基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

胡士華　萬(wàn)里榮　楊婧　覃莉莉

摘 要：電力機(jī)車由于價(jià)格貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)保密等原因使得該課程實(shí)踐環(huán)節(jié)開展效率低下且效果不如意。利用VR技術(shù)學(xué)習(xí)電力機(jī)車走行部可以提供更加真實(shí)、直觀的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，幫助學(xué)習(xí)者更好地理解和掌握電力機(jī)車走行部的知識(shí)和技能。這種基于虛擬仿真的學(xué)習(xí)方法不僅可以節(jié)省培訓(xùn)成本，還可以提高學(xué)習(xí)效果和效率，本文以電力機(jī)車總體及走行部課程為例介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)設(shè)計(jì)及實(shí)施方法，希望可以為同類課程提供一些思路。

關(guān)鍵詞：電力機(jī)車 VR技術(shù) 翻轉(zhuǎn)課堂 教學(xué)設(shè)計(jì)

1 引言

目前各大院校多采用以教師為中心的教學(xué)模式，通常強(qiáng)調(diào)老師在課堂上的權(quán)威地位和知識(shí)傳授的一種方法。教師是教學(xué)的主導(dǎo)者，擁有絕對(duì)的話語(yǔ)權(quán)和決策權(quán)，通常扮演著知識(shí)的傳輸者和學(xué)生的引導(dǎo)者角色，在課堂上直接傳授知識(shí)，這種教學(xué)方式下，學(xué)生處于被動(dòng)接受知識(shí)的狀態(tài)，注重的是記憶與熟悉，而非理解與應(yīng)用，學(xué)生主要通過聽講、背誦、記筆記等方式獲取知識(shí)。另外傳統(tǒng)教學(xué)方式傾向于線性的教學(xué)過程，即按照預(yù)定的教學(xué)大綱和教材內(nèi)容，逐步有條不紊地進(jìn)行教學(xué)。這種方式忽視了學(xué)生個(gè)體差異和多樣化的學(xué)習(xí)需求。

隨著教育理念的不斷發(fā)展和教育技術(shù)的應(yīng)用，越來越多的教育者開始關(guān)注學(xué)生的主動(dòng)性、創(chuàng)造性和批判性思維，推崇以學(xué)生為中心的教學(xué)方式，為此電力機(jī)車總體及走行部課程開展了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的翻轉(zhuǎn)課堂改革。

2 電力機(jī)車總體及走行部課程現(xiàn)狀

2.1 實(shí)訓(xùn)設(shè)備缺乏，實(shí)訓(xùn)難以展開

電力機(jī)車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高昂、集成度高且部分技術(shù)涉秘等原因使得一般院校難以使用真實(shí)的、先進(jìn)的電力機(jī)車作為教學(xué)設(shè)備，即使校方重視獲得真實(shí)設(shè)備，一般也是退役或者即將退役的型號(hào)，難以跟上現(xiàn)代化，且數(shù)量會(huì)很少，這使得相關(guān)實(shí)訓(xùn)課程難以有效的展開，大多同學(xué)都是在等待中浪費(fèi)了時(shí)間；此外安全問題也使得大多鐵路局不會(huì)接納大批量的在校生去現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)，這都使得電力機(jī)車總統(tǒng)及走行部課程實(shí)訓(xùn)難以有效展開。

2.2 課程內(nèi)容復(fù)雜，學(xué)生基礎(chǔ)不一

電力機(jī)車總體及走行部課程是一門理論與實(shí)訓(xùn)并存的課程，學(xué)習(xí)該課程需要具備一定的電力學(xué)、電子學(xué)和機(jī)械工程等基礎(chǔ)知識(shí)。這些知識(shí)包括電路理論、電動(dòng)機(jī)原理、傳感器技術(shù)、控制系統(tǒng)等，另外還涉及到眾多復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)，如牽引變流器、牽引電機(jī)、制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架等。學(xué)習(xí)過程中需要深入了解這些技術(shù)系統(tǒng)的工作原理、調(diào)試方法以及故障排除等，對(duì)于沒有相關(guān)背景的學(xué)生來說，可能需要花費(fèi)更多時(shí)間和精力去理解和掌握，對(duì)于沒有相關(guān)背景的學(xué)生來說，可能需要更多的時(shí)間和努力去理解和掌握相關(guān)內(nèi)容。而高職院校同學(xué)大多理論基礎(chǔ)相對(duì)較差，且存在少部分文科同學(xué)，基礎(chǔ)不一使得課程學(xué)習(xí)變得更難。

