構(gòu)建虛擬仿真實驗教學(xué)多元評價體系

龔成勇 韓偉 王之君 何香如

摘要：文章以《水電站》課程虛擬仿真實驗為例，研究其成績評價方法，通過研究虛擬仿真實驗的特征、評估方法演變及改革思路與模式設(shè)計，進行實踐應(yīng)用。經(jīng)過學(xué)生學(xué)習(xí)效果分析和實踐證明，采用多元評價方法評價虛擬仿真實驗教學(xué)成績，不僅符合教學(xué)規(guī)律，適應(yīng)教學(xué)模式，滿足課程教學(xué)要求，而且在教學(xué)各環(huán)節(jié)均能起到提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性的作用，極大地提高了虛擬仿真實驗教學(xué)成績評價的客觀性和準確性。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實驗;教學(xué)效果;多元評價方法;能力培養(yǎng)

中圖分類號：G642.1 ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：1673-8454（2020）06-0051-06

一、引言

虛擬仿真實驗是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，虛擬仿真實驗教學(xué)突破了高校傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，是當(dāng)前實驗教學(xué)的發(fā)展方向[1]。虛擬仿真實驗是通過模擬真實的實驗操作環(huán)境和實驗對象，使學(xué)生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開展實驗[2]。虛擬仿真實驗教學(xué)除了具有重要的技術(shù)特征外，還要滿足教學(xué)大綱的要求[3]。

筆者認為虛擬仿真實驗教學(xué)是利用計算機網(wǎng)絡(luò)、多媒體、信息、數(shù)據(jù)可視化、虛擬現(xiàn)實和人機交互等技術(shù)，融合相關(guān)專業(yè)原理和數(shù)據(jù)信息，派生出來的教學(xué)形式，其遵從教學(xué)的基本規(guī)律，具有傳統(tǒng)教學(xué)的基本屬性，像其他課程教學(xué)一樣，由各環(huán)節(jié)構(gòu)成了一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)的關(guān)鍵組成主要包括教學(xué)主體、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)載體、實施策略、教學(xué)反饋與監(jiān)管、教學(xué)評價和教學(xué)進化與發(fā)展等。

隨著本科生虛擬仿真實驗的普及，其教學(xué)效果如何考核以及學(xué)生成果如何評價，成為本科生課程考核的新問題。蘭州理工大學(xué)水利水電工程系開設(shè)虛擬仿真實驗以來，筆者對其進行了深入研究，結(jié)合多年教學(xué)考核評價的積累，逐步提出針對虛擬仿真實驗課程相關(guān)的考核方法并不斷完善，以便建立一整套適用于虛擬仿真實驗的、操作性較強的、具有指標(biāo)科學(xué)明確的質(zhì)量評估體系。

課程教學(xué)多元化考核方法是高等教育發(fā)展的必然趨勢，虛擬仿真實驗教學(xué)作為新型的教學(xué)手段，其考核方式較傳統(tǒng)教學(xué)模式而言，采用多元的考核方式有良好的先決條件?；诖?，筆者對水利水電工程專業(yè)骨干核心課程《水電站》進行了教學(xué)改革，通過混合式和項目式教學(xué)項目的建設(shè)、改革與教學(xué)實踐，開設(shè)了4學(xué)時的課內(nèi)虛擬仿真實驗，并將課程的虛擬仿真實驗作為考核的分項，成績列入課程成績。

白冬松[4]等指出虛擬仿真實驗教學(xué)可以有效解決傳統(tǒng)實驗教學(xué)缺乏統(tǒng)一、客觀、全面、系統(tǒng)的評價考核實驗操作過程這一弊端。但由于課程特點和教學(xué)環(huán)節(jié)存在差異，需要探討如何將多元化的考核方法科學(xué)合理地應(yīng)用于《水電站》課程虛擬仿真實驗的教學(xué)。我國高等學(xué)校課程教學(xué)呈現(xiàn)多樣化的形式，考核方法也逐步采用多元化的方法，因此，構(gòu)建虛擬仿真實驗教學(xué)多元評價體具有極為重要的意義。

