基于虛實融合技術的混合教學模式研究

李 愷，張倩菡

（廣州鐵路職業(yè)技術學院，廣東 廣州 510430）

一、引言

隨著我國現(xiàn)代化進程加快，各大城市對人才需求愈加急切。尤其是我國“一帶一路”倡議和“中國高鐵走出去”戰(zhàn)略的提出，我國對軌道行業(yè)人才需求量激增。體現(xiàn)在不僅對人才數(shù)量需求巨大，同時，對人才質量上又有新的要求[1-2]。

然而傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)模式——以“教師為中心”的教學模式忽略了學生的個性，無法充分調動學生的學習積極性，教學效果不如人意?；旌辖虒W（Blended-Learning）借助現(xiàn)代信息科技，為學生營造便捷的學習環(huán)境，提供多樣化的學習資源，打破了傳統(tǒng)班級授課制的局限，將在線學習（E-Learning）與面對面教學相互結合。這充分發(fā)揮了傳統(tǒng)教學與在線教學的優(yōu)勢，將兩者綜合運用，對教學過程中用到的相關教學要素進行優(yōu)化選擇和組合，從而提高教學效果[3-5]。

近年來虛實融合技術（VR/AR）與教育相結合取得了良好的效果，彌補了現(xiàn)今高職院校因場地設備等原因無法提供有效的實訓場所的缺陷，在虛擬世界為學生提供良好的學習環(huán)境，讓學生學習擺脫了場地限制，極大地提升了教學效果，增強了學生的學習興趣，提升了教學質量[6]，因而人才培養(yǎng)質量得到提高。同時，因應用了虛實融合技術，計算機成為了新式的教師，有力支撐了人才培養(yǎng)數(shù)量的提升。

二、基于虛實融合技術的混合教學模式

虛實融合技術即VR、AR 技術的一體化技術，其良好的用戶體驗、沉浸式體驗以及無場地限制等特點，已經在培訓、教育、軍事方面大量應用。其在高職教育中也有應用，但大部分需要專用設備配合使用，再加上設備制造成本較高，所以在高職院校中難以普及。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，電腦、手機等智能終端設備已經普及，筆者研究利用終端設備搭載虛實融合技術進行進一步開發(fā)，將虛實融合技術的優(yōu)勢與傳統(tǒng)教學模式長處相結合，嘗試建立基于虛實融合技術的混合教學模式，解決高職教育中師資少、教學場地不足、實訓設備成本高等問題，借助計算機智能指導教學，輔助教師指導學生，同時充分利用虛實融合技術無場地限制的優(yōu)勢，建立虛擬實訓場地，提供虛擬培訓功能，使得學生訓練實操技能沒有場地、時間的限制，提高學生動手能力，提升學生綜合素質。

（一）混合教學模式設計的原則

混合教學源自于建構主義，因此混合教學模式的設計也應滿足建構主義教學理論設計原則[7]。建構主義以“情景”“合作”“互動”“自主建構”為教學發(fā)生環(huán)境的四大組成部分。在此基礎之上，混合教學應遵循以下原則。

1.雙主性原則

混合教學結合了傳統(tǒng)教學和在線教學的特征，將教師主導與學生主體有機結合在一起，因此混合教學既要堅持教師的主導作用，同時也要確保學生為中心的主體地位，即主導和主體結合，體現(xiàn)雙主性。

2.目標性原則

混合教學的本質是為了提升教學效率，強化教學效果。因此在設計教學模式時，不能為了混合而混合，必須始終從教學目標出發(fā)，發(fā)揮傳統(tǒng)教學和在線教學各自的優(yōu)勢，針對學生情況選擇最合適的混合方式。

3.整體性原則

雖然混合教學包含了傳統(tǒng)的課堂教學和在線網(wǎng)絡教學兩種方式，但并不意味著兩者相互獨立，而應綜合兩者各自的特點，考慮各方面因素完善教學體系，將兩者有機地融合為一個整體。這種整體性要囊括教學目標的統(tǒng)一性、教學內容的系統(tǒng)性、教學組織形式的多樣性以及知識結構的完整性等。

