“互聯(lián)網(wǎng)+教育”背景下基于“Wed 3D技術(shù)+翻轉(zhuǎn)課堂”的高電壓技術(shù)課程教學(xué)模式探索

黎鵬　吳田　普子恒　李振華

摘 要 高電壓技術(shù)作為三峽大學(xué)特色專業(yè)輸電線路工程的必修課之一，是一門理論性和實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，本文根據(jù)其內(nèi)容及特點(diǎn)，提出了基于“Web 3D技術(shù)+翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)模式，并對教學(xué)方法進(jìn)行了初步探索，將提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，具有一定的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞 高電壓技術(shù) Web 3D技術(shù) 翻轉(zhuǎn)課堂 教學(xué)模式

中圖分類號：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2021.01.060

Abstract High voltage technology is one of the compulsory courses of characteristic specialty transmission line engineering in Three Gorges University， and it is a theoretical and practical course. According to its content and characteristics， the teaching mode based on "Web 3D technology + flipped classroom" is proposed in this paper. The teaching method is preliminarily explored， which will improve students' autonomous learning ability and have certain promotion value.

Keywords high voltage technology; Web 3D technology; flipped classroom; teaching mode

0 概況

2019年全國兩會(huì)將“互聯(lián)網(wǎng)+教育”首次寫入政府工作報(bào)告，《國家十三五規(guī)劃（2016-2020年）》中將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)明確列入國家大力支持的行業(yè)中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教學(xué)的深度融合勢在必行。Web3D技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物（互聯(lián)網(wǎng)+虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)VR），通過建立三維虛擬世界，能更好地觀察抽象的現(xiàn)實(shí)世界。[1]因此， 隨著“互聯(lián)網(wǎng)+教育”時(shí)代的到來，Web3D技術(shù)為高等教育教學(xué)改革提供了廣闊的發(fā)展前景。[2]

自2007年美國學(xué)者Jon Bergmann和Aaron Sams提出新興教學(xué)模式翻轉(zhuǎn)課堂以來，[3]基于翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方式在國內(nèi)快速興起，學(xué)生參與課程學(xué)習(xí)的熱情和積極性有所提高，該教學(xué)模式已在眾多高等院校推廣，解決了以往學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)能力不足、師生缺乏溝通、課堂效果差的局面，得到了師生的一致好評。[4]但現(xiàn)有教學(xué)中仍存在一些問題，翻轉(zhuǎn)課堂提高了學(xué)生參與學(xué)習(xí)的積極性，但未解決抽象知識點(diǎn)理解難、理論與實(shí)際缺乏聯(lián)系等問題，使得學(xué)生對相關(guān)知識點(diǎn)難以掌握，自主學(xué)習(xí)及課堂教學(xué)還是達(dá)不到預(yù)期。

高電壓技術(shù)作為三峽大學(xué)特色專業(yè)輸電線路工程的必修核心專業(yè)課程之一，內(nèi)容多、難度大，抽象概念多，如電介質(zhì)放電機(jī)理、雷電、波過程、過電壓等，學(xué)生難以理解掌握;同時(shí)，還包含了大量工程實(shí)際知識點(diǎn)，如高壓電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)、高壓絕緣試驗(yàn)等。[5-6]這些抽象晦澀的理論及工程實(shí)際知識點(diǎn)，僅依靠傳統(tǒng)課堂講解以及課外翻轉(zhuǎn)教學(xué)效果依然有限。如能利用Web 3D技術(shù)制作三維模型VR，再結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂，將極大地豐富學(xué)習(xí)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生興趣，真正實(shí)現(xiàn)主動(dòng)學(xué)習(xí)和個(gè)性化教學(xué)。

本文針對現(xiàn)有教學(xué)模式存在的問題，提出了基于“Web 3D技術(shù)+翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)模式，對高電壓技術(shù)課程中的知識點(diǎn)進(jìn)行歸類，對復(fù)雜晦澀理論及工程性強(qiáng)的知識點(diǎn)利用Web 3D技術(shù)制作三維動(dòng)畫及視頻，綜合課外視頻及理論講授，實(shí)現(xiàn)課堂翻轉(zhuǎn)，培養(yǎng)大學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，提高教學(xué)質(zhì)量。

1 Web 3D+翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式實(shí)現(xiàn)

本文以三峽大學(xué)輸電線路工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案為基礎(chǔ)，以提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣為目標(biāo)，基于Web 3D技術(shù)和翻轉(zhuǎn)課堂，構(gòu)建高電壓技術(shù)課程混合式教學(xué)模式。總體實(shí)施框圖如圖1，具體實(shí)施方案如下：

（1）構(gòu)建整體框架。高電壓技術(shù)課程內(nèi)容主要包括放電理論、高壓試驗(yàn)、電力系統(tǒng)過電壓及防護(hù)、絕緣配合等，具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性。根據(jù)教學(xué)大綱、教學(xué)目標(biāo)，結(jié)合以往教學(xué)經(jīng)驗(yàn)及考核方式，并通過對學(xué)生人群及企業(yè)調(diào)研，綜合反饋意見，對課程內(nèi)容安排進(jìn)行分析，確定課堂講授內(nèi)容、翻轉(zhuǎn)教學(xué)內(nèi)容及3D虛擬場景內(nèi)容，構(gòu)建整體教學(xué)框架及實(shí)施流程，形成新的教學(xué)實(shí)施方案。

