虛擬仿真融入課程實施混合式教學改革與實踐
——以三維激光掃描技術課程為例

譚金石，高照忠，楊忞婧，柴新宇，左筱涵，黃炯榮

（廣東工貿職業技術學院測繪遙感信息學院，廣東廣州 510510）

隨著“互聯網+”、大數據、云計算、5G 等信息技術的發展和普及，線上教育模式在高等教育領域得到廣泛應用[1]。根據《國家職業教育改革實施方案》，高職教育要適應“互聯網+職業教育”的需求，運用現代信息技術進行教學改革，建設優質在線課程，提供更靈活、全面的教學資源和環境，促進個性化和終身學習[2]。然而，考慮到高職學生的學情，專業課程中存在高投入、高損耗、高風險及難實施、難觀摩、難再現的問題[3]，在傳統教學中，教師線下“一對多”的教學模式，存在學生被動學習、缺乏互動與合作、學習積極性不高等問題[4-5]。為此，可在課程中融入虛擬仿真，并結合混合式教學模式，創造更活躍、互動和個性化的學習環境。將虛擬仿真技術融入課程，結合混合式教學模式，已成為教育現代化發展的趨勢，也是高職教育的主要教學模式[6-7]。

混合式教學在國內外都獲得了廣泛關注，已經成為教育領域的研究熱點[8]。混合式學習起源于美國[9]，主要關注混合式教學理論基礎、混合式教學模式、混合式教學課程設計、混合式教學影響因素及學習分析等方面。國內的研究始于21 世紀初，近年來取得了顯著的發展。教育部連續發布了一系列政策文件，強調了混合式教學的重要性，并推動學校和教育機構積極開展混合式教學的研究和實踐。特別是在高等教育領域，越來越多的高校將混合式教學作為教學改革的重要抓手，引入了在線學習平臺、錄播課程、課堂翻轉等教學模式[10]。

三維激光掃描技術是20 世紀90 年代中期出現的一項技術，是繼GPS 空間定位系統之后又一項測繪技術的革命，是測繪地理信息類專業的核心專業課程。本文將虛擬仿真資源融入課程，并開展混合式教學改革，從課程知識重構與教學設計、整合混合式教學資源以及混合式教學改革實施等方面進行探討，充分利用網絡環境和科學技術來激發學生學習熱情和興趣，擴充高質量的學習資源，通過任務驅動的方式提高教學效率，并培養學生自主學習和創新實踐的能力，為新形勢下高等教育教學模式的改革與優化奠定基礎。

1 傳統教學難點分析及解決策略

1.1 傳統教學難點分析

三維激光掃描技術是測繪地理信息類專業的一門核心專業課程，面向大二學生開設，共計48 學時，從技術類型上覆蓋了機載激光、車載激光以及地面架站式、手持式等內容，從項目化生產流程上覆蓋了設備認知與使用、外業激光掃描、內業數據預處理、行業應用等，內容覆蓋面廣。

課程教學主要包括理論教學和實訓教學。理論教學存在原理抽象、難理解、難觀摩等問題。實訓教學存在設備昂貴、數量少等問題，難以滿足實訓要求。有些內容抽象，難以理解，存在“三高三難”問題。若采用傳統教學模式，存在師生缺少互動與溝通、學生積極性差、實踐機會有限、學習進度受限，缺乏靈活性和個性化教學以及無法充分使用現代技術和資源等缺點，無法充分滿足學生學習激光掃描技術的需求。

1.2 虛擬仿真與混合式教學結合的策略

虛擬仿真技術是以現實為基礎創設虛擬環境，借助現代化傳感裝置，讓體驗者在虛擬和現實的交互作用中獲得親臨真實環境的感受和體驗，從而達到教育的預期效果。虛擬仿真技術具有交互性、沉浸性、時代性和趣味性等特點[11]，通過創設、模仿真實的生活場景，突破現實生活中時間、空間領域的局限，以寓教于樂的方式全面激發學生的學習興趣。

