基于虛擬仿真技術(shù)的案例教學(xué)法創(chuàng)新實踐教學(xué)研究

王文舉 張玄 姜中敏

[摘 要] 為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、提高學(xué)生積極思維能力和動手實踐能力的培養(yǎng)，提出了一種基于虛擬仿真技術(shù)的案例教學(xué)法，該方法的實現(xiàn)過程是“課前準備：案例選擇與虛擬仿真制作—案例的簡介—實驗案例實現(xiàn)步驟的討論—學(xué)生做出決策—實驗案例的虛擬仿真實踐—課堂總結(jié)”。實驗結(jié)果表明，此種教學(xué)方法寓教于樂、學(xué)生積極參與、勇于探索;能夠突破時空限制使學(xué)習(xí)者對系列或系統(tǒng)的操作任務(wù)有明確的認識;通過良好的人機交互、啟發(fā)式導(dǎo)引，學(xué)習(xí)者自身對操作步驟、技術(shù)要點了然于心，同時對任務(wù)背后的設(shè)備、系統(tǒng)的工作原理產(chǎn)生了濃厚的興趣和深刻的理解。

[關(guān)鍵詞] 實踐教學(xué);案例教學(xué)法;虛擬仿真技術(shù)

[基金項目] 2019年上海理工大學(xué)教師教學(xué)發(fā)展研究項目“分布式3D包裝工藝虛擬仿真教學(xué)平臺建設(shè)”（CFTD194045）;2019年度上海理工大學(xué)優(yōu)質(zhì)在線課程建設(shè)項目“虛擬現(xiàn)實技術(shù)基礎(chǔ)”;2019年上海高校本科重點教改項目“沉浸式中國戲曲曲藝音樂理論課堂建設(shè)”

[作者簡介] 王文舉（1979—），男，山東濟南人，博士，講師（通信作者），研究方向為高等工程教育;張玄（1982—），女，山東濟南人，博士，講師，研究方向為中國傳統(tǒng)音樂;姜中敏（1980—），男（滿族），河北承德人，碩士，講師，研究方向為色彩管理和實驗室管理。

[中圖分類號] G642? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）35-0322-03? ? [收稿日期] 2019-09-10

一、引言

傳統(tǒng)教學(xué)方法主要是基本知識和原理講解后，教師進行示范傳授或在圖紙或模擬板上進行模擬演習(xí)。傳統(tǒng)教學(xué)法僅著眼于知識的傳授，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性受到了限制，嚴重影響了學(xué)生積極思維能力和創(chuàng)造能力的培養(yǎng)。為克服上述缺點，產(chǎn)生了一種基于案例的教學(xué)法并被不斷地摸索探究成為了國內(nèi)外關(guān)于實踐教學(xué)的研究熱點。2017年，L.F.S.Minniti通過文獻回顧介紹了案例教學(xué)法和案例教學(xué)法在巴西的發(fā)展歷史，指出案例教學(xué)法是一種主動學(xué)習(xí)策略的應(yīng)用，將促進批判性思維，鼓勵辯論，激發(fā)師生互動，可行性高。2014年，秦長城提出在計量經(jīng)濟學(xué)課堂教學(xué)中采用小而精的案例教學(xué)法，使學(xué)生更有效的理解和掌握知識要點，從而實現(xiàn)教學(xué)目標[1]。但上述案例教學(xué)方法因缺乏案例場景的沉浸感，學(xué)生參與體驗不均等，受場地時間所限案例學(xué)習(xí)也不能系列化系統(tǒng)化，教學(xué)效果仍有進一步改進的空間。

二、基礎(chǔ)教學(xué)方法與技術(shù)

1.CBL教學(xué)法。案例教學(xué)，指的是指以案例為基礎(chǔ)通過設(shè)置特定的情境，以學(xué)習(xí)者為主體，在教師的導(dǎo)引下通過學(xué)習(xí)者之間對案例的相互討論交流和總結(jié)，從而切實提高學(xué)習(xí)者分析問題、解決問題能力的一種高效教學(xué)方法。案例教學(xué)一般主要包括四個階段：第一階段：案例討論的課前準備;第二階段：案例討論的開場白;第三階段：案例的課堂討論;第四階段：案例討論的總結(jié)。案例教學(xué)的優(yōu)勢是：①以真實案例為切入點，啟發(fā)式教學(xué)學(xué)生參與熱情高;②以學(xué)生為主導(dǎo)，注重學(xué)生主體性、自主性的發(fā)揮;③鼓勵思考、交流、合作;④注重實務(wù)，強調(diào)學(xué)生分析處理能力。案例教學(xué)的局限性是：①案例的完整展開受課堂時間、所在空間有限性的約束，案例片段肢解化;②經(jīng)典案例缺乏，形不成系列化、系統(tǒng)化，理論深度不夠;③學(xué)生參與度、接觸知識要點機會無法均等;④課程成績評定無法客觀公正。

