虛擬實(shí)驗(yàn)與PBL耦合式教學(xué)法在工程熱力學(xué)教學(xué)中的實(shí)踐

鄭斌 孫鵬 孟建 王有鏜 劉永啟

摘 要：虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)是信息化教學(xué)的重要組成部分，PBL教學(xué)法也是受到廣泛認(rèn)可的教學(xué)方式，將虛擬實(shí)驗(yàn)和PBL教學(xué)法耦合融合進(jìn)入課堂教學(xué)已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。本項(xiàng)目引入了“實(shí)驗(yàn)先行”的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)融入課堂教學(xué)的理念，采用了三段反饋式教學(xué)模式開(kāi)展核心知識(shí)點(diǎn)講授，項(xiàng)目實(shí)施效果良好，可有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)；PBL教學(xué)法；工程熱力學(xué)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.212

1 前言

《工程熱力學(xué)》是熱力學(xué)最先發(fā)展的一個(gè)分支，它主要研究熱能與機(jī)械能和其他能量之間相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律及其應(yīng)用，主要內(nèi)容是關(guān)于熱現(xiàn)象的宏觀理論，研究的方法是宏觀的，是能源與動(dòng)力工程專業(yè)的專業(yè)核心課程之一。在工程教育認(rèn)證的大背景下，參與認(rèn)證的各專業(yè)普遍將《工程熱力學(xué)》納入了課程體系中，該課程已經(jīng)成為許多工科類專業(yè)的必修課程。

由于熱是一種看不見(jiàn)摸不著的研究對(duì)象，同時(shí)整個(gè)課程學(xué)習(xí)過(guò)程中缺乏感性認(rèn)知的內(nèi)容，使學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)感到難度較大，然而通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以增加學(xué)生對(duì)熱力過(guò)程的感性認(rèn)識(shí)，可以有效提升學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的理解，同時(shí)培養(yǎng)其動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)在工程熱力學(xué)教學(xué)過(guò)程中具有舉足輕重的作用。但是現(xiàn)實(shí)中實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)常受限于實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源匱乏，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中很難保障每位同學(xué)都能充分的參與到實(shí)體實(shí)驗(yàn)中，使教學(xué)效果變差。而在信息化教學(xué)的背景下，利用虛擬實(shí)驗(yàn)的方式可以有效解決這方面的問(wèn)題[1-4]。PBL教學(xué)法的全稱是“Problem Based Learning”，是一種國(guó)際上廣為關(guān)注的教學(xué)模式。PBL教學(xué)法將學(xué)習(xí)與問(wèn)題掛鉤，使學(xué)生投入到復(fù)雜的、有意義的問(wèn)題情景中，通過(guò)學(xué)生的自主探究和合作來(lái)解決問(wèn)題，從而學(xué)習(xí)隱含在問(wèn)題背后的科學(xué)知識(shí)，形成解決問(wèn)題的技能和自主學(xué)習(xí)的能力[5-6]。本項(xiàng)目擬將虛擬實(shí)驗(yàn)和PBL教學(xué)法耦合應(yīng)用于工程熱力學(xué)的教學(xué)中，以期激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生綜合能力。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

虛擬實(shí)驗(yàn)是利用理論模型、數(shù)值方法、信息網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，將真實(shí)的物理現(xiàn)象或過(guò)程模型化，在計(jì)算機(jī)上以圖片、視頻、動(dòng)畫(huà)或曲線等直觀形式展現(xiàn)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享使用[7-8]。虛擬實(shí)驗(yàn)具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：（1）虛擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)可調(diào)節(jié)范圍大。學(xué)生能夠輕松改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同條件下的實(shí)驗(yàn)研究，使實(shí)驗(yàn)變得簡(jiǎn)單易行。同時(shí)可以通過(guò)排除次要信息的混淆干擾，實(shí)現(xiàn)重要參數(shù)對(duì)結(jié)果影響的研究，獲得實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵信息。（2）虛擬實(shí)驗(yàn)受客觀條件限制相對(duì)較小，效率高。虛擬實(shí)驗(yàn)可以節(jié)省大量從非穩(wěn)態(tài)到穩(wěn)態(tài)工況的等待時(shí)間，可以在有限的時(shí)間內(nèi)使學(xué)生完成較多的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并獲得更多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)而提高學(xué)生對(duì)相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的快速理解和掌握。（3）虛擬實(shí)驗(yàn)可以清晰展示不方便觀察的細(xì)微觀或變化量較小的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。微觀尺度下的許多實(shí)驗(yàn)是難以實(shí)現(xiàn)和觀察的，虛擬實(shí)驗(yàn)可以將理論知識(shí)或模型方程與物理現(xiàn)象或零件應(yīng)用直接聯(lián)系，進(jìn)而展現(xiàn)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)與PBL耦合式教學(xué)法在課程中的實(shí)踐