混合式教學模式是相對于傳統教學而言的一種創新教學模式[12]，綜合了線上和線下兩種不同的教學優勢，打破了時間、地點和教師授課方式的限制。通過運用互聯網信息技術構建線上教育平臺，教師可以直接進行線上授課或上傳錄制的學習資料供學生自主學習。同時，在線下課堂，教師根據線上課堂內容答疑講解，重點解決學生在線上學習中遇到的問題，并采用任務教學等方法幫助學生掌握所學內容。這種教學模式將教師講解的知識與信息技術相結合，實現了線上和線下教學的有機融合，因此，被稱為“線上+線下”混合教學模式[13]。這種模式為教師和學生帶來了更靈活、豐富的學習體驗，并為教育教學帶來了新的可能性。同時，混合教學模式顛覆了傳統教學流程，使師生能夠更方便地進行角色轉換。在混合教學模式中，學生能夠根據自己的學習情況制定個性化的學習計劃。此外，該模式還為學生提供了一個開放的資源共享平臺，使他們能夠輕松獲取優質的教育資源，促進教育的開放性和平等性。通過混合教學模式，學生可以根據自己的興趣和需求進行學習，獲得更豐富的學習體驗，同時也激發了學生的學習主動性和自主性[14]。這種模式充分利用了網絡和技術的優勢，推動了教育的創新和發展。

2 虛實結合的混合式教學改革

2.1 知識重構與教學設計

對課程進行知識內容重構，開發虛擬仿真資源，輔助理論教學和實訓。內容重構分為兩個維度，一個是從數據流的維度，沿著空間數據“采集、處理、分析及應用”，另一個是從技術類型維度，包括地面激光、機載激光、車載激光及手持SLAM 等類型。同時，還將教學類型分為理論、實踐和應用不同模塊。授課形式分為線上、線下以及兩者結合。具體的教學內容設計如表1 所示。

表1 課程結構設計

針對三維激光掃描設備的內部構造、使用操作、外業數據采集、實施過程等，以虛擬仿真實訓為主，從而解決設備昂貴、數量少、風險性大等問題。

2.2 混合式教學資源整合

三維激光掃描技術課程的混合式教學采用智慧職教（也稱為職教云）在線教學平臺。智慧職教是一個專門為職業教育設計的教學資源庫建設與應用平臺系統，基于教育部職業教育專業教學資源庫項目“能學、輔教”的功能定位，并按照《職業教育專業教學資源庫建設工作手冊（2018）》的要求進行一體化設計，以結構化課程和顆粒化資源為基礎。該平臺順應了“互聯網+”時代下以線上線下混合式教學為主要特征的信息化教學需求，并旨在實現創新的線上線下混合式學習模式，提升學院的教學信息化水平[15]，為院校提供了上傳、存儲、傳播、運行、應用、維護和更新各類專業課程資源的技術服務。

課程教學資源包括在線學習平臺、教學視頻和講義、線上課件和資料、實驗模擬和虛擬實訓、在線討論和互動工具、案例研究和項目實踐、開放教育資源、在線測驗和評估工具、社交媒體和學習社群、實時互動和遠程教學工具等，其中數字化課程資源包括課件PPT（64 個）、教學視頻（120 個）、二維三維動畫（15 個）、題庫（350 個）、虛擬仿真資源（15個）、學習指南（20 個）以及教學案例（15 個）等。

2.3 混合式教學實施

混合式教學實施可以分為3 個階段，即課前預習、課中教學和課后鞏固，另外，還需要構建混合式教學的考核體系。

2.3.1 課前預習階段

課前預習在教學中扮演著重要的角色。教師需要提前整合智慧職教在線教學平臺的課前任務和要求，并通過平臺將其推送給學生。學生可以自主進行課前預習，并將感興趣的知識點、疑惑點和任務中的難點移至討論區。該階段主要是線上預習，不僅能夠增強師生之間的交流，也能促進學生之間的互動。此外，該模塊提供的數據統計功能便于教師查看學生的預習情況，并從中提煉教學內容。同時，它還有利于教師根據學生的觀點、問題和困惑來有針對性地調整教學重難點，提高學生的學習興趣。