二、構(gòu)建《水電站》課程虛擬仿真實驗教學(xué)的多元化評價方法

1.《水電站》課程虛擬仿真實驗教學(xué)能力分解

面對現(xiàn)代水電站工程愈來愈呈現(xiàn)出“空間體量巨大、結(jié)構(gòu)類型多樣、施工周期漫長、管理關(guān)系復(fù)雜”的趨勢，加之《水電站》課程涉及水工建筑物學(xué)、水能水利規(guī)劃學(xué)、水力機組及其輔助設(shè)備、電力與電氣設(shè)備、計算機網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控、機組運行和工程力學(xué)等多學(xué)科，知識點繁雜，通過課程虛擬仿真實驗是為了更好地實施“基礎(chǔ)—綜合—系統(tǒng)—創(chuàng)新”的培養(yǎng)體系，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量進而適應(yīng)社會需求。

根據(jù)教學(xué)改革的總體思路，我們制定了《水電站》課程虛擬仿真實驗的教學(xué)目標(biāo)?！端娬尽氛n程虛擬仿真實驗教學(xué)目標(biāo)的定位是基于能力培養(yǎng)，即培養(yǎng)分析能力、模型表達能力、提出求解方法的能力、分析求解結(jié)果的能力、提出改進方案的能力、編寫實驗報告的能力、答辯匯報的能力。

2.《水電站》課程虛擬仿真實驗平臺與實驗設(shè)計

（1）虛擬仿真平臺構(gòu)建

根據(jù)ADDIE（分析Analysis、設(shè)計Design、開發(fā)Develop、實施Implementation、評估Evaluation）的思想，構(gòu)建基于仿真系統(tǒng)的課程實驗教學(xué)執(zhí)行模型，如圖1所示。

模型包含：實驗教學(xué)教師和學(xué)生兩個主體，由教學(xué)大綱、目標(biāo)、任務(wù)和教學(xué)過程設(shè)計等要素所構(gòu)成的實驗教學(xué)資料，專門仿真實驗平臺系統(tǒng)，基本的軟硬件系統(tǒng)，實驗教學(xué)實施管理，實驗成果評價。

（2）仿真實驗內(nèi)容設(shè)計

根據(jù)《水電站》教學(xué)大綱，基于水電站工程發(fā)展，考慮行業(yè)人才需求，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建教學(xué)方法，加之分析學(xué)生的生理、心理特點以及學(xué)習(xí)興趣和其學(xué)習(xí)過程中的情緒變化、知識結(jié)構(gòu)等特征，構(gòu)建了本課程虛擬仿真實驗項目，通過上機操作完成測試工作，并進行教學(xué)資料再組織、再加工，形成最終的實驗項目。具體為：水電站樞紐規(guī)劃布置專題項目、水電站廠房建筑物空間布置、輸水系統(tǒng)建筑物流道數(shù)值模擬、水電站建筑物結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析和安全評估、水電站機組安裝維修、水電站機組運行與故障處理、水電站輔助設(shè)備與電氣設(shè)備故障排查等。