2.虛擬仿真技術(shù)。虛擬仿真是使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來對系統(tǒng)進行仿真，它將虛擬現(xiàn)實與系統(tǒng)仿真結(jié)合成一個有機的整體：充分利用了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的沉浸感、交互性、想象力的三大基本特性來進行真實環(huán)境的營造;利用了系統(tǒng)仿真技術(shù)建立相應(yīng)物理系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的能力用于充分揭示系統(tǒng)的內(nèi)在運行規(guī)律[2]。虛擬仿真教學(xué)是指利用虛擬仿真技術(shù)模擬出案例發(fā)生的真實情境，讓學(xué)生在模擬的情境下進行探究和學(xué)習(xí)。這種教學(xué)方法因其具有高效率、低成本、案例內(nèi)容豐富、性能有效和安全等優(yōu)勢，在教學(xué)上得到了越來越多的應(yīng)用和推廣。

三、基于虛擬仿真技術(shù)的CBL教學(xué)法

將虛擬仿真技術(shù)與CBL教學(xué)法相結(jié)合提出了一種基于虛擬仿真技術(shù)的CBL教學(xué)法。本教學(xué)方法共分為以下幾個步驟：

1.課前準備。①教師確定教學(xué)目標，選取經(jīng)典案例。在基于虛擬仿真技術(shù)的CBL教學(xué)法進行實踐課程教學(xué)時，圍繞教學(xué)對象，課時安排中的每一節(jié)課教師都要有明確的教學(xué)目標，并通過QQ、手機微信app在線等軟件提前告知學(xué)生本次課上要實踐的教學(xué)內(nèi)容。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，教師羅列出與此相關(guān)的所有案例，而后從真實性、示范性、簡潔性、開放性四個角度做進一步的篩選，保證選取的案例不虛構(gòu)-能夠復(fù)原再現(xiàn)、不復(fù)雜、不具爭議性、過程清楚明了。②學(xué)生閱讀有關(guān)的理論。針對教師提前告知的既定的教學(xué)目標與內(nèi)容，學(xué)生在網(wǎng)上或者圖書館進行查找相關(guān)文獻、閱讀相關(guān)理論，提出自己的實驗步驟方案，并列出自己的疑問。③案例的虛擬仿真制作。根據(jù)教師授課所選定的經(jīng)典案例集合，分析每個案例操作中所牽涉到的廠房環(huán)境、設(shè)備型號、性能、具體操作步驟、設(shè)備在每一步地操作過程中給予的響應(yīng)變化、理清設(shè)備變化背后所蘊藏的基本工作原理。到案例事發(fā)現(xiàn)場進行調(diào)研拍照獲取設(shè)備的紋理照片并經(jīng)過photoshop軟件進行簡化處理。對于案例所涉及到的廠房環(huán)境、設(shè)備、天氣狀況使用3Dmax軟件進行1∶1的三維實體建模、紋理貼圖、燈光渲染生成。并將所建三維模型導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實軟件unity中，供在unity軟件所構(gòu)造的虛擬視景里，使用者能在觸發(fā)虛擬設(shè)備部件時進行交互操作體驗;構(gòu)建專家知識庫使軟件對使用者的每一步操作給予指導(dǎo)。在unity軟件中，根據(jù)課堂教學(xué)所在環(huán)境將上述虛擬仿真程序進行發(fā)布生成在個人計算機、智能手機端可運行的虛擬仿真教學(xué)exe文件。

2.案例的簡介。在課堂上，教師首先通過簡單提問來引導(dǎo)學(xué)生進入案例情境，該案例情境此時還是由教師口頭描述。隨后教師通過文本、影片、報紙文章等方式介紹案例內(nèi)容，并告訴學(xué)生課程實驗的工作內(nèi)容及計劃，此時在學(xué)生頭腦中形成了一個案例發(fā)生過程的情境框架。教師指導(dǎo)學(xué)生打開虛擬仿真教學(xué)軟件程序，使用鍵盤、鼠標在案例虛擬場景中進行虛擬漫游，使學(xué)生沉浸在案例所發(fā)生的虛擬情境中，對案例產(chǎn)生的背景、環(huán)境、設(shè)備有了直觀的視覺感受。