基于線上平臺的課前自主學習活動為高效課堂的實施奠定了重要基礎。教師能夠提前了解學生的學習情況，并根據學生的需求和反饋來調整教學內容和方法。這種活動還能夠促進學生之間的互動和合作，為富有活力和高效率的課堂教學創造了良好的氛圍。實施的基本流程如圖1 所示。

圖1 課前預習階段基本流程

2.3.2 課中教學階段

學生通過在線教學平臺的課件和視頻等資源預習知識并完成教師提前設計好的測試題，教師借助教學平臺統計分析，了解學生的預習情況和薄弱點，有針對性地開展課堂教學和實訓教學，以解決學生在知識應用和內化過程中遇到的困難和疑問。為了幫助學生更好地內化課堂知識，教師可以采取多種學習方法，如小組合作、專題匯報、翻轉課堂等，促進學生之間的合作與交流，培養學生的團隊合作能力和表達能力，同時也使學生加強了對課堂知識的理解和應用。當然，在教學過程中，仍然需要遵循教師主導、學生主體的原則。教師可以通過“授人以漁”方法推動學生綜合能力的提升，這意味著教師需要引導學生主動探究和思考，通過提出問題、引導討論等方式激發學生的思維和創造力，培養其獨立學習的能力。

課中分為任務點評，知識點、技能點講解，提問，隨堂測試，討論，技能訓練等環節。教師首先對學生課前任務完成情況進行點評，然后講解知識點、技能點，使用云課堂App 對學生知識點、技能點掌握情況進行測驗提問、討論、練習、操作等互動，最后進行教學評價與反饋。實施的基本流程如圖2 所示。

圖2 課中教學階段基本流程

2.3.3 課后鞏固階段

在混合式教學中，課后鞏固階段是幫助學生鞏固和應用在課堂上所學知識的重要環節。教師通過智慧職教平臺提供有針對性的練習題，這些練習題需要根據教學內容，特別是重難點內容布置，具有針對性強、難易程度分布合理的特點，能夠幫助學生復習和鞏固課堂所學的知識，并通過多次練習對知識加深理解。教師可以使用在線學習平臺，將課后練習的作業布置給學生，并及時進行批改和反饋。這樣可以提高作業的時效性和效率，同時給予學生及時的指導和糾正。在課后鞏固階段，教師可以鼓勵學生參與互動討論，共同解答問題。這種互動可以促進學生之間的合作學習和知識分享，有助于學生鞏固和理解知識。除了布置練習題，教師還可以提供練習題的參考答案和解析，幫助學生檢查自己的答案、理解解題思路，并及時糾正錯誤，深入理解知識點。另外，教師可以設計一些開放性的任務或項目，讓學生運用所學知識解決實際問題或完成創新性的作品，促進學生綜合能力的發展，拓展知識應用的范圍。對于學習能力較弱的學生，教師可以進行個別輔導，提供額外的指導和幫助。對于學習能力較強的學生，可以鼓勵小組協作，讓他們共同學習和探討課堂知識，相互促進。實施的基本流程如圖3所示。

圖3 課后鞏固階段基本流程

2.3.4 混合式教學的考核體系

在采用線上線下混合式教學的課程中，對學生的考核是貫穿線上線下的，并且從課堂延伸至課后。因此，需要設計相應的線上線下多維度考核體系。考核類型包括過程性評價和結果性評價。考核體系主要考慮以下幾個方面：（1）期末考試成績，期末考試仍然是一種重要的考核方式，用于評估學生對整個學期所學知識的掌握程度，考試的形式可以包括選擇題、填空題、解答題等，以全面評估學生的知識水平；（2）學習過程表現，除了期末考試成績，還需要重視學生在學習過程中的表現，包括學生出勤、參與課堂討論的積極性、作業的完成情況、實訓完成情況及報告、參與小組活動的貢獻等；（3）課后作業和報告，學生的課后作業和報告也可以成為考核的一部分，用于評估學生在課堂之外的學習和實踐能力，教師可以布置一些探究性的作業或實踐項目，由學生獨立思考并完成報告，教師通過評估作業和報告，了解學生在課堂之外的學習和研究能力；（4）解決問題的綜合能力，教師設計案例分析、實踐項目或開放性問題，讓學生運用所學知識分析與解決，教師通過評估學生解決問題的能力，了解學生對知識的理解和應用程度。