3.《水電站》課程虛擬仿真實驗考核方法改革思路與多元評價模式設(shè)計

虛擬仿真實驗從時間上分為實驗前準備、實驗進行和實驗后整理數(shù)據(jù)、完成報告并答辯，指導(dǎo)教師和學(xué)生既有分工又有合作。

（1）課程改革模型的要素構(gòu)建

由于虛擬仿真實驗關(guān)注的是學(xué)生實踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)，因此成績考核需要考慮教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)平臺及操作、教學(xué)過程與教學(xué)成果，還需要考慮學(xué)生在成果答辯過程中對實驗內(nèi)容的理解和掌握情況，因此成績評價應(yīng)滿足教學(xué)的全過程、動態(tài)性和多元性等特征。分析本課程由教學(xué)團隊、學(xué)生、教學(xué)環(huán)境、教學(xué)素材、教學(xué)實施與組織、教學(xué)方法、教學(xué)評價與反饋等要素構(gòu)成的教學(xué)維度，解析學(xué)生的認知規(guī)律，研究教學(xué)方法，總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗，查閱大量文獻，針對本課程教學(xué)改革，建立其教學(xué)實施模型。模型定義為多維度的教學(xué)實施模型，將多維度進行直觀表達為“空間”，并重構(gòu)教學(xué)中心任務(wù)、教學(xué)主體、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)改革等內(nèi)容。

（2）成績考核模型的要素重構(gòu)

根據(jù)虛擬仿真實驗的特征構(gòu)建的模型要素，將考核的對象看成有維度的“空間”，并將各維“空間”按照教學(xué)過程中各環(huán)節(jié)進行有機整合，并對每一維“空間”定義一個量化指標(biāo)，將其定義為對應(yīng)的參數(shù)。由于虛擬仿真實驗過程主要是由學(xué)生完成各個階段的操作，引入“操作”的英文單詞“operate”，將“空間”與 “操作”進行有機的耦合構(gòu)造，將成績考核轉(zhuǎn)換為評價學(xué)生在實驗過程中完成“操作”的表現(xiàn)，即得本課程成績考核模型的雛形，稱之為“多維操作模型”。

由于虛擬仿真實驗過程表現(xiàn)出“觀察力、判斷力、想象力、創(chuàng)造力、控制力、執(zhí)行力和表達力”等七種基本的能力，加之模型用于評價成績，故稱之為基于能力培養(yǎng)的七維操作及評價模型，用英文字母表示為7D-operate，由于實驗平臺開發(fā)以及實驗項目的開發(fā)植入并遵從ADDIE思想，引入5個動詞的首字母來替代單詞operate中的每一個字母，又因為成績考核關(guān)注的是實驗過程學(xué)生的參與表現(xiàn)及實驗過程中的成果，用operating代替模型中“操作”，表示考核過程與實驗過程的同步連續(xù)。采用代數(shù)中分配原理，將進行時給每一個單詞進行分配，得到五個單詞的進行時態(tài)，分配后 “operating”恢復(fù)成原型“operate”，為了與模型雛形相區(qū)分，并用大寫字母來表示模型，至此構(gòu)建出成績考核模型，即7D-OPERATE（Obeying+Practising + Emphasizing+ Reforming+ Aiming+ Transforming+ Expecting），同樣引入ADDIE思想，每一個現(xiàn)在分詞均引入5個首字母相同的動詞來表示，構(gòu)造出成績評價模型的多元性，構(gòu)造過程由于版面的限制進行省略，簡要說明如下：

①遵從教學(xué)認知規(guī)律：Obeying（Obeying the Cognitive Law of teaching and learning），核心思想是實驗過程中需要遵循教與學(xué)基本規(guī)律的同時，調(diào)整并適應(yīng)虛擬仿真實驗的學(xué)習(xí)。

②實踐能力培養(yǎng)：Practising（Practising ability）。具體為培養(yǎng)分析能力、模型表達能力、提出求解方法的能力、分析求解結(jié)果的能力、提出改進方案的能力、編寫實驗報告的能力、答辯匯報的能力。

③強調(diào)虛擬平臺功能：Emphasizing（Emphasizing virtual platform features），虛擬仿真實驗借助流程化、交互性、可視化等特征，有效克服了傳統(tǒng)實驗的缺點，比較適合活潑的年輕學(xué)生，備受他們的喜歡，實現(xiàn)了寓教于樂。

④改革實驗學(xué)習(xí)行為：Reforming（Reforming experimental-learning behavior），更好地形成學(xué)習(xí)行為循環(huán)推進效果，從虛擬仿真實驗實現(xiàn)過程中，要求學(xué)生能培養(yǎng)適應(yīng)多種教學(xué)場景的學(xué)習(xí)能力，需要在虛擬仿真實驗過程中能夠改變學(xué)習(xí)習(xí)慣，更好地提高知識的學(xué)習(xí)效果。

