基于學(xué)習(xí)軟件的工程訓(xùn)練線上教學(xué)模式探索

陳宇姍，童 洲，江麗珍，焦文正

（廣州城市理工學(xué)院 工程訓(xùn)練中心，廣東 廣州 510800）

0 引言

高等工程教育改革發(fā)展已經(jīng)站在新的歷史起點。工程訓(xùn)練中心是全校7個學(xué)院（含部分文科生）學(xué)生工程能力提升的機構(gòu)。本中心近年開始構(gòu)建引入虛擬仿真模塊，比如虛擬注塑成型，虛擬五軸數(shù)控加工，CAD建模、CAE模流分析、ANASYS力學(xué)有限元分析、機器人自動化專業(yè)、模擬制造軟件和網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用等新技術(shù)內(nèi)容，把以前孤立分開的傳統(tǒng)實踐教學(xué)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(shè)備相連接，沒有形成統(tǒng)一的線上教學(xué)內(nèi)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(xí)線上教學(xué)虛擬仿真教學(xué)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(wǎng)上教學(xué)的實操類科目不得不采取新的網(wǎng)上教學(xué)模式，催生出了一種虛擬體驗教學(xué)模式創(chuàng)新，產(chǎn)生許多新的教學(xué)運行管理體系，使傳統(tǒng)的實操課程也能像其他理論課一樣在網(wǎng)上進行教學(xué)，智能制造實訓(xùn)教學(xué)能與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更好地進行融合[5-6]。

1 課程的基礎(chǔ)和平臺的建設(shè)

1.1 構(gòu)建虛擬體驗教學(xué)體系

線上教學(xué)的核心是能夠模擬真實的情景體驗，替代真實的實訓(xùn)場景，從而實現(xiàn)線上教學(xué)與線下教學(xué)的一致性，解決了傳統(tǒng)的實訓(xùn)場地、設(shè)備儀器不足的限制、設(shè)備損耗、實訓(xùn)安全等問題。虛擬體驗是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)或計算機仿真技術(shù)創(chuàng)設(shè)一種類似真實實習(xí)教學(xué)的場景、裝置和方法，能夠豐富和改善現(xiàn)有的教學(xué)手段，加深學(xué)生對實習(xí)內(nèi)容的理解，能夠為實習(xí)者帶來沉浸感、交互性和想象性，增強實習(xí)的體驗，同時能擴展實習(xí)場地邊界，為實習(xí)者提供豐富的實習(xí)資源[7]。

學(xué)院開展了基于超星網(wǎng)絡(luò)平臺的線上虛擬體驗教學(xué)，其課程資源應(yīng)用了華南理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心胡青春教授開發(fā)的“工程認(rèn)知”和本校工程訓(xùn)練中心教師團隊開發(fā)的金工實習(xí)部分虛擬實訓(xùn)體驗項目；針對不同學(xué)院、不同專業(yè)學(xué)生對金工實習(xí)的學(xué)習(xí)任務(wù)，對“工程認(rèn)知”線上實訓(xùn)課程任務(wù)內(nèi)容進行規(guī)劃設(shè)置。

1.2 搭建虛擬仿真實習(xí)平臺

通過這個理念，構(gòu)建了工程訓(xùn)練線上虛擬體驗學(xué)習(xí)平臺，以“超星網(wǎng)+學(xué)習(xí)通”的模式進行教學(xué)創(chuàng)新，如圖1所示。

平臺實現(xiàn)多功能的集成，提供的6大模塊有：線上虛擬體驗項目預(yù)習(xí)、超新線上虛擬實訓(xùn)、作業(yè)和考試系統(tǒng)、設(shè)備演示實訓(xùn)、學(xué)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(xùn)全方位內(nèi)容，從實訓(xùn)內(nèi)容分配、實踐演示指導(dǎo)和成績管理和互動交流等組成全方位的教學(xué)框架，從而提升學(xué)生學(xué)習(xí)效果[8]。

圖1 機械工程訓(xùn)練線上虛擬體驗學(xué)習(xí)平臺

2 工程訓(xùn)練網(wǎng)上虛擬體驗教學(xué)具體運行實施

2.1 課程體系主要內(nèi)容

“工程認(rèn)知”這門課程包含5大部分的內(nèi)容，主要介紹工程的內(nèi)涵、工程的歷史發(fā)展軌跡、工程教育的使命、機械制造工程、制造工程技術(shù)前沿[14-16]。特別是對工程與環(huán)境、社會、文化等的聯(lián)系進行交叉融合介紹，這一視野的開闊，不僅提升學(xué)生的宏觀認(rèn)知層次，提升術(shù)的技能，更對道的理解和啟發(fā)有深遠影響。這門課程囊括了眾多內(nèi)容和領(lǐng)域，有助于全方位提升學(xué)生認(rèn)知，形成高層次價值觀，為后續(xù)的學(xué)習(xí)打下良好的理論基礎(chǔ)[9]。

2.2 課程任務(wù)實施

在實際的運作中，我們將這種模式運用于5個工科學(xué)院總計1427名學(xué)生。不同的專業(yè)學(xué)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(xué)院金工實習(xí)學(xué)時分配