3 虛擬技術(shù)及翻轉(zhuǎn)課堂的內(nèi)涵

3.1 虛擬技現(xiàn)實(shí)術(shù)的內(nèi)涵

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）是一種通過計(jì)算機(jī)生成的模擬環(huán)境，使用戶可以身臨其境地感受并與這個(gè)虛擬環(huán)境進(jìn)行互動(dòng)的技術(shù)。它是一種通過利用計(jì)算機(jī)圖形和傳感器等技術(shù)來模擬現(xiàn)實(shí)世界的感官體驗(yàn)的技術(shù)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的內(nèi)涵包括以下幾個(gè)方面：

（1）感官體驗(yàn)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過使用頭戴式顯示器、手柄、手套等設(shè)備，以及音頻、觸覺等技術(shù)，能夠?yàn)橛脩籼峁┥砼R其境的視聽、觸覺、甚至嗅覺等感官體驗(yàn)，使用戶感覺好像真的置身于虛擬環(huán)境中。

（2）交互性：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供了交互性的體驗(yàn)，用戶可以通過手柄、手勢(shì)識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別等方式與虛擬環(huán)境進(jìn)行互動(dòng)。這種交互性使用戶能夠在虛擬環(huán)境中進(jìn)行操作、探索和與虛擬對(duì)象進(jìn)行互動(dòng)，增強(qiáng)了用戶的參與感和沉浸感。

（3）虛擬環(huán)境的創(chuàng)建：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)需要通過計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)來創(chuàng)建虛擬環(huán)境。計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)包括三維建模、渲染、動(dòng)畫等技術(shù)，通過這些技術(shù)可以在計(jì)算機(jī)中構(gòu)建出逼真的虛擬世界。

（4）應(yīng)用領(lǐng)域：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，包括娛樂、游戲、教育、醫(yī)療、建筑設(shè)計(jì)、工業(yè)制造等各個(gè)領(lǐng)域。在娛樂方面，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以提供沉浸式的游戲體驗(yàn)；在教育方面，它可以為學(xué)生提供具有互動(dòng)性和視覺沖擊力的學(xué)習(xí)環(huán)境；在醫(yī)療方面，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以用于手術(shù)模擬、康復(fù)訓(xùn)練等方面。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過模擬感官體驗(yàn)和交互性，為用戶提供了一種身臨其境的體驗(yàn)，使用戶能夠與虛擬環(huán)境進(jìn)行互動(dòng)，并在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

3.2 翻轉(zhuǎn)課堂的內(nèi)涵

翻轉(zhuǎn)課堂是一種教學(xué)方法，其核心思想是將傳統(tǒng)的課堂教學(xué)過程中的知識(shí)傳授和講解環(huán)節(jié)與學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)交換位置。在翻轉(zhuǎn)課堂中，教師會(huì)事先錄制講解視頻或提供學(xué)習(xí)材料，學(xué)生在課前學(xué)習(xí)并做好預(yù)習(xí)準(zhǔn)備工作。而在課堂上，教師則引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入討論、解答疑惑、開展合作學(xué)習(xí)等互動(dòng)活動(dòng)。

翻轉(zhuǎn)課堂的內(nèi)涵具有以下幾個(gè)方面：

（1）學(xué)生主體性：翻轉(zhuǎn)課堂注重發(fā)揮學(xué)生的主體性，讓學(xué)生在課前通過自主學(xué)習(xí)獲取基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)他們的主動(dòng)學(xué)習(xí)能力和自我組織能力。

（2）合作學(xué)習(xí)：翻轉(zhuǎn)課堂強(qiáng)調(diào)學(xué)生之間的合作學(xué)習(xí)，通過在課堂上展開團(tuán)隊(duì)合作、小組討論等形式，促進(jìn)學(xué)生之間的互動(dòng)和合作，培養(yǎng)學(xué)生的合作精神和團(tuán)隊(duì)合作能力。

（3）深度思考：翻轉(zhuǎn)課堂鼓勵(lì)學(xué)生在課前自主學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，在課堂上進(jìn)行深度思考和探究，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和創(chuàng)新能力。