⑤瞄準虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容特征：Aiming（Aiming at the characteristics of virtual simulation teaching and learning），虛擬仿真實驗系統(tǒng)有較強的交互性、可視化、數(shù)字化、形象化、可重復(fù)性、拓展性。為了適應(yīng)基于可視化設(shè)計虛擬仿真實驗造成數(shù)據(jù)信息量倍增的環(huán)境變化，實驗過程中對學(xué)生嚴格要求。

⑥轉(zhuǎn)變教與學(xué)的基本方法：Transforming（Transforming the basic methods of teaching and learning） ，虛擬仿真實驗不僅依賴搭建的平臺，實驗內(nèi)容的優(yōu)化重構(gòu)也非常重要，隨著其教與學(xué)的不斷改革與實踐即可形成教學(xué)自身進化系統(tǒng)，因此教學(xué)改革下虛擬仿真實驗教學(xué)需要實現(xiàn)教與學(xué)方法的轉(zhuǎn)變，最終形成虛擬仿真實驗自身的教學(xué)實施進化路線。

⑦期待最佳的教學(xué)效果：Expecting（Expecting best teaching and learning results），虛擬仿真實驗的實施目的是培養(yǎng)學(xué)生的知識技能，與此同時此類實驗的開設(shè)能拓展學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生的積極性，這是實驗設(shè)置的又一目標(biāo)，即美好的期望。

（3）課程成績評價模型系統(tǒng)分析

通過分析虛擬仿真特征，梳理重構(gòu)模型要素，引入ADDIE思想，考慮教學(xué)環(huán)節(jié)中教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)主體、教學(xué)方法與認知、教學(xué)環(huán)境作用關(guān)系、信息傳達與反饋作用等要素，利用系統(tǒng)分析原理對課程改革模型進行系統(tǒng)分析，得到其功能分析關(guān)系圖（見圖2）。分析圖2可知，所建立的評價模型涵蓋了實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的方方面面，不僅涉及實驗前、實驗中、實驗后，也關(guān)注學(xué)生綜合能力的培育，尤其是學(xué)習(xí)能力以及處理數(shù)據(jù)的技能培養(yǎng)得到重視，其特征為多元化的特征。

將教學(xué)能力目標(biāo)作為評定依據(jù)，量化虛擬仿真實驗各階段的成果、過程表現(xiàn)、操作熟練程度、交流積極性、實驗報告質(zhì)量和答辯效果等內(nèi)容，進行評定成績。經(jīng)過分析研究，對考核的成績進行了設(shè)計，得到相應(yīng)的成績結(jié)構(gòu)關(guān)系，如表1所示。

綜上所述，《水電站》課程虛擬仿真實驗的評價是基于上述多元化評定體系，符合課程教學(xué)內(nèi)容，滿足了教學(xué)改革的基本構(gòu)想，不僅具有易操作性、可量化性和持續(xù)性等特點，其改革思路充分采用多元化考核方式、注重過程管理，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新性思維能力，達到了課程大綱的要求。

三、多元化評價方法在課程改革的成效分析

1.選題分析

本課程以《水電站》壓力管道水錘知識點的虛擬仿真實驗為例，為了對比分析學(xué)生的學(xué)習(xí)成效，在2019年春季學(xué)期完成該實驗的班級中，以人數(shù)較為接近的兩個班級為研究對象， 一個為2016級水利水電工程（以下簡稱水工），人數(shù)57人;另一個為2017級給排水科學(xué)與工程（以下簡稱給排水），人數(shù)53人。按照專業(yè)進行對比，研究教學(xué)成效。