3.實驗案例實現(xiàn)步驟的討論。對學(xué)生進行分組，組內(nèi)成員協(xié)作分工，通過書、網(wǎng)絡(luò)等途徑獲得解決實驗案例的相關(guān)信息、并于成員對各自所形成的初步解決方案進行交流和討論。老師在學(xué)生討論過程中要求只進行線索引導(dǎo)不對學(xué)生給出詳細的實驗技術(shù)方案步驟。

4.學(xué)生做出決策。學(xué)生經(jīng)過小組討論提供了各種可能的解決方案，并總結(jié)出各種方案的優(yōu)缺點，但每人心中都會有一種最優(yōu)方案。

5.實驗案例的虛擬仿真實踐。每個學(xué)生操作計算機或智能手機在虛擬仿真平臺上進行虛擬仿真實驗，檢驗學(xué)生心中所提供的決策方案是否是最優(yōu)方案。在學(xué)生具體的虛擬仿真操作過程中，軟件將依據(jù)專家知識庫實時針對學(xué)生的操作給予語音、文本、動畫的指導(dǎo)。

6.課堂總結(jié)。重申實驗案例操作重點，加強記憶;討論并進行細致的分析操作失誤的主要問題并引導(dǎo)學(xué)生揭示該現(xiàn)象背后蘊含的專業(yè)理論，加強學(xué)生理論聯(lián)系實踐、指導(dǎo)實際動手的能力。

四、教學(xué)法實例與分析

本教學(xué)方法應(yīng)用于職業(yè)教育——電力系統(tǒng)實習(xí)訓(xùn)練的實踐教學(xué)中。為使學(xué)生全面掌握110KV變電系統(tǒng)設(shè)備的操作，教師親自到上海洋山港配電系統(tǒng)深入調(diào)研，共完成283個變電站操作票案的選取與整理。在實踐教學(xué)上，教師簡介了實習(xí)訓(xùn)練的內(nèi)容并以問題的方式引導(dǎo)學(xué)生進入實習(xí)情境。隨后教師指導(dǎo)學(xué)生使用虛擬仿真軟件在110KV變電系統(tǒng)中進行3D場景漫游沉浸在案例所發(fā)生的虛擬場景中，見圖1。而后學(xué)生分組，在組中討論如何實踐操作任務(wù)并形成書面的解決方案。學(xué)生打開虛擬仿真軟件，對設(shè)備按照自己擬定的操作任務(wù)實現(xiàn)步驟利用鼠標、鍵盤或點擊觸摸屏進行仿真操作。具體操作步驟如下：

在程序界面里選取149操作票“10KV 1號電容器從開關(guān)檢修改為冷備用”案例如圖2a。

1.按下“x”鍵出現(xiàn)第一步操作語音提示“將10KV 1號電容器車式閘刀推至試驗位置”在此語音提示下，鼠標左擊圖2b紅筆標示處，車式閘刀被推至試驗位置。

2.出現(xiàn)第二步操作語音提示“放上10KV 1號電容器開關(guān)二次插頭”，鼠標左擊圖2c紅筆標示處，二次插頭合上。

3.出現(xiàn)第三步操作語音提示“合上10KV 1號電容器開關(guān)合閘電源開關(guān)”，鼠標左鍵點選圖2d紅筆標示處，開關(guān)合閘電源開關(guān)被合上。

4.出現(xiàn)第四步操作語音提示“合上10KV 1號電容器開關(guān)直流操作電源開關(guān)”，點選圖2e紅筆標示處，直流操作電源被合上，上柜門的綠燈變亮見圖2f紅筆標示處。

5.出現(xiàn)操作票操作成功對話框如圖2g，各種設(shè)備恢復(fù)到冷備用起始狀態(tài)，整個實習(xí)訓(xùn)練案例結(jié)束。

上述交互操作過程中，虛擬仿真軟件給予的語音、flash、動畫都取自專家知識庫。100名學(xué)生上過該課，經(jīng)過統(tǒng)計100%的學(xué)生在最后的總結(jié)過程中，每個學(xué)生都樂于談及切身的感受并做體驗小結(jié)：表示此種教學(xué)方法能夠突破時空限制使學(xué)生對系列或系統(tǒng)的操作任務(wù)有明確的認識;通過良好的人機交互、啟發(fā)式導(dǎo)引，學(xué)習(xí)者自身對操作步驟、技術(shù)要點了然于胸;學(xué)習(xí)者對任務(wù)背后的設(shè)備、系統(tǒng)的工作原理產(chǎn)生了濃厚的興趣和深刻的理解。

參考文獻

[1]秦長城.計量經(jīng)濟學(xué)案例教學(xué)法及小而精案例探討[J].中國大學(xué)教學(xué)，2014（2）：45-47.

[2]趙經(jīng)成.虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計與實踐[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.