（4）個(gè)性化學(xué)習(xí)：翻轉(zhuǎn)課堂可以根據(jù)學(xué)生的不同需求和學(xué)習(xí)進(jìn)展，提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)資源和指導(dǎo)，幫助學(xué)生更好地發(fā)展自己的潛能。

翻轉(zhuǎn)課堂的內(nèi)涵是通過顛覆傳統(tǒng)課堂的教學(xué)模式，在學(xué)生主體性、合作學(xué)習(xí)、深度思考和個(gè)性化學(xué)習(xí)等方面進(jìn)行創(chuàng)新，旨在提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)動(dòng)力。

4 基于虛擬技術(shù)（VR）的翻轉(zhuǎn)課堂模式的設(shè)計(jì)

翻轉(zhuǎn)課堂是一種以學(xué)生為中心的教學(xué)模式，其中學(xué)生在課前通過預(yù)習(xí)的方式獲得基礎(chǔ)知識(shí)，然后在課堂上進(jìn)行深入學(xué)習(xí)和實(shí)踐。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）作為一種創(chuàng)新的教育工具，可以為翻轉(zhuǎn)課堂提供更加沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和互動(dòng)性。在設(shè)計(jì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)時(shí)，需要對(duì)課程內(nèi)容和學(xué)生需求進(jìn)行綜合考慮。以下是一些設(shè)計(jì)原則和教學(xué)策略，可用于提供課后反饋：

（1）多樣化的VR學(xué)習(xí)資源包：利用VR技術(shù)提供多種多樣的學(xué)習(xí)資源，如模擬實(shí)驗(yàn)、場(chǎng)景演示、專家講解等，以滿足學(xué)生不同的學(xué)習(xí)需求和學(xué)習(xí)風(fēng)格。

（2）個(gè)性化學(xué)習(xí)體驗(yàn)：VR技術(shù)可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和興趣提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，如智能導(dǎo)航、自適應(yīng)學(xué)習(xí)路徑等。通過分析學(xué)生在虛擬環(huán)境中的行為和反應(yīng)，可以為他們提供有針對(duì)性的反饋和指導(dǎo)。

（3）學(xué)習(xí)成績(jī)追蹤和評(píng)估：利用VR技術(shù)可以對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行記錄和分析，包括學(xué)習(xí)時(shí)間、完成任務(wù)的準(zhǔn)確性、學(xué)習(xí)資源的使用情況等。這些數(shù)據(jù)可以用于評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)和反饋給學(xué)生及家長(zhǎng)。

（4）社交互動(dòng)與合作學(xué)習(xí)：在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，學(xué)生可以與其他學(xué)生、教師或?qū)＜疫M(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)和合作學(xué)習(xí)。這種互動(dòng)可以幫助學(xué)生在課后反饋中進(jìn)行知識(shí)分享、思想碰撞和問題解決，加深對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解和應(yīng)用能力。

總之，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)課后反饋需要關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和個(gè)性化。通過提供多樣化的學(xué)習(xí)資源、個(gè)性化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)、學(xué)習(xí)成績(jī)追蹤和評(píng)估以及社交互動(dòng)與合作學(xué)習(xí)等策略，可以幫助學(xué)生更好地理解和應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，教學(xué)設(shè)計(jì)見圖1。

5 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)實(shí)施與評(píng)價(jià)

5.1 教學(xué)實(shí)施

電力機(jī)車走行部是電力機(jī)車的核心部件之一，本文選擇以“電力機(jī)車走行部檢查”內(nèi)容為例，分析教學(xué)實(shí)施過程。

5.1.1 課前基礎(chǔ)學(xué)習(xí)

教師利用線上平臺(tái)發(fā)布學(xué)習(xí)資源包，主要包含：

通過學(xué)習(xí)發(fā)布的設(shè)備操作說明，會(huì)基本的VR設(shè)備操作，知道各按鈕功能；

通過學(xué)習(xí)電力機(jī)車走行部基本構(gòu)造視頻，知道走行部的基本構(gòu)造，知道走行部在牽引、制動(dòng)時(shí)的受力傳遞過程，電力機(jī)車走行部實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書；

通過電力機(jī)車走行部實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書，知道各檢查要點(diǎn)及要求，例如檢查走行路線見圖2。