2.基于實驗前期準備的教學(xué)效果分析

整理兩個班級實驗前準備信息統(tǒng)計及比較成果，分析成果如表2所示。根據(jù)數(shù)據(jù)可知，兩個班的學(xué)生在實驗前準備較積極主動，途徑、方法和利用的資料呈現(xiàn)多樣性，學(xué)生對實驗相關(guān)資料進行不同程度的整理，通過多種手段進行不同側(cè)重面的學(xué)習(xí)準備，并提出相關(guān)問題。雖然實驗前準備階段關(guān)注的內(nèi)容各不相同，學(xué)習(xí)的掌握程度存在差異，但是證明了虛擬仿真實驗在實驗項目方面滿足了大綱要求，符合教學(xué)目標(biāo)，教學(xué)素材合理，實驗前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)設(shè)計有效，各方面改革是有成效的?；诖?，我們得出虛擬仿真實驗教學(xué)環(huán)節(jié)采用多元考核方法的設(shè)計思路符合教學(xué)規(guī)律，考核方法將實驗成績的25%分配給前期準備階段是合理的。

3.基于虛擬仿真實驗過程的教學(xué)效果分析

教學(xué)過程評價是《水電站》課程虛擬仿真實驗多元評價方法的重要組成部分。朱定局[5]在文獻中指出，也有少數(shù)教學(xué)過程評價的研究和嘗試。學(xué)生在虛擬仿真實驗教學(xué)平臺上不受實際條件限制反復(fù)進行虛擬操作，彌補了實驗條件的不足[6]。因此，本課程實驗過程的落實主要采用以教師評價學(xué)生的方式，利用的是虛擬仿真實驗與傳統(tǒng)實驗方法的差異，實驗實施過程也是多元評價方法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其效果關(guān)系到教學(xué)質(zhì)量的達成與否。

本課程考慮到實驗過程對能力培養(yǎng)的評價，主要從實驗內(nèi)容及原理、軟件操作和成果展示與分析等三個方面展開，數(shù)據(jù)分析如表3所示。分析數(shù)據(jù)可知，教學(xué)過程是一個教與學(xué)相互作用的動態(tài)過程，分析學(xué)生在《水電站》課程虛擬仿真實驗過程中的信息可知，實驗實施過程作為課程考核評價的重要環(huán)節(jié)和內(nèi)容，關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過程的參與。實驗環(huán)節(jié)中除了培養(yǎng)學(xué)生的建模能力之外，還注重培養(yǎng)其設(shè)置求解的能力、分析模擬結(jié)果的能力、報告編輯能力。此外，還以實驗為載體培養(yǎng)了學(xué)生的分析、交流和接觸新事物的能力，且教學(xué)效果良好，滿足了教學(xué)要求。因此，本課程將虛擬仿真實驗過程作為成績評價的主要內(nèi)容，占50%比例，符合工程教育認證評價體系的基本要求。

4.基于虛擬仿真實驗答辯環(huán)節(jié)教學(xué)效果分析

向福[7]等認為，通過改革傳統(tǒng)的實驗報告和實驗考試，可以鍛煉和提高學(xué)生在文獻分析、數(shù)據(jù)處理、問題討論、成果總結(jié)以及語言表達等多方面的能力，讓學(xué)生體驗科研的系統(tǒng)過程，培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)。林麗惠[8]等指出對于實踐教學(xué)考核， 除了提交實驗報告， 增設(shè)課程答辯環(huán)節(jié)。 孟佳娜[9]等提出，實踐教學(xué)考核增設(shè)課程答辯環(huán)節(jié)后， 部分偷懶的學(xué)生就不能再依靠抄襲實驗報告來應(yīng)付實踐環(huán)節(jié)的考核， 激發(fā)了他們必須通過努力扎實掌握實驗內(nèi)容，切實保障實踐教學(xué)應(yīng)有的教學(xué)效果。陶潔[10]等以“水資源規(guī)劃與利用”為例，提出課程結(jié)束的答辯—總結(jié)點評，引發(fā)后續(xù)興趣和思索空間。為了督促學(xué)生學(xué)習(xí)，達到培養(yǎng)學(xué)生能力的目的，需要設(shè)置答辯環(huán)節(jié)。并提出了課設(shè)啟動之初的思維引導(dǎo)、課設(shè)過程中的答疑指導(dǎo)、課設(shè)結(jié)束的答辯、總結(jié)、指導(dǎo)的全過程指導(dǎo)方法以及答辯準備、答辯過程、成績判定標(biāo)準的課程設(shè)計答辯方式。因此，《水電站》課程虛擬仿真實驗也設(shè)置了答辯環(huán)節(jié)。

