基于虛擬仿真技術的多元混合線上教學模式探討

夏庚磊　 張博文　彭敏俊

摘要：隨著信息化技術的快速發展，傳統填鴨式教學模式已經不能滿足對創新型人才培養的要求，而充分利用虛擬仿真技術的多元混合線上教學模式可以提高學生的學習興趣與自覺性，是教學改革的其中一個重要研究方向。將虛擬仿真技術應用于線上課程教學，增加實踐環節，提高學生學以致用的能力，建立線上實踐、研討和拓展的多元混合式教學模式，采取過程考核，更加全面地反映學生對知識掌握的程度和應用知識的能力，對促進以學生為本的個性化教學改革和培養學生自主學習能力具有重要意義。

關鍵詞：虛擬仿真技術； 混合式教學；教學模式探討；實施方案

一、前言

在高速發展的信息化時代背景下，傳統的課堂教學培養模式與新工科創新型人才培養需求脫節，成為工程領域國家人才培養的主要限制因素之一。在線教學作為網絡時代遠程教育的實踐形式，具有多種途徑、多種形式或多種方法的多元混合優勢，特別是在近幾年受新冠疫情影響的大環境下，線上教學達到了空前的規模，各個教育機構都在積極探索合適的線上教學模式。但是線上教學模式存在如網絡資源限制、網上教學資源限制、學生素質水平限制以及學生健康狀態限制等多種影響因素，對于線上教學水平和教學成果的評價機制也不完善，還需要開展大量的研究工作。

線上教學指的是有固定班級建制、教學過程師生時空分隔、教學內容和教學活動全部依托互聯網開展的教學過程[1]。隨著國家新工科建設的強力推進，建設了大量虛擬仿真實驗資源，課程教學本身就已經具備了數字化教學的優勢，結合線上的優勢資源，通過互聯網和智能手機、電腦，為線上教學平臺的應用提供了更有力的支持和保障，打通了教師與學生之間的地域以及環境限制。線上教學的發展與普及對于解決教育的公平性、降低教育成本及對偏遠地區教育“弱勢”人群有益，同時也促進了終身學習的發展——學習成為一個可以更個性化的事情，越來越多地受到大眾的歡迎[2]。通過多方位的教學改革和實踐，線上教學的形式得到大眾的認可，也產生了一些積極影響[3-5]。

采用線上教學的方式，一些優勢的網絡教學資源可以共享，使學生有機會接觸更好的教育資源，同時對老師的教學總結和優化改進也是一種很好的促進作用。但是，線上教學也存在交互機制不成熟、師生交互困難的問題。線上教學離不開豐富的教學資源，以媒體為中介的教學交互是在線教學再度整合的關鍵，因此基于虛擬仿真技術構建的線上教學資源，可以為線上教學提供更好的交互效果，促進線上教學模式的發展。王麗等人[6]利用“超星學習通”“雨課堂”“QQ 群”等平臺，實現了創建線上教學資源、直播課 堂、線上輔導答疑、學生學習參與反饋和課程考核評價等全部教學環節。另一個重要的問題是制定怎樣的評價機制，徐柏權等人[7]從教師、學生和環境多維度地構建了線上教學質量評價體系。

二、明確線上教學目標

“核動力裝置與設備”是工科高等學校機械類專業的一門主干技術基礎課，在培養學生綜合運用理論和技術手段設計系統和過程的能力、利用科學原理分析實驗結果并得到合理有效的結論能力方面占有重要的地位。課程的目標是使學生掌握壓水堆核動力裝置的原理、組成和運行的基本知識，了解核動力裝置水化學、熱力循環分析的基本理論和方法，培養學生解決核動力裝置理論與實際問題的能力。

線下授課存在以下問題：

（一）專業知識內容偏多，造成學生認知困難

“核動力裝置與設備”課程涉及整個核反應堆系統的組成和運行原理，存在知識跨度大、講授內容多、系統組成復雜、概念難理解等問題，涉及的多學科多專業的內容導致學生對于壓水堆核動力裝置主要工藝系統和設備的組成、功用和基本原理等相關知識的儲備嚴重不足，無法在有限的時間內理解老師所講授的知識內容。同時，教師在講臺上講授45分鐘的時間往往只能講解基本概念或單一系統運行的知識點，缺少必要的手段豐富課程內容，學生無法全面掌握核動力裝置的工作原理，無法從系統角度理解裝置的整體運行特點，造成認知困難，難以跟上授課節奏。在前期的授課過程中發現，隨著課程的深入，一些同學開始跟不上老師的節奏，上課注意力不集中，無法準確回答老師提出的問題，甚至出現逃課的現象。這些都是因為學生的基礎知識不牢固，逐漸聽不懂老師講課內容的結果。