4.開放性原則

開放性原則要求是在把混合教學看作一個整體的基礎上，使之保持開放狀態(tài)。首先，教學方式的開放，具體包括教學硬件設施的開放和教學手段的開放，教學的方式面臨多樣化的渠道，教師、學生教與學的途徑擴寬，促進學習過程的高效完成；其次，教學內容的開放，教學資源不局限于固定的書本、圖書館等有限的學習空間內，而是為學生無限延展信息的接收源，課堂逐漸向社會、電子網(wǎng)絡領域延伸，促進學生學習的發(fā)生；再次，教學過程的開放，教育理念從機械、灌輸?shù)葍r值取向轉變?yōu)閷γ裰?、開放、探究、交互等理念訴求。

（二）基于虛實融合的混合教學模式構建

基于混合教學模式設計的原則，同時借鑒傳統(tǒng)教學模式和網(wǎng)絡教學的特點，參照信息化教學的流程圖，構建適合城市軌道交通車輛專業(yè)的混合教學模式，主要包括學前分析、資源建設、教學組織和教學評價4 個階段，其主要框架見圖1。

1.學前分析

針對教學對象進行分析，定制設計教學目標和教學內容，其中教學對象的分析主要包括學生知識儲備分析、學生的專業(yè)方向分析、學生的綜合素養(yǎng)分析。

2.資源建設

針對教學對象需要掌握的教學內容以及在課程中需要達到的教學目標，對教學資源進行篩選優(yōu)化，提高資源質量，為良好的教學體驗奠定基礎。

3.教學組織

此環(huán)節(jié)是整個混合教學的核心內容，主要分成三個部分：課前預習、課中研學和課后鞏固。課前預習在上課之前，教師可將上課內容提前發(fā)給學生進行預習，利用虛擬平臺進行課前導學，引發(fā)學生思考。以問題為驅動，帶動整個課程。在課中環(huán)節(jié)，教師針對學生在預習階段產生的問題對學生進行引導，并與學生一起對問題進行探討，協(xié)作完成解疑答惑過程，調動學生學習主動性，提升學生自主學習解決問題的能力。課后鞏固階段，對上課內容進一步深入提問，引發(fā)學生思考，從而加深學生對知識的理解程度，提高教學效果。

4.教學評價

此過程對學生的學習情況做出科學評估，動態(tài)地調整整個教學過程，從而適應各個不同階段的學生學習情況，更為科學地提高學習效率，提升教學效果。

（三）基于虛實融合技術的混合教學系統(tǒng)

為了更好地實現(xiàn)混合教學，筆者依托智慧職教的云課堂平臺，同時借助虛擬現(xiàn)實技術，搭建了基于虛實融合技術的混合教學系統(tǒng)。系統(tǒng)為C/S 與B/S 架構相結合的混合組織架構，系統(tǒng)總共分成三個部分：瀏覽器端（Browser）、客戶端（Client）、服務器端（Server）。其中各部分的關系以及整個系統(tǒng)的結構框架如圖2所示。

圖2 基于虛實融合技術的混合教學系統(tǒng)框架圖

瀏覽器端利用智慧職教搭建的平臺，供學生在線學習，同時可檢測學生學習進度以及活躍度，以便教師掌握學生的實際學習情況，合理地調整教學進度和深度，從而提高教學質量。

客戶端分為離線版和在線版。其中離線版供PC 端離線使用，但是課程資源不會進行更新；在線版分為PC 端和手機端，可供學生用于虛擬訓練，如提供車輛設備的拆解訓練、故障診斷、設備認知、檢修流程等等。

服務器端作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換中心，用于處理交互數(shù)據(jù)、資源數(shù)據(jù)更新、用戶管理等數(shù)據(jù)庫管理工作。

（四）基于虛實融合技術的混合教學評價體系

由于混合學習是多方面、多層次的學習，因此評價方式也不能只局限于課程的考試成績，應該是多元化、多方面的。在教學體系評價方面，利用云課堂網(wǎng)站以及虛擬培訓系統(tǒng)提供的學習數(shù)據(jù)管理功能，基本能夠對教學效果實現(xiàn)多元化、多方面的考核。詳細混合教學評價體系見表1。

表1 基于虛實融合技術的混合教學評價體系

混合教學評價體系主要分成三個部分：課程參與程度、知識技能考察和實操技能考察。

課程參與程度：高職院校學生基礎較差，學習主動性不高，因此需要鼓勵學生參與到課程中，故增加了課程參與程度的考核。增加了在線學習使用率的占分比例，鼓勵學生在線進行學習。