下面筆者以兩個班為例，分析虛擬仿真實驗答辯情況，揭示采用多元評價方法的《水電站》課程虛擬仿真實驗成績的效果。比較兩個班級學(xué)生的答辯情況、實驗報告的完整性和所回答問題與本實驗內(nèi)容的相關(guān)性等項目，學(xué)生的能力得到展示，其余各項相對較低，雖然由于答辯成績只占總成績的25%，答辯成績在一定程度上影響了學(xué)生成績的分級，也對教學(xué)效果的分級有明顯的影響。因此《水電站》課程實驗成績考核辦法采用多元評價方法是符合學(xué)習(xí)效果的，即能以成績差異來評價學(xué)生能力的分級，這也證明了本課程采用多元評價方法的合理有效性。

為了改善答辯環(huán)節(jié)的效果，還需要進一步進行調(diào)整：第一，合理安排答辯環(huán)節(jié)，給學(xué)生足夠的時間去準備答辯。第二，為學(xué)生下發(fā)相關(guān)的學(xué)習(xí)資料，尤其要下發(fā)針對答辯環(huán)節(jié)有較強指導(dǎo)性的資料。第三，優(yōu)化答辯模式，利用答辯環(huán)節(jié)，更好地培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。第四，為了本課程后續(xù)更好地開展，調(diào)整評價體系的分值分配系數(shù)，增強對答辯環(huán)節(jié)的考核。

四、結(jié)束語

《水電站》課程虛擬仿真實驗內(nèi)容既包括多學(xué)科基礎(chǔ)知識，也涵蓋了虛擬仿真實驗的基本型。針對該虛擬仿真實驗的特點，展開改革實踐，主要有以下四個方面成果：

（1）成績的評價應(yīng)該貫穿實驗實施的各個環(huán)節(jié)，建立一套考核成績多元評價方法，該方法基于多元考核理論，具有操作性強、比重分配合理、構(gòu)思符合教學(xué)基本規(guī)律，能夠滿足工程教育認證的理念要求和以能力培養(yǎng)為主的教學(xué)改革需要。

（2）進行了基于多元化考核方法理論分析，提出了本課程考核方法改革的思路，設(shè)計了多元化考核模式，并進行了探索性實踐研究，分析了學(xué)生學(xué)習(xí)效果。

（3）教學(xué)實踐表明，基于本課程的多元化考核方式有利于引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)，能培養(yǎng)學(xué)生分析、模型表達、提出求解方法、分析求解結(jié)果、提出改進方案、編寫實驗報告、答辯匯報等多方面的能力，并提高了學(xué)習(xí)成效。

（4）本課程虛擬仿真實驗成績采用多元評價方法，效果良好，值得參考借鑒。

總之，在目前教育教學(xué)改革的要求下，尤其為落實“以學(xué)生為中心，以學(xué)生學(xué)習(xí)與發(fā)展成效為驅(qū)動”的教育理念，更好地貫徹“以產(chǎn)出為導(dǎo)向、以學(xué)生為中心、持續(xù)改進”的工程教育認證評價體系的要求下，隨著本科生虛擬仿真實驗的普及，本課程率先進行了教學(xué)改革與實踐，效果良好尤其針對虛擬仿真實驗成績，采用了多元評價方法，值得參考與借鑒。

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