基于虛擬仿真教學(xué)平臺的混合教學(xué)模式研究

李永華 陳秉智 王悅東

摘 要：在新冠肺炎疫情背景下，為了適應(yīng)“停課不停學(xué)”的教學(xué)環(huán)境，本研究提出一種基于虛擬仿真教學(xué)平臺的混合教學(xué)模式。以大連交通大學(xué)的動車組結(jié)構(gòu)及原理課程為例，依據(jù)該課程特點，在線上理論教學(xué)的基礎(chǔ)上構(gòu)建線下虛擬仿真教學(xué)平臺，并將該平臺引入實踐教學(xué)中，形成“線上+線下”的新型混合教學(xué)模式，為學(xué)生提供更加良好的學(xué)習(xí)體驗，從而達(dá)到優(yōu)化教學(xué)效果、提升學(xué)生認(rèn)知水平和工程實踐能力的目的和要求。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真教學(xué)平臺;混合教學(xué)模式;動車組結(jié)構(gòu)及原理課程

2020年初爆發(fā)的新冠肺炎疫情使中國社會被迫按下“暫停鍵”，眾志成城地打贏疫情防控阻擊戰(zhàn)成為全國人民的共同目標(biāo)。

鑒于疫情的持續(xù)性和常態(tài)化，為保證正常的教學(xué)進(jìn)度和安排，教育部發(fā)起“停課不停學(xué)，停課不停教”的號召。在遼寧省教育廳的積極響應(yīng)下，大連交通大學(xué)各教學(xué)機(jī)構(gòu)結(jié)合各學(xué)科的主要特點，統(tǒng)籌部署，構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+”線上教學(xué)模式。但對于概念性強(qiáng)、理論復(fù)雜、實踐性和工程性強(qiáng)等特點的課程，由于缺少線下觀摩、面授講解等實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，無疑會削弱教學(xué)效果，導(dǎo)致學(xué)生對知識及課程的理解不透徹，難以達(dá)到教學(xué)目標(biāo)要求。因此，開展新型模式的“線上+線下”教學(xué)模式以適應(yīng)疫情常態(tài)化下的教學(xué)環(huán)境是非常有必要的。對于“線上+線下”教學(xué)模式的研究，眾多學(xué)者已經(jīng)做了較多工作。王瑞芬探討了以應(yīng)用為導(dǎo)向、以任務(wù)為驅(qū)動的“線上+線下”混合式教學(xué)模式，并將其應(yīng)用在教學(xué)實踐中，以期鍛煉和提升學(xué)生的實踐和應(yīng)用能力;周怡琳等學(xué)者結(jié)合精密機(jī)械與儀器的課程特點，基于“愛課堂（ICLASS）”平臺建立在線教學(xué)資料庫，并對該課程混合教學(xué)模式進(jìn)行改革探索，根據(jù)教學(xué)平臺的使用情況深度剖析了混合教學(xué)模式的教學(xué)效果;章強(qiáng)等學(xué)者深入討論了“線上+線下”混合教學(xué)模式的優(yōu)勢和具體的教學(xué)實施過程，并針對現(xiàn)有的混合教學(xué)模式的問題，從教師、學(xué)生及教學(xué)管理三個層面提出相應(yīng)改進(jìn)措施。

鑒于動車組結(jié)構(gòu)及原理的課程特點，本研究將數(shù)字化虛擬裝配與仿真引入到線下實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，將其作為線上理論教學(xué)的有益補(bǔ)充，共同促進(jìn)新型教學(xué)模式的發(fā)展。

一、面向虛擬仿真的線下教學(xué)平臺構(gòu)建

動車組結(jié)構(gòu)及原理作為車輛工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程，在理論教學(xué)上涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域知識，具有實踐性和工程性強(qiáng)等特點。線上直播授課缺少線下實踐性教學(xué)，學(xué)生無法充分理解所學(xué)內(nèi)容，導(dǎo)致學(xué)生應(yīng)用和實踐能力較差。此外，線上直播授課容易出現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)中重理論、輕實踐的現(xiàn)象，不僅不能收到積極的教學(xué)效果，而且會得其反。