課程內(nèi)共設(shè)置了空氣定壓比熱測(cè)定實(shí)驗(yàn)、二氧化碳相變實(shí)驗(yàn)、飽和蒸汽溫度壓力關(guān)系測(cè)定實(shí)驗(yàn)和噴管特性實(shí)驗(yàn)共4個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)（如圖1所示）。

在“以學(xué)生為中心”的大教學(xué)環(huán)境和理念背景下，本項(xiàng)目的教學(xué)過(guò)程中，樹(shù)立了學(xué)生的學(xué)習(xí)中心地位，引入了“實(shí)驗(yàn)先行”的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)融入課堂教學(xué)的理念，采用了三段反饋式教學(xué)模式開(kāi)展課堂教學(xué)。具體方案為：（1）講授前，安排學(xué)生分組并利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)，并提出擬解決的科學(xué)問(wèn)題，要求學(xué)生注意觀察哪些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并記錄哪些相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生通過(guò)觀察相關(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并結(jié)合查閱相關(guān)資料，形成待解決問(wèn)題的解釋；（2）課堂中，隨時(shí)抽取其中一組學(xué)生講述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并給出相關(guān)問(wèn)題的理論解釋，由老師和其他組同學(xué)進(jìn)行小組討論，從而明確知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)容；（3）課后，讓學(xué)生帶著答案再次重復(fù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果再次印證相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)容，同時(shí)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在該教學(xué)模式下，由于學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中處于一種尋因解惑的狀態(tài)，使學(xué)生的投入性較好，同時(shí)課后的理論反饋實(shí)踐環(huán)節(jié)可以讓學(xué)生將感性認(rèn)識(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理性認(rèn)識(shí)的科學(xué)理論進(jìn)行深度的融合，強(qiáng)化知識(shí)點(diǎn)的理解和記憶，最終達(dá)到學(xué)習(xí)效果明顯提升的目標(biāo)。

4 改革效果

本項(xiàng)目在能源與動(dòng)力工程專業(yè)的工程熱力學(xué)授課過(guò)程中進(jìn)行了實(shí)踐，設(shè)置常規(guī)班和改革班2個(gè)對(duì)比班，常規(guī)班采用以課堂講授為主、授課后在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的常規(guī)教學(xué)模式，而改革班則采用了本文第三部分介紹的教學(xué)模式。本項(xiàng)目的效果評(píng)價(jià)包括兩部分：成績(jī)考核和問(wèn)卷調(diào)查。

4.1 成績(jī)考核

對(duì)2個(gè)班的平均成績(jī)進(jìn)行了分析，結(jié)果如表1所示。由表可知：采用了本項(xiàng)目教學(xué)方案的改革班的平均成績(jī)較常規(guī)班高6.4分。主要原因是在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生始終處于一種主動(dòng)學(xué)習(xí)的狀態(tài)，從發(fā)現(xiàn)問(wèn)題（虛擬實(shí)驗(yàn)獲得的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)），到解決問(wèn)題（自主確定的問(wèn)題答案，并在課堂上進(jìn)行討論和完善），再到實(shí)踐驗(yàn)證理論知識(shí)（課后的實(shí)驗(yàn)反饋課堂教學(xué)環(huán)節(jié)），使學(xué)生始終保持一種探究的狀態(tài)，可有效提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和趣味性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了教學(xué)效果的提升（以最終成績(jī)的形式表征）。