知識技能考察：主要是為了檢驗學生自主學習和在面授課堂學習的情況，考慮到高職院校學生主要以技能實操為主，因此此部分占分比例與實操技能考核相比較低。

實操技能考察：此部分分虛擬培訓系統(tǒng)使用情況和實際技能訓練情況考察兩方面，因高職院校存在學生多、設備少的情況，因此鼓勵學生多使用虛擬培訓系統(tǒng)進行預訓練，以便在實操過程中更高效地進行訓練。此部分的考評分數(shù)最高。

三、實踐探索

（一）混合教學課程建設

筆者以城市軌道交通車輛專業(yè)（檢修方向）為例，對基于虛實融合技術的混合教學模式進行實踐探索。

在進行混合教學時，教師需要在智慧職教建立課程，上傳課程資源（如圖3所示），同時邀請學生注冊并加入課程，進行學習數(shù)據(jù)監(jiān)督。

圖3 智慧職教建立課程截圖

教師在使用過程中可以對學生參與程度，學習情況進行監(jiān)督，其中涵蓋多種數(shù)據(jù)如學生參與作業(yè)人數(shù)、參與線上討論人數(shù)、學生學習課程資料次數(shù)、學生簽到率、小組成績、上課活躍度等等。

通過智慧職教對學生的學習情況進行分析，教師可以實時了解學生對課程內容的掌握情況，同時可以動態(tài)調整教學內容，以適應學生學習進度。

（二）基于虛實融合技術的訓練系統(tǒng)

在實操技能培訓方面，筆者自主開發(fā)了虛擬培訓系統(tǒng)，以車門技能訓練為例進行介紹。整個訓練分成三部分：認知學習、模擬訓練和考試評估。系統(tǒng)主界面如圖4所示。

圖4 車門虛擬訓練系統(tǒng)操作主界面

在車門認知學習訓練中，學生可以通過虛擬手觸碰車門部件，在系統(tǒng)中可以彈出相關部件的名稱、功能、結構組成等基礎知識。圖5為車門認知學習界面，對車門基本知識及分類進行介紹。與此同時，在認知學習模塊中，還可以學習車門的開關原理，學生可以在系統(tǒng)中從各個角度觀看各個零部件在開關門時的工作過程（如圖6所示）。

圖5 車門認知學習界面

圖6 車門工作原理演示

在模擬訓練中，學生可以通過系統(tǒng)指引按照車門拆裝工藝流程進行拆裝訓練。如拆解車門絲杠時，需要使用扳手固定螺母，之后用六角起子取出螺栓，在系統(tǒng)中會將需要拆解的零件標亮，提示學生鎖定關鍵位置。拆解過程如圖7所示。

圖7 車門拆解引導訓練

在考試評估系統(tǒng)中，界面和操作與模擬訓練一樣，只是在學生拆裝過程中不再有關鍵位置提示，并且會對學生拆裝進行計時，用于考核。

在移動終端如手機、平板電腦等設備上也可以使用開發(fā)的系統(tǒng)，如可以使用手機掃描列車設備如受電弓的圖片，即刻在手機上可以看到疊加在圖片上的受電弓模型，并且可以實現(xiàn)360°無死角觀看（如圖8所示），還可以在手機上拆解受電弓（如圖9所示）。

圖8 受電弓工作原理演示

圖9 受電弓爆炸視圖介紹

（三）教學效果

通過搭建基于虛實融合技術的混合教學系統(tǒng)，筆者帶領學生在多項賽事上獲獎，如第六屆中國國際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽總決賽銀獎、第十二屆“挑戰(zhàn)杯”廣東大學生創(chuàng)業(yè)計劃競賽金獎、2019年廣東省高等職業(yè)院校技能大賽“虛擬現(xiàn)實（VR）設計及制作賽項”三等獎。同時筆者依此出版了《城市軌道交通車輛電氣設備》新形態(tài)教材。

四、結語

針對當前高職院校教學存在的問題，借助在線網(wǎng)絡課堂、虛實融合技術與傳統(tǒng)面授課堂的相互結合，構建了基于虛實融合技術的混合教學模式，同時依據(jù)城市軌道交通車輛技術專業(yè)的特點搭建了虛擬培訓平臺，解決了實訓設備不足的問題，也讓學生擺脫了場地的限制，激發(fā)了學生學習興趣，提高了學習效率和教學質量。