基于上述問題，以提高教學(xué)效率和效果為目的，圍繞新型教學(xué)模式主題，構(gòu)建虛擬仿真線下教學(xué)平臺。該平臺通過“虛擬體驗式、多向互動式”的新型線下教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生空間想象力，增強(qiáng)對轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的認(rèn)知，再將“主動參與式”的結(jié)構(gòu)基本原理引入其中，使學(xué)生體驗轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)各組成部分及其零部件的運(yùn)作過程，并以任務(wù)驅(qū)動方式引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用相關(guān)知識解決問題。

在平臺構(gòu)建基礎(chǔ)上，將轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)及主要組成部分、關(guān)鍵零部件的技術(shù)參數(shù)及工作原理等內(nèi)容有機(jī)融合到混合教學(xué)模式中，形成以知識框架為“骨”、轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)基本認(rèn)知為“肉”、結(jié)構(gòu)基本原理展示為“經(jīng)絡(luò)”的認(rèn)知型教學(xué)模式。該模式充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)、分析并解決問題，使學(xué)生成為混合教學(xué)模式的主體。為達(dá)到優(yōu)化教學(xué)效果，還需設(shè)計合理的預(yù)習(xí)題、測驗題，幫助學(xué)生掌握學(xué)習(xí)重點，并為課程最終測評提供評審依據(jù)。

虛擬仿真教學(xué)平臺的構(gòu)建可分為教學(xué)目的、轉(zhuǎn)向架及主要組成部分、虛擬裝配、關(guān)鍵零部件工作原理展示四個模塊。除教學(xué)目的，各模塊內(nèi)容可表述為以下三個方面：

一是轉(zhuǎn)向架及主要組成部分，幾種典型轉(zhuǎn)向架、輪對軸箱裝置、一系懸掛等轉(zhuǎn)向架及組成部分簡介。

二是虛擬裝配，典型轉(zhuǎn)向架、輪對組成、不同軸箱定位方式、液壓減震器等轉(zhuǎn)向架及組成部分的虛擬裝配展示。

三是關(guān)鍵零部件工作原理展示，一系懸掛裝置、軸向定位裝置、驅(qū)動裝置、制動裝置等關(guān)鍵零部件的工作原理展示。

各模塊除上述功能外，還有自主知識點檢測功能，學(xué)生完成仿真項目后，可對所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行自測，答題結(jié)束后提交考核報告。該平臺的構(gòu)建為學(xué)生提供了完備的知識框架和交互式的學(xué)習(xí)體驗。

二、虛擬仿真教學(xué)平臺的主要功能

虛擬仿真教學(xué)平臺主要完成轉(zhuǎn)向架及主要組成部分結(jié)構(gòu)介紹、虛擬裝配和基本工作原理展示三方面內(nèi)容，使學(xué)生能夠在鞏固線上理論知識的同時，提升分析和解決問題的能力。平臺主要功能簡要概括為以下四個方面：

一是教學(xué)目的模塊，闡述虛擬仿真教學(xué)平臺的目的及需要達(dá)到的考核標(biāo)準(zhǔn)。

二是轉(zhuǎn)向架及主要組成部分模塊，介紹轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)類型及各結(jié)構(gòu)組成部分的特點。

三是虛擬裝配模塊，采用交互式的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)向架及組成結(jié)構(gòu)的虛擬裝配、拆卸。

四是關(guān)鍵零部件工作原理展示模塊，通過動態(tài)演示直觀展示關(guān)鍵零部件的運(yùn)動狀態(tài)和工作原理。

該平臺中虛擬裝配和工作原理展示等仿真項目均以三維動態(tài)形式呈現(xiàn)，裝配過程中點擊任意裝配零部件即可顯示其名稱或主要參數(shù)。平臺還包含自主手動裝配子項目，可實現(xiàn)手動裝配功能，增強(qiáng)對結(jié)構(gòu)的認(rèn)知和動手實踐能力。可見，以線上理論教學(xué)+線下虛擬仿真實踐教學(xué)為依托的新型混合教學(xué)模式達(dá)到了理論和實踐的深度融合，對提升疫情常態(tài)化下的教學(xué)效果有明顯的優(yōu)勢。