（2）課外教學(xué)設(shè)計(jì)。根據(jù)高電壓技術(shù)課程知識點(diǎn)的特點(diǎn)，選取合理知識點(diǎn)構(gòu)建翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)微視頻，并對重難點(diǎn)知識制作3D虛擬場景動(dòng)畫;如針對放電理論部分，可制作電介質(zhì)放電/擊穿過程的3D視頻和動(dòng)畫;針對復(fù)雜電力設(shè)備，如變壓器、斷路器等，可利用Web 3D技術(shù)構(gòu)建三維立體模型，通過旋轉(zhuǎn)、放大等操作清晰地顯示各部分的結(jié)構(gòu);對于高壓絕緣試驗(yàn)部分，可根據(jù)實(shí)際高壓實(shí)驗(yàn)室布局及設(shè)備結(jié)構(gòu)，構(gòu)建真實(shí)三維虛擬場景，讓學(xué)生產(chǎn)生身臨其境的效果，真正實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)際相結(jié)合的目標(biāo)。通過理論教學(xué)視頻、3D虛擬場景展示，并輔以詳細(xì)的語音講解，將大大地提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)效率，提升學(xué)習(xí)理解能力，激發(fā)想象力。同時(shí)，可基于雨課堂和SPOC等網(wǎng)絡(luò)空間構(gòu)建知識點(diǎn)3D展示和微視頻播放綜合平臺，形式開放包容;將視頻資源通過云盤空間或SPOC網(wǎng)絡(luò)空間共享，通過雨課堂向?qū)W生推送PPT、視頻鏈接等方式開展課下學(xué)習(xí)，讓學(xué)生及時(shí)觀看教學(xué)視頻和3D虛擬動(dòng)畫，并配套互動(dòng)測評，反饋學(xué)生自主學(xué)習(xí)情況。使教師可以有效地管理課程，并加強(qiáng)與學(xué)生的互動(dòng)，有效監(jiān)控學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和效果。

（3）課堂教學(xué)設(shè)計(jì)。課堂教學(xué)主要分為兩個(gè)方面：①對學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)情況進(jìn)行匯總分析，結(jié)合3D虛擬動(dòng)畫，對部分重難點(diǎn)知識進(jìn)行針對性講解，幫助學(xué)生加深理解;②構(gòu)建多元化的交流討論交流環(huán)節(jié)，通過師生交流、小組討論、成果展示等方式，實(shí)踐“微視頻—虛擬現(xiàn)實(shí)場景—師生互動(dòng)交流—總結(jié)反饋”的教學(xué)模式，如讓學(xué)生參與3D虛擬場景制作，并進(jìn)行現(xiàn)場演示，分享學(xué)習(xí)心得，提高課堂中學(xué)生的參與度，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

（4）教學(xué)評價(jià)機(jī)制。教學(xué)評價(jià)是教學(xué)模式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其好壞直接決定了教學(xué)模式是否可行。而現(xiàn)有評價(jià)模式仍以“卷面考試+平時(shí)成績”的評價(jià)方式為主，應(yīng)形成“課前學(xué)習(xí)+課堂討論+學(xué)習(xí)平臺交流+理論考試”的多元化評價(jià)機(jī)制;同時(shí)，形成師生互評的評價(jià)體系，在整個(gè)教學(xué)過程中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)評價(jià)，老師依據(jù)評價(jià)結(jié)果不斷反思和調(diào)整教學(xué)思路，學(xué)生不斷優(yōu)化學(xué)習(xí)方式，提高學(xué)習(xí)效率;充分調(diào)動(dòng)學(xué)生和老師的積極性，形成教和學(xué)相互促進(jìn)的良好局面。[7]

2 Web 3D+翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)案例分析

2.1 抽象理論案例

高電壓技術(shù)課程涉及較多抽象理論，以氣體放電理論部分為例來論述針對抽象理論的教學(xué)實(shí)施方法。氣體放電理論包括：湯森德放電理論、流注放電理論、先導(dǎo)理論等;這些理論不論是課外自主學(xué)習(xí)還是課堂講授，從反饋情況來看，大部分學(xué)生未真正理解和掌握，原因在于放電過程極為抽象復(fù)雜。傳統(tǒng)的教學(xué)視頻仍停留在概念講解方面，圖片也以靜態(tài)為主，不夠生動(dòng)形象，導(dǎo)致課外學(xué)習(xí)效果不佳，達(dá)不到翻轉(zhuǎn)課堂期望的目標(biāo)。根據(jù)本文提出的教學(xué)模式，可做如下改進(jìn)：

（1）在課外學(xué)習(xí)視頻中，增加放電過程動(dòng)畫，如圖2所示。將放電理論講解與視頻動(dòng)畫結(jié)合起來，通過視頻及圖片，對電子崩、電暈起始、流注放電（正流注和負(fù)流注）等理論進(jìn)行介紹，讓學(xué)生在課外學(xué)習(xí)過程對氣體放電的宏觀過程有所認(rèn)識，加深對相關(guān)理論知識點(diǎn)的理解;同時(shí)可設(shè)置相關(guān)問題引導(dǎo)學(xué)生去思考，比如放電為什么會(huì)出現(xiàn)分支？放電為什么不是均勻連續(xù)發(fā)展？等。

（2）利用Web 3D技術(shù)制作三維動(