通過讓學(xué)生觀看課題組成員自制的走行部檢查視頻。更深一步了解走行部檢查的順序及各項(xiàng)注意事項(xiàng)，對(duì)接鐵路作業(yè)。

5.1.2 課中VR深度學(xué)習(xí)

通過使用VR設(shè)備可以為學(xué)習(xí)電力機(jī)車走行部提供更加直觀、實(shí)際的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。首先，通過VR技術(shù)，學(xué)習(xí)者可以身臨其境地感受電力機(jī)車走行部的運(yùn)行機(jī)制。通過虛擬仿真場(chǎng)景，學(xué)生者可以親身體驗(yàn)電力機(jī)車走行部的各種部件，包過前后端部、左右兩側(cè)，從而更好地理解電力機(jī)車走行部的結(jié)構(gòu)和功能。學(xué)生還可以通過手柄、頭盔等設(shè)備與虛擬場(chǎng)景進(jìn)行互動(dòng)，VR技術(shù)還可以實(shí)時(shí)反饋學(xué)習(xí)者的操作情況，幫助他們糾正錯(cuò)誤、提升技能。此外可以利用VR技術(shù)還可以進(jìn)行故障診斷訓(xùn)練。在虛擬環(huán)境中，學(xué)習(xí)者可以接觸到各種走行部的故障情況，并學(xué)習(xí)如何通過分析、判斷和修復(fù)來解決問題。這種虛擬維修訓(xùn)練可以有效提升學(xué)習(xí)者的實(shí)際操作能力和應(yīng)急處理能力，更加貼切的對(duì)接鐵路。

5.1.3 課后反饋提升

通過電力機(jī)車走行部結(jié)構(gòu)內(nèi)容做成樹狀圖，通過線上平臺(tái)發(fā)送給學(xué)生，便于學(xué)生加強(qiáng)復(fù)習(xí)，再依據(jù)所學(xué)內(nèi)容讓學(xué)生自己總結(jié)出思維導(dǎo)圖或者樹狀圖，隨后針對(duì)本次課學(xué)習(xí)內(nèi)容，設(shè)置習(xí)題題庫(kù)用來檢測(cè)學(xué)習(xí)效果，依據(jù)效果總結(jié)出針對(duì)于下一次的更適應(yīng)學(xué)生的教學(xué)設(shè)計(jì)。

5.2 評(píng)價(jià)機(jī)制

基于虛擬技術(shù)（VR）的翻轉(zhuǎn)課堂模式是一種創(chuàng)新的教學(xué)方法，它將傳統(tǒng)的課堂教學(xué)過程中的知識(shí)傳授與學(xué)生互動(dòng)相結(jié)合。在這種模式下，學(xué)生課前在線上進(jìn)行基礎(chǔ)學(xué)習(xí)，通過課中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，并課堂上與教師和其他學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)、討論和實(shí)踐，課后參與總結(jié)反思。基于虛擬技術(shù)的翻轉(zhuǎn)課堂模式在提高學(xué)生參與度、個(gè)性化學(xué)習(xí)、拓展學(xué)習(xí)空間、提升實(shí)踐能力等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。學(xué)生的參與度非常高，故其評(píng)價(jià)機(jī)制應(yīng)包含多個(gè)方面，多個(gè)節(jié)點(diǎn)，涉及課前自主、課中VR使用效果、課后題庫(kù)練習(xí)等方面。

6 結(jié)語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)提供了全新的可能性。通過設(shè)計(jì)精美的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，結(jié)合個(gè)性化學(xué)習(xí)和互動(dòng)合作機(jī)會(huì)，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，促進(jìn)他們的深度學(xué)習(xí)和創(chuàng)造力發(fā)展。尤其對(duì)于鐵道機(jī)車領(lǐng)域?qū)W科中，可以低成本，高安全深入學(xué)習(xí)課程，為機(jī)務(wù)段等單位培養(yǎng)更合格的人才，然而，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)仍然處于不斷發(fā)展和完善的階段，教師需要持續(xù)關(guān)注最新技術(shù)和研究成果，不斷優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施方式，以提升翻轉(zhuǎn)課堂的效果。

基金項(xiàng)目：2022廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目（2022KY1408）；

名師工作室項(xiàng)目：覃莉莉機(jī)車裝備大師工作室（2022-DS005）；

2021年柳州鐵道職業(yè)技術(shù)教改項(xiàng)目（2021-JGA04）。

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