基于數字教育平臺的裝備類課程智慧教學研究

印敏 滕義超 孟鑫 楊磊

［摘 要］ 裝備類課程的實裝教學存在人力物力投入大，可支撐人數少，教學時間和場地受限等問題，“互聯網+”和“VR+AI”技術的數字教育平臺可以推動傳統裝備教學方式的巨大轉變。通過研究融合數字模擬與“互聯網+”技術優勢的開放式裝備教學運行架構，提出了基于能力圖譜和知識圖的知識矩陣分解方法，運用AI技術構建了“智適應評測和導學”體系平臺，提出基于翻轉課堂的線上線下混合式教學模式，提高裝備教學效率。

［關鍵詞］ 智慧教學；數字教育平臺；VR；AI；混合式教學

［基金項目］ 2021年度國防科技大學本科和任職教育教學研究課題重點課題“‘為戰抓教氣象海洋專業組訓能力培養機制研究”（U2021213）；2022年度國防科技大學校級教學成果培育項目“氣象海洋專業生長軍士培養創新與實踐”（65），“構建軍士職業本科人才培養體系——以氣象海洋專業為例”（174）

［作者簡介］ 印 敏（1978—），女，江蘇泰興人，博士，國防科技大學氣象海洋學院副教授，主要從事氣象信息網絡與信息獲取裝備研究；滕義超（1989—），男，遼寧鞍山人，博士，國防科技大學氣象海洋學院講師，主要從事微波光子技術和氣象雷達系統設計研究；孟 鑫（1979—），男，山西晉中人，博士，國防科技大學氣象海洋學院副教授，主要從事電磁兼容與氣象雷達系統設計研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）14-0149-04［收稿日期］ 2022-10-03

現代裝備種類繁多，集成度高，技術發展迅速，建設場地和造價成本要求高，維護復雜，因此裝備類課程的實裝教學存在人力物力投入大、可支撐人數少、教學時間和場地受限、不便于設置故障等一系列問題。隨著虛擬現實技術（VR）與人工智能技術（AI）以驚人的速度發展和應用，裝備類課程的教學方法和教學模式有了巨大的變化。充分利用“互聯網+”和“VR+AI”技術，構建開放集約型裝備數字教育平臺，對改進傳統的實裝教學模式，創新開展裝備類智慧教學方法的研究具有重要現實意義，使裝備教學全方位、多層次、看得清、有互動。

一、數字教育技術發展現狀

VR生成集視覺、聽覺和觸覺于一體的逼真的三維世界，突破了時間、空間和其他條件的限制，自2015年左右開始應用于虛擬仿真實驗教學，對教育領域意義重大。我國許多高校都建設了虛擬仿真實驗教學中心，進一步推進虛擬現實技術與實驗教學的深度融合，拓展實驗教學內容的廣度和深度［1］。大量學者與研究人員在VR課堂教學、創新創業教育、非正式學習空間等方面開展了廣泛而深入的研究［2-4］。VR技術雖然給我們帶來了全新的教學思維和服務體驗，但是其在智慧校園中的應用還處于探索階段，依然面臨虛擬仿真系統孤島、與實裝教學銜接不成體系、效果分析評價不及時等問題［5］。

目前，人工智能技術在教育中的應用尚處于起步階段。AI的一大優勢在于能夠通過教育狀況、課堂互動、社交媒體等數據的采集，分析學生的學習能力、學習興趣和潛力，制定最佳的學習方法［6］。AI技術以教師的多年教學經驗為基礎，通過數據挖掘與人工智能算法，為學生提供全程個性化評測，甚至可以智能推送個性化導學的內容，解決師生溝通不及時等問題，真正實現教學過程以學生為中心。