平臺的搭建首先登錄超星網(wǎng)，進行設(shè)置，“工程認(rèn)知”這門課的視頻放入，并設(shè)置教學(xué)任務(wù)點，教學(xué)任務(wù)點是根據(jù)不同專業(yè)進行不同要求的課程內(nèi)容。它是學(xué)時分配以及教學(xué)內(nèi)容設(shè)計的具體體現(xiàn)，以視頻觀看的完成程度評價學(xué)習(xí)任務(wù)的完成[10]。

同時，可將課程有關(guān)的其他視頻和課件，放進資料庫，給學(xué)生們充足的學(xué)習(xí)補充，補充資料幫助對這門課有興趣的同學(xué)，提供豐富的補充教學(xué)資源。比如緒論部分，除了將緒論和競賽與認(rèn)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(rèn)知-接力小車”部分，設(shè)計了內(nèi)容豐富的PPT。視頻觀看，高效快速認(rèn)知的方式，常用于基本認(rèn)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(nèi)在聯(lián)系，或者工程細節(jié)的聯(lián)系展示及內(nèi)在的原理思考，是需要靜態(tài)的PPT作為啟發(fā)，能在腦中進行思考，進行有效的學(xué)習(xí)消化。因此PPT的合適設(shè)計，完美的對視頻內(nèi)容進行了補充。這個有助于理解真實的實操學(xué)習(xí)場景，能提升學(xué)生各種學(xué)習(xí)能力，擴展思維認(rèn)知維度。

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

學(xué)生端的操作也非常簡單，進入“學(xué)習(xí)通”APP后，在“全部課程”下面選擇“工程認(rèn)知”，然后選擇里面的“章節(jié)”，接下來可以看到任務(wù)點總數(shù)，任務(wù)點就是需要學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)容。比如，點開第一個任務(wù)點“（一）課程介紹”，即可觀看學(xué)習(xí)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(xù)觀看。如果學(xué)生理解不夠，也可以重復(fù)觀看。這樣學(xué)生可以分散學(xué)習(xí)，減少集中，有利于疫情的平穩(wěn)控制。

2.3 典型訓(xùn)練項目實施

以PLC實習(xí)線上虛擬體驗教學(xué)、3D打印虛擬體驗教學(xué)為例。PLC實習(xí)的線上虛擬體驗教學(xué)，是讓學(xué)生通過線上虛擬體驗實習(xí)，對所學(xué)內(nèi)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(xué)生自我編程提供驗證程序，以此積累編程經(jīng)驗，進行PLC知識的深化和鞏固。引入形象化的實例，幫助學(xué)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(xué)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(xí)的上課案例，通過軟件進行范例的線上化的優(yōu)化，從而保證學(xué)習(xí)效果的一致性。如圖2所示，從基礎(chǔ)編程、設(shè)計拓展、實戰(zhàn)仿例多層次為學(xué)生開發(fā)了三個線上虛擬體驗案例：案例1.基本指令編程練習(xí)；案例2.十字路口交通燈；案例3.LED數(shù)碼顯示。這3個案例由點帶面，層層推進，有助于學(xué)生快速形成整體編程概念，融會貫通，提升編程開發(fā)能力。并且由于仿真實驗的調(diào)試過程與實物實驗極為相似，當(dāng)線下實訓(xùn)平臺開放時，學(xué)生可以回到到實物平臺上直接進行再次驗證。

3D打印訓(xùn)虛擬體驗教學(xué)目的是讓學(xué)生形成自主創(chuàng)意創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計，轉(zhuǎn)化為概念草圖為三維數(shù)字模型的設(shè)計工具和將數(shù)字模型快速生成實物模型的理念。主要利用學(xué)生已經(jīng)學(xué)過的solidworks等建模軟件對3D模型進行建模，以掌握3D打印技術(shù)，從中熟悉3D打印軟件和設(shè)置，材料的選擇，打印過程的要點難點，完成零件的設(shè)計建模、3D打印加工、驗證。形成一系列產(chǎn)品設(shè)計的方法和原理認(rèn)知，最后完成產(chǎn)品加工鏈的閉環(huán)輸出，整個流程如圖3所示。

圖2 PLC實習(xí)線上虛擬體驗平臺架構(gòu)

圖3 3D打印網(wǎng)上體驗教學(xué)工作流程

2.4 線上虛擬體驗考核評價

工程訓(xùn)練線上考核的方式也需要根據(jù)疫情的情況重新設(shè)計，必須監(jiān)控學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。因此題庫的設(shè)置非常重要，以“第二章機械制造工程認(rèn)知”為例，簡述一下題庫的建設(shè)。題庫的建設(shè)需要對知識點進行逐一考核。如圖4所示，目的讓學(xué)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(shè)置不同的考題，達到加深學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的理解目的，這樣優(yōu)于死記硬背。