（二）被動接受知識輸入，造成學生活力缺失

“核動力裝置與設備”在高校相關專業的課程性質均是專業基礎課程，傳統的教學模式是由老師獨立講授知識點，學生被動接收大量知識。課程的學習需要前期所學傳熱學、流體力學等相關知識的支撐，要求學生前期基礎非常好，或者利用大量的課余時間補充相關的專業知識，但是由于課程壓縮，學時縮短，老師沒有時間充分展開知識點，學生被動接受老師講授的內容，沒有時間和精力充分思考授課中遇到的問題，學生的理解能力不足，對知識的領悟也存在困難，導致學生活力缺失，缺乏對相關內容的理解，創新、探究能力被壓制。雖然老師在線下教學的過程中提供視頻觀看、問題探討、實驗設計等手段來提高學生的積極性，但是收到的效果不太理想，分析原因可能是所提供的實踐資源比較少，學生沒有手段去跟隨老師的思路開展實驗，隨著課程的開展，上課開小差的現象越來越突出。

（三）課程與工程應用結合緊密，對教師能力要求高

“核動力裝置與設備”作為面向國防現代化建設的基礎課程，本身處于國內外高科技、高技術發展的尖端，技術密集程度較高，對于教學和科研經歷比較豐富的老師，在授課過程中可以通過增加一些新思想、新理念、新觀點等相關知識點和工程案例，充分調動學生學習的積極性，采用多種方式提高學生思想理論和實踐水平，可以取得比較好的教學效果。但是，這對任課教師的知識儲備和科研經驗提出比較高的要求，部分青年老師授課經驗不足，無法充分調動學生的積極性，教學效果也會大打折扣。而且對于一些新技術的發展需要老師花費大量時間和精力去總結、分析，研究如何才能將工程應用中的新技術和課上教學的內容相結合，把復雜的技術問題拆分為學生可以理解的知識點，對于老師的基本素質要求極高。部分教師參與教學改革的積極性不高，很多情況下都是一套PPT講幾年甚至十幾年都沒有更新，對于提高學生的創新思想，開發學生解決工程實際問題的能力非常不利。

三、線上教學具體實踐方法

線上教學并不是傳統課堂教學、場所的一個轉移，而是需要進一步發展的創新教學模式，其教學理念、教學內容、教學目標都有很大的不同。為了達到更好的教學效果，需要充分利用信息化時代的教學資源，為學生提供豐富的實踐機會，提升學生自主學習的意識。特別是優秀的交互式網絡互動平臺可以使老師講課過程更加得心應手，學生也有高昂的學習熱情，課堂氛圍達到最好的效果。同時還要注意師生以及學生之間的交流互動，在相互探討的過程中發現問題、解決問題、共同成長，使呆板的教學內容更加生動，提升學生的學習效果。

基于豐富的線上虛擬仿真教學資源，依托作者多年的教學和科研經驗，結合新工科創新型教學理念，提出的“核動力裝置與設備”課程線上教學實施方案如圖1所示。

（一）開展實踐操作，發現問題

線上網絡資源提供了豐富的教學微視頻、動畫、課外資料等教學資源，包括針對課程基礎知識部分的高度概括、典型壓水堆核動力系統原理趣味性講解、主要系統虛擬展示、關鍵設備案例拆裝原理動畫演示等內容，充分利用三維虛擬展示的效果，使學生對所要學習的內容有一個直觀的了解。實驗分析軟件相關的課程資源結合系統仿真技術和虛擬現實技術開發，可以針對系統的主要運行特性、典型事故特性、反應堆安全特性進行計算，并繪制計算曲線，全方位展示計算結果，為學生進行典型運行特性的研究提供媒介。學生可以利用豐富的互聯網資源開展實際操作，對老師提出的知識點進行分析和總結，進一步發現問題。通過網絡教學資源對所發現的問題進行初步分析、探討和總結，加入自己的理解，總結知識點。