二、開展裝備類課程智慧教學的方法思路

改進傳統的裝備類課程教學模式，首先要利用數字新技術構建數字教育新平臺，在新平臺下研究裝備智慧教學的新模式和新方法。圖1所示為裝備智慧教學的體系思路，“互聯網+”、數字模擬和AI是裝備智慧教學的技術基礎。在構建聯網開放式裝備教學架構的基礎上，需要對知識體系進行分解，便于學生學習掌握和自我測試；可以分別從能力和知識體系的角度劃分知識內容，按能力圖譜和知識圖譜將某一門課或者某一個領域的知識體系分解為知識矩陣，便于在知識矩陣的基礎上，運用VR、AI等數字化教育技術，建立可探索、可互動的數字化“智適應導學”和“智適應評測”平臺體系；可以充分利用已建數字教育平臺及資源，采用線上線下和翻轉課堂的混合教學模式，從體系設計的角度尋求課程內容與教學方法手段的最佳匹配，促進學生與教師的雙向交流與提升，發揮數字教育平臺的最大優勢。

（一）融合數字模擬與“互聯網+”技術優勢的開放式裝備教學運行架構

裝備教學應打破傳統實裝教學時間、場地和人數固定的弊端，充分利用網絡技術和數字仿真技術，構建如圖2所示的開放式裝備教學架構，體系化拓展裝備教學思路和理念。

開放式裝備教學能充分滿足學生隨時隨地自主學習的需求，要求在教學建設上體現更體系化、智能化、網絡化的特點。在模塊內容的形式設計上，可以從基本的在線課程、模擬仿真訓練器拓展到自我學習訓練、自我測試評價、自我探索導學等方面；在展現形式上，可以從通用性、基礎性場景拓展到復雜性和案例性場景，可以借助三維互動進行展示，模擬真實裝備，既能生動形象地展示復雜概念，又能逐一探究裝備內部的復雜結構，多元觸發反饋，模擬實際故障情況，使裝備教學“看得清、有互動”，還可以自己編寫和設計腳本，不斷積累更新案例；在學習使用模式上，既可以按部就班地按章節單元模式系統化學習，也可以從崗位任職需求出發，采用問題式學習法。

（二）基于知識圖譜和能力圖譜的知識矩陣分解方法

傳統的裝備教學一般都是按知識體系的順序，從基本概念和基本原理開始逐一展開，介紹各章節各單元的知識點。這種教學方式的優點是體系完備詳細，特別適合初學者，但是對于有一定基礎的學習者來說，這種教學方式對各章節和單元之間的分割不足，在前后關聯、前后對比和全面綜合的角度的教學設計不足，可能導致知識學完了，能力提升得不明顯，或者實際工作中遇到問題，難以在裝備教學的數字化平臺資源中迅速查找定位。

為了進一步滿足不同人員初期和后期的不同學習需求，充分發揮裝備數字教育平臺的作用，我們希望能對裝備中的知識點進行分解，可以像“堆積木”一樣組合學習，也可以像“查字典”一樣按需查詢，據此提出按知識圖譜和能力圖譜對知識體系進行矩陣化分解的思路和方法。

如圖3所示，知識圖譜是自下而上，從知識點角度考量知識掌握程度的標準，可以是基本理論概念、基本實踐應用等知識點和基本單元。能力圖譜是自上而下，以目標為導向，從運用角度考量能力的標準，評價達到某一能力的水平，以及存在的知識缺陷等。兩者是有機整體，知識圖譜適用于漸進式知識學習和評測，能力圖譜適合于綜合性運用評測。裝備知識體系的二維模塊化知識矩陣分解，既能覆蓋所有知識內容，又深淺兼具，便于各類人員根據需要自主組合學習。

（三）基于AI技術的裝備智慧教學“智適應評測和導學”體系平臺

裝備教學融合數字模擬與“互聯網+”技術優勢，采用開放式教學運行架構，應充分考慮學習人員的學習評價和自我檢測需求。可以構建多維度的評價準則和評價測驗互動題庫，將教師多年的教學經驗數字化，再充分利用AI技術，及時收集學生學習狀況，進行全面診斷，給出精準的導學幫助。“智適應評測和導學”體系平臺包括評價標準、評價方式、評價分析準則和輔導建議計劃四個關鍵AI模塊，這些是實現智適應評測和智適應導學的基礎。在評價標準上，需要對各知識圖譜中的教學內容分別設定不同等級的要求；在評價方式上，需要設計不同等級和不同內容的測評題目，以便對學生的能力水平精準定位；在評價分析規則上，需要針對每道測評題目的評測結果，分析學生的掌握程度和短板缺項；在輔導建議計劃上，要根據學生的短板缺項評價結果，給出學習建議，并推薦導學資源。其中，評測分析規則是AI智能分析推薦的關鍵依據。需要在研究運用能力圖譜與知識圖譜的基礎上，分析知識之間和知識與能力之間的關聯，形成知識遞進與能力支撐關系圖，便于利用AI技術自適應分析評測結果，給出推薦導學建議。“智適應評測和導學”體系平臺可以按知識體系順序學習，根據單元學習進度開展伴隨式評測，以便及時掌握各知識點的學習情況，也可以從反向綜合能力運用的角度，根據裝備運用場景，開展綜合性評測，有利于從整體評估學生的薄弱點，指導學生對相應模塊查漏補缺。