三、虛擬仿真教學(xué)平臺的教學(xué)實踐

如何使虛擬仿真教學(xué)平臺在混合教學(xué)模式中充分發(fā)揮作用是教學(xué)實踐中的首要問題。借鑒傳統(tǒng)實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，將虛擬仿真教學(xué)平臺與線上理論教學(xué)充分融合。比如，學(xué)生可通過平臺進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，熟悉下節(jié)課程，課后鞏固線上所學(xué)內(nèi)容，真正做到理論聯(lián)系實際。線上講授理論教學(xué)時，教師可借助平臺進(jìn)行深層次的理論知識講解，激發(fā)學(xué)生更高的積極性。

（一）線下預(yù)習(xí)及鞏固

線上理論教學(xué)之前，學(xué)生借助虛擬仿真教學(xué)平臺進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，初步了解課程學(xué)習(xí)內(nèi)容。通過課前預(yù)習(xí)，學(xué)生可以了解轉(zhuǎn)向架復(fù)雜的結(jié)構(gòu)及原理，配合線上授課建立相對完整的知識結(jié)構(gòu)框架。線上授課后，學(xué)生可將課上所學(xué)知識代入到虛擬仿真教學(xué)平臺中，加深學(xué)習(xí)印象，從而達(dá)到理論結(jié)合實踐的教學(xué)目的。

（二）線上授課及解惑

針對學(xué)生預(yù)習(xí)所遇到的疑惑和知識難點，在線上授課時，教師可借助虛擬仿真教學(xué)平臺集中進(jìn)行答疑解惑，使學(xué)生深入理解。根據(jù)學(xué)生反饋情況，教師更為深入詳盡地講解課程內(nèi)容，充分提高虛擬仿真教學(xué)平臺對線上理論教學(xué)的增益，彌補(bǔ)線上理論教學(xué)的不足，完善“線上+線下”混合教學(xué)模式。受益于虛擬仿真教學(xué)平臺的學(xué)習(xí)認(rèn)知，線上理論教學(xué)的效率也會得到提升。

（三）課程考核方式

“線上+線下”混合教學(xué)模式需要建立相應(yīng)完整的課程考核制度，且該考核制度應(yīng)貫穿于整個疫情防控大背景下的教學(xué)過程。針對課程特點以及基于虛擬仿真教學(xué)平臺的混合教學(xué)模式的實踐，該課程考核制度不僅要考核學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握程度，也應(yīng)該對學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力及發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力等進(jìn)行全方位考查。動車組結(jié)構(gòu)及原理課程考核制度由線上教學(xué)（70%）和線下教學(xué)（30%）兩部分組成，其中線上教學(xué)成績主要包括作業(yè)、期末考試成績、考勤等，線下教學(xué)成績主要是虛擬仿真教學(xué)平臺各模塊中自測成績的匯總考核。

在分析傳統(tǒng)“線上+線下”教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，結(jié)合疫情常態(tài)化下的教學(xué)目標(biāo)及要求，依據(jù)動車組結(jié)構(gòu)及原理的課程特點，借助虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建虛擬仿真實踐教學(xué)平臺，并與線上直播理論教學(xué)相融合，探究了新型混合教學(xué)模式，得到以下結(jié)論：

線下虛擬仿真實踐教學(xué)平臺有助于彌補(bǔ)疫情常態(tài)化下實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的缺失，使學(xué)生能夠在短時間內(nèi)高效地掌握動車組復(fù)雜的結(jié)構(gòu)及原理，增強(qiáng)學(xué)生的認(rèn)知能力和工程實踐能力。

線上直播理論教學(xué)+線下虛擬仿真實踐教學(xué)的新型混合教學(xué)模式相互補(bǔ)充和支撐，既能凸顯以教師為主導(dǎo)的線上直播教學(xué)，又能充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，彰顯以學(xué)生為主體的線下實踐教學(xué)，為在疫情期間培養(yǎng)具有相關(guān)專業(yè)知識的應(yīng)用創(chuàng)新型人才提供了新的教學(xué)思路和方法。

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責(zé)編：桃 子