通過綜合以上考核內容，可以更全面地評估學生的學習情況和綜合能力，多維度的考核方式可以調動和培養學生的主動性和創造性，促進教學過程中知識輸入和產出的平衡。重視學生的學習過程表現和解決問題的綜合能力，可以激發學生的學習興趣，培養學生的實際應用能力和創新能力，從而提高教學效果和學生的綜合素質。具體的考核體系如表2 所示。

表2 混合式考核體系

3 實施效果與反饋

3.1 學生反饋與滿意度調查

為了評估混合式教學效果，開展學生反饋和滿意度調查。設計一份包含多個維度的學生評價問卷，對課程內容、在線教學資源、教學方法、教學進度、測試難度、提升教學效果、激發學生學習興趣以及個人學習能力、團隊協作能務提升等方面進行調查與分析，具體的調查內容與結果如圖4 所示。根據調查結果分析，學生對在線教學資源、混合教學方法、考核方式、提升教學效果和提升個人協作能力方面滿意度達95%以上。教學內容和測試難度的滿意度分別為90%、81%，主要是因為教學內容相對較多，知識量較大，直接影響測試的難易程度。

圖4 混合式教學滿意度調查分析表

3.2 學生學業成績的比較與分析

課程從2020 年建立數字化在線課程，2021 年開始對測繪地理信息技術專業群學生實施混合式教學，從單一的線下教學到線上線下混合教學，考核方式從單一的理論考核到多維度綜合考核，在提升學生課程成績的同時提升了學生的自學能力、團隊協作能力以及解決問題的綜合分析能力。針對近5 年的學生成績統計分析（如表3 所示）得知，實施混合式教學改革以來，學生的優秀率明率提升，不及格率明顯降低。同時，通過對學生學業成績的比較與分析，教師可以更好地了解學生的學習狀況和進步情況，為他們提供個性化的教學輔導和支持。同時，這也有助于教師調整教學策略和課程設置，以提高整體教學質量和學生綜合能力。

表3 近5 年三維激光掃描技術課程學生成績統計表

4 結束語

針對高職院校課程教學過程存在的問題，本文引入虛擬仿真技術，結合混合式教學改革與實踐，通過建設數字化在線課程，充分發揮線上線下教學的優勢；對知識內容重構，進行教學設計，建立數字化顆粒化資源，建設精品在線開放課程，并實施混合式教學改革研究與實踐；在虛擬仿真教學資源的基礎上，借助智慧職教在線教學平臺，實施混合式教學，包括課前預習、課中教學以及課后鞏固，并設計混合式教學的考核體系。根據學生反饋和滿意度調查，學生對混合式教學改革滿意度較高，學生的課程成績明顯提升，激發了學生的學習興趣，提升了學生的自學能力和團隊協作能力。混合式教學作為一種創新教學模式，具有重要的教育意義和發展潛力。通過深入研究和不斷探索，不斷改進和提升混合式教學的效果，能夠為學生提供更好的學習體驗和發展機會。

同時，建議學校積極支持和推廣混合式教學，在教師培訓和教學資源方面提供支持。教師應該更加重視學生的學習過程表現和解決問題的能力，通過鼓勵學生主動參與，提高學生的學習效果和綜合能力。學校和教育機構應該建立完善的評估和反饋機制，定期收集和分析學生的反饋意見，不斷改進和優化混合式教學的實施。