（四）基于翻轉課堂的線上線下混合式裝備教學組織實施

傳統的裝備教學主要采用課上理論講解和實裝教學相結合的方式，在裝備數量有限的情況下，學生的參與度和創新性實踐都達不到很好的效果。運用“互聯網+”和“VR+AI”技術的數字教育平臺后，大大豐富了裝備教學的手段，為創新裝備教學模式提供了可能。學生可以在課前借助充足的資源進行多種形式的預習和自測，也可以按照探究發現的思路，帶著問題自主學習和思考；課上，教師可以根據學生預習、發現和研究中的重難點及關鍵問題，充分利用探究式、研討式、翻轉課堂等教學模式與方法，開展分析與研討，并針對重點內容開展實際操練，節約大量理論講解的時間；課后，教師還可以利用可編輯的裝備教學數字教育平臺，設置各類綜合性測試，檢驗學生對內容的理解和掌握程度［7］。

結語

可以預見，智慧教育平臺、數字VR平臺及AI教育技術改進了傳統的裝備教學授課模式與評測方法，可以充分調動學生學習的積極性，多樣自主選擇各類復雜裝備的學習方式，并進行探索式設計與實驗，有針對性地反饋學習質量和能力評估；教師可以簡化教學組織實施，將AI智適應評測體系平臺貫穿課前預習、課中教學、課后評測等各個環節，把主要精力放在教學資源建設和智適應評測體系建設上，有效提高教學工作質量及效率。隨著VR技術和AI技術的迭代發展，基于數字教育平臺與數字技術的未來教育，必然在教學模式與方法和教學組織與評價方面有很大變革，將會對教育環境、學習過程支持、教育評價、高校服務與管理等方面產生深遠影響，使教育生態系統發生歷史性變革［8］。教育領域基于AI技術的智慧應用必定是未來發展的趨勢，將擁有極其廣闊的發展前景［9］。

參考文獻

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［4］孫志偉，李小平，張琳，等.虛擬現實技術下的學習空間擴展研究［J］.電化教育研究，2019，40（7）：76-83．

［5］李平.推進虛擬現實技術應用提高高校教育教學質量［J］.實驗室研究與探索，2018.37（1）：1-4.

［6］周洪宇，劉大偉.中國教育智庫評價SFAI研究報告［M］.北京：中國社會科學出版社，2019：5.

［7］季連帥.從翻轉課堂到智慧課堂：教育現代化背景下高校課堂教學模式構建［J］.哈爾濱學院學報，2021，42（5）：118-121．

［8］沈陽，逯行，曾海軍，等.虛擬現實：教育技術發展的新篇章：訪中國工程院院士趙沁平教授［J］.電化教育研究，2020，41（1）：5-9．

［9］史蒂芬·哈格德，賴鵬飛.人工智能的教育應用面臨轉折［J］.中國遠程教育（下半月），2017（10）：14-16．

Abstract： Real equipment teaching courses have many problems， such as large investment in manpower and material resources， small number of people， limited teaching time and space， etc. Digital education platforms with technologies such as Internet+ and VR+AI can promote the huge transformation of traditional equipment teaching methods. This paper studies the open equipment teaching operation architecture that integrates the advantages of digital simulation and Internet+ technology， proposes a knowledge matrix decomposition method based on capability map and knowledge map， uses AI technology to build a intelligent adaptation evaluation and guidance system platform， and proposes an online and offline mixed teaching mode based on flipped classroom teaching to improve equipment teaching efficiency.

Key words： smart teaching; digital education platform; VR; AI; mixed teaching