訓課程改革實踐與探索，疫情形勢下的教育模式被動改變，使得智能制造實訓教學得到了與互聯網技術更好地進行融合。該教學模式將實訓教學應用場景轉化為實踐教學影像資料，突破實際空間場景，形成獨特的線上教學模式及考核模式，保證教學質量不會因疫情影響，從而保證教學效果。