（二）學生自主討論，聚焦問題

通過開展實際操作，學生對知識點有初步的了解。學生利用網絡教學特點自主提出自己的困惑，并和其他學生開展自主討論，自然得出需解決的問題。本階段以學生自主討論為主，老師輔助指導，充分發揮學生的主觀能動性，同學們都可以發表自己的觀點，在相互討論中加深印象。老師要及時糾正錯誤的論點，進行引導，并鼓勵學生自主搭建仿真模型開展實驗驗證，提出或記錄無法解決的疑問。線上交流的特點更符合當前大學生的心理特征，讓大部分學生都能夠暢所欲言，同時，教師也可以充分了解學生的問題和關注點，以便在探討的過程中能夠更加聚焦，針對具體問題具體分析。學生對大部分的知識點進行自主學習，可以增加互動的效果，提高教學質量，更容易實現探討式的教學模式。同時，學生對需要學習的知識點都有了一定程度的了解，自信心增加，也可以激發學生的學習興趣和探索性。

（三）師生探討互動，解決問題

在師生探討互動環節，老師圍繞學生自主討論過程中所遇到的實際問題開展育人工作，使教學的目的性、實施步驟和方法更加明晰，使教學工作由抽象、務虛轉為更加實在。教師根據課程的知識點、結合工程實際問題，通過提問、啟發的方式激發學生的學習興趣，督促學生在課前進行相關知識點的查閱、理解、探討，通過學生講解、教師點評、學生互動、相互對比等多種手段，提高課堂的活躍度和參與性；同時，老師所講授的知識都是學生所關心的內容，基于問題展開討論，學生聽的也更加認真，學生間互相合作和討論，互動也更加熱烈，通過這種教學方式得到更好的教學效果，讓學生更有學習的動力和興趣。解決問題的重點是針對特定的知識點給出相應的實驗案例，學生可以通過虛擬仿真實驗充分驗證自己的觀點，通過多種形式的比較，發現自己的不足之處。老師要帶動學生去積極思考，引導學生發現問題，而不是簡單的指出錯誤。通過老師和學生之間以及學生與學生之間的探討，加深大家對各個知識點的理解，真正理解問題的本質，這樣才能更好的加深印象，達到最好的學習效果。

（四）課題教學反饋，深入思考

通過課前預習效果、課堂互動效果、知識應用效果多維度的評價，將傳統結課考試的評價模式分散到每一節課程，實現多層次多維度的成績考核機制，把育人工作從短促突擊，轉化為長效工程。一方面可以減小學生的考試壓力，充分帶動學生的自主學習和動手實踐能力。另一方面，老師可以綜合考察學生的綜合素質，給出的成績也更加公平合理。課前預習效果包含預習實踐、練習效果、互動度以及完成質量的評價；課堂互動效果包括活躍度評價、知識理解、組織能力評價以及課程提問測評的內容；知識應用效果評價圍繞作業、考試、組織能力和實驗能力等方面開展。借助網絡即時性的特點，學生可以對知識運用的效果進行實時反饋，教師可以實時了解更多學生的課堂學習效果，進一步可以針對不同階段發現的問題及時調整教學思路，去引導學生思考，充分講解知識點，加深同學的印象。

（五）課后反饋總結，知識拓展

在線上教學過程中，可以更快的發現問題、分析問題、解決問題，在實驗或驗證的過程中會提出一些新的知識點并可以快速展開討論，滿足學生更多自主學習的擴展需要。學生在討論、聽教師講解要點的同時，自發意識到一些知識點的運用技巧，同時教師可以順勢進行適當的延伸，讓學生自己去研究，完成了知識點的擴展。教學過程中一定要主要課后的反饋和總結，學生要充分消化吸收所學到的知識，對于不理解的內容可以進一步通過虛擬仿真實驗系統去驗證，明確知識點的組成和形式，對于老師來說，也要充分去思考在教學過程中發現的問題，對于學生的思路、學習的方法、講課的內容是不是能夠達到綜合運用知識的效果進行總結，及時調整授課的思路、過程和形式。通過不斷的反饋總結，使學生和老師都有一定程度的提高。而且，這種以問題為導向的教與學方式，更符合學生的認知過程，可以達到最好的教學效果。上課教師需要根據線上學習的效果不斷更新教學模式、豐富教學資源、增強互動效果、改進評價機制。測評的方式可以通過問卷調查、學生反饋的方式開展，最終的目標是實現教學資源的優化和教學效果的優化。