圖4 以切削加工為例的題庫設(shè)計

基于這樣的題庫設(shè)計思想，對于各章節(jié)都設(shè)置了類似的題目，每學(xué)完一個章節(jié)，就可以進行測驗，以檢查自己的學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)空間的學(xué)習(xí)方式，能夠給學(xué)生帶來空間參與感，可選擇性和成就感，能夠很好地提升學(xué)習(xí)效率。同時營造出一種輕松的學(xué)習(xí)氛圍，有利于學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造性思維，激發(fā)大腦潛能。

3 線上虛擬體驗教學(xué)的學(xué)生成績管理

如圖5所示，對課程的相關(guān)進行設(shè)置。比如作業(yè)、章節(jié)測驗、考試分?jǐn)?shù)的線上學(xué)習(xí)分配占比，觀看視頻的次數(shù)，單個視頻的觀看進度得分，都可以根據(jù)要求自由設(shè)置。還可以設(shè)置線上教學(xué)和線下教學(xué)分?jǐn)?shù)分配的比例。

圖5 學(xué)生成績管理

該系統(tǒng)還可以同步監(jiān)控學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，綜合評價學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。具體在“成績管理”-“成績統(tǒng)計”，可以看到每一位學(xué)生的每個部分的完成情況，用“綜合成績”來檢驗學(xué)習(xí)效果。綜合成績的評定，不是單方面的，而是多維度發(fā)散式的考驗組合，這樣就保證了線上學(xué)習(xí)的真實效果，也對學(xué)生的學(xué)習(xí)規(guī)劃有很好的監(jiān)督和導(dǎo)向作用。

4 教學(xué)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(xué)轉(zhuǎn)為線上進行，當(dāng)實訓(xùn)場景由真實環(huán)境轉(zhuǎn)向虛擬環(huán)境時，學(xué)生可充分利用先進的軟件開發(fā)工具，以現(xiàn)代自動化領(lǐng)域中最重要的人機交互模式來完成實訓(xùn)任務(wù)。2020年開展了基于超新網(wǎng)絡(luò)平臺的線上虛擬實訓(xùn)教學(xué)，其課程資源應(yīng)用了華南理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心開發(fā)的“工程認(rèn)知”和本校工程訓(xùn)練中心教師團隊開發(fā)的金工實習(xí)部分虛擬實訓(xùn)體驗項目。

4.1 線上虛擬實施效果

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

圖6 機器人專業(yè)金工實習(xí)線上實訓(xùn)考試表

4.2 線上虛擬的優(yōu)點

（1）突破實際空間場景，創(chuàng)新教學(xué)模式。通過這種新的教學(xué)模式，較好完成了疫情期間的線上教學(xué)任務(wù)。但仍然會保留線下的教學(xué)內(nèi)容，因為有部分內(nèi)容已經(jīng)在線上學(xué)習(xí)，因此線下的課時進行了優(yōu)化，主要把課時分配到實踐類。比如，數(shù)控車床切削加工，理論的內(nèi)容在線上已經(jīng)講過，那么在優(yōu)化后的實踐，主要集中在上機床實操。

（2）激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)習(xí)效率。線上資源豐富，有利于激發(fā)學(xué)生的實訓(xùn)興趣與學(xué)習(xí)探究的積極性，拓展學(xué)生的思維層次，發(fā)展認(rèn)知空間。把線上的學(xué)習(xí)占總成績的40%，既肯定了線上學(xué)習(xí)的內(nèi)容，也保證了線下學(xué)習(xí)的重要性。通過減少線下實習(xí)的比例，減少學(xué)生聚集的時間，有利于疫情的防控，同時也不減少學(xué)習(xí)效果，取得雙贏結(jié)局。

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

（4）快速學(xué)習(xí)關(guān)鍵技術(shù)。實操時設(shè)備演示需要的準(zhǔn)備工作需要繁冗的簡單重復(fù)，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(huán)節(jié)，最快地了解制造過程的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，體驗關(guān)鍵工藝過程，還可以橫向比較不同的技術(shù)仿真方案產(chǎn)生的效果，更好地積累工藝經(jīng)驗。

（5）提高實習(xí)安全系數(shù)。傳統(tǒng)的沖壓成型、壓力鑄造，熱處理和焊接等，實訓(xùn)演示過程會產(chǎn)生高溫高壓等危險因素，網(wǎng)上虛擬體驗?zāi)鼙荛_這種危險環(huán)境體驗此類工藝技術(shù)過程，能夠更安全的學(xué)習(xí)。

5 結(jié)語

隨著互聯(lián)網(wǎng)加和疫情發(fā)展的推動，在線教育持續(xù)發(fā)展，謀劃更新教學(xué)模式勢在必行。交叉融合的教學(xué)內(nèi)容模塊跟隨智能化的發(fā)展而持續(xù)更新，突破傳統(tǒng)教學(xué)模式，改變單純認(rèn)識的枯燥教學(xué)方式，以智能制造改造為導(dǎo)向，進行在線實訓(xùn)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(xùn)教學(xué)得到了與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更好地進行融合。該教學(xué)模式將實訓(xùn)教學(xué)應(yīng)用場景轉(zhuǎn)化為實踐教學(xué)影像資料，突破實際空間場景，形成獨特的線上教學(xué)模式及考核模式，保證教學(xué)質(zhì)量不會因疫情影響，從而保證教學(xué)效果。