4.2 問(wèn)卷調(diào)查

對(duì)于教學(xué)效果，本調(diào)查從課堂教學(xué)、知識(shí)掌握及能力培養(yǎng)三方面進(jìn)行了評(píng)價(jià)，問(wèn)卷設(shè)置分?jǐn)?shù)范圍0-5分，0分為無(wú)提高作用，5分為顯著提高作用，問(wèn)卷結(jié)果如圖2所示。由圖可知：學(xué)生對(duì)本項(xiàng)目的教學(xué)方案整體評(píng)價(jià)較高，認(rèn)為該方案對(duì)學(xué)生的綜合能力提升具有積極的意義。其中，在課堂教學(xué)方面，學(xué)生認(rèn)為本項(xiàng)目的教學(xué)模式有利于課堂氣氛活躍度的提升，增加了師生之間的有效交流；在知識(shí)掌握方面，該教學(xué)模式能使理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，促進(jìn)獨(dú)立思考，整體學(xué)習(xí)效率明顯提升；在能力培養(yǎng)方面，該教學(xué)模式鼓勵(lì)學(xué)生以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)，提高了科研思維能力及分析問(wèn)題的能力，同時(shí)，學(xué)生的組織能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力亦得以大幅提升。

5 總結(jié)

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)是信息化教學(xué)的重要組成部分，通過(guò)仿真、數(shù)字建模和多媒體等技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建一個(gè)可視化的三維環(huán)境，營(yíng)造出模擬的儀器性能、實(shí)驗(yàn)對(duì)象、實(shí)驗(yàn)條件和環(huán)境。在教學(xué)中，其有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)范圍的擴(kuò)展，豐富學(xué)生網(wǎng)上學(xué)習(xí)資源，打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在時(shí)間、空間上的限制，極大激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量有很大幫助。PBL教學(xué)法是對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)進(jìn)行培養(yǎng)的一種學(xué)習(xí)方法，有利于培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，發(fā)揮主觀能動(dòng)性，提高對(duì)相關(guān)知識(shí)的感性認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)自主科研能力，促進(jìn)師生之間的交流[9]。本項(xiàng)目樹(shù)立了“以學(xué)生為中心”教學(xué)目標(biāo)，引入了“實(shí)驗(yàn)先行”的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)融入課堂教學(xué)的理念，采用了三段反饋式教學(xué)模式開(kāi)展課堂教學(xué)。本項(xiàng)目實(shí)施的教學(xué)效果良好，學(xué)生的學(xué)習(xí)效率明顯提高，為相關(guān)課程的教學(xué)提供了一定的借鑒價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮立艷，關(guān)鐵成，何世偉等.機(jī)械基礎(chǔ)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2018（01）：89-92.

[2]王順，王麗慧.“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程的真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析[J].黑龍江教育（高教研究與評(píng)估），2018（06）：26-28.

[3]殷亮，周斌，程建杰等.基于Modelica分析庫(kù)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在能源專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用[J].化工高等教育，2017（01）：63-67.

[4]胡長(zhǎng)興，李威，高夫燕等.熱工基礎(chǔ)虛擬實(shí)驗(yàn)在專業(yè)實(shí)驗(yàn)中的作用與意義——以浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院能源與環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革為例[J].教育教學(xué)論壇，2014（14）：267-268.

[5]王振輝，牛超，徐鵬飛等.PBL教學(xué)模式在河南理工大學(xué)藥學(xué)教學(xué)改革中的初探與思考[J].求知導(dǎo)刊，2016（01）：141-142.

[6]衛(wèi)蓉.PBL教學(xué)模式在基礎(chǔ)護(hù)理教學(xué)中的效果評(píng)價(jià)[J].河西學(xué)院學(xué)報(bào)，2016（02）：105-109.

[7]陳潤(rùn)，孫界平，琚生根等.構(gòu)建計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量保障體系[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2017（08）：107-110.

[8]田夏，孟佳.基于CiteSpace的我國(guó)虛擬實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017（09）：97-101+106.

[9]周迎春，李樹(shù)學(xué)，陳磊等.虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)與PBL教學(xué)法相結(jié)合在機(jī)能實(shí)驗(yàn)學(xué)中的應(yīng)用[J].黑龍江中醫(yī)藥，2015（04）：5-7.

基金項(xiàng)目：教育部高等學(xué)校能源動(dòng)力類新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目（NDXGK2017Y-36），山東省卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（2013ZY027），山東理工大學(xué)教育信息化試點(diǎn)研究項(xiàng)目（2016XXH040）。

作者簡(jiǎn)介：鄭斌（1982-），男，山東淄博人，副教授，主要從事虛擬實(shí)驗(yàn)與課程教學(xué)的融合改革、實(shí)踐教學(xué)體系改革等研究。