四、教學效果反饋

采用基于虛擬仿真技術的多元混合線上教學模式，學生通過線上資源實現自主學習，加深對知識點的理解，對于發現的問題，采用師生討論的方式解決，老師作為引導者集中點評共性或典型的問題，針對重點、難點指導學生自主學習和討論，并給出評價加強學生的學習體驗。通過計算機虛擬仿真技術與教育教學領域的結合，能夠為核動力裝置與設備課程的建設提供更好的思路，實現教學質量穩步提升的同時還能優化教學成果，對于推動該課程的建設和類似課程教學理念的發展具有積極的影響。

在前期的教學和科研工作中，利用計算機仿真技術開發了大量的二維及三維仿真模型，實現了虛擬模型與仿真模型的交互，對于核動力裝置的組成和運行特點可以達到非常好的展示效果。利用所開發的模型，實現動態實驗分析，使得傳統課堂上所講授的抽象內容變得形象和具體，對于核動力系統的結構、組成、運行特性、工作原理等相關內容都可以相對直觀地展示在學生們的眼前，學生認知和理解更加容易。通過虛擬仿真技術實現的可多維展示的模型和結果保證學生對所學內容的合理掌控，學生能夠理解所介紹的知識點，更加希望學習，也可以更好的實現課堂互動，促使教學成果更加優質，也可保障教學質量。

新工科建設本身就是一種教育教學理念的改革活動，需要在理論與實踐層面上同時推進和拓展。新工科的“新”體現在持續的創新，如何借助新時代的網絡化資源實現教學水平的持續改進和提高是必須要解決的關鍵問題。協同好高等教育與社會對創新型人才需求之間的關系，搭建完善的新工科教育體系，將新工科教育與社會需求緊密結合，實現教育價值最大化。基于虛擬仿真技術的多元混合線上教學模式為新工科建設提供了一個很好的方向。借助線上平臺，無論是老師還是學生都可以充分發揮各自的能力，在不斷的改進和創新中提高老師的教學水平和學生的綜合素質，推進新工科教育的現代化。

五、結語

目前正處于社會大變革、觀念大碰撞、文化大交融的時代，學生的思想觀念、道德意識、價值取向越來越呈現出多元化特點，學生個體的思維方式、理解能力、學習效果都有很大的不同。傳統的教學模式按照固定的思路開展教學，已經不適應新時代學生的理念，課堂上填鴨式的教學方法也不能起到最好的教學效果。基于虛擬仿真技術的多元混合線上教學模式可以充分調動線上資源、增強學生的主動性、提高教師的引導作用。同時，構建混合式育人模式，以國家需求為牽引，結合工程實踐開展教學內容，針對實際問題探索解決方法和思路，對于培養學生的求真信念、求實態度、求嚴決心，激發干事創業、務求實效的責任感和使命感至關重要，進一步促進學生牢固樹立實事求是的科學態度和科研作風。

但是在教學過程中也存在了網絡環境不佳影響教學效果的情況，特別是一些偏遠山區網絡覆蓋程度不高、信號較差，對于線上資源的使用存在困難，無法及時有效的實現交互討論。同時線上教學對教學資源和線上平臺技術保障也提出比較高的要求，需要任課教師與網絡技術人員協調解決相關問題。老師需要不斷的更新教學內容，網絡技術人員對更新的內容進行審核和調整，最大限度的保證線上資源的消耗量最小，保證多人同時上線時的穩定性。同時，線上教學過程中也出現了個別學生不認真研討的問題，這就需要任課老師針對學生的素質和能力給出層次化的教學內容，引起不同層次學生的學習興趣。H

參考文獻

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基金項目：教育部產學合作協同育人項目：探究式教學模式在“核動力裝置與設備”課程中的研究與實踐（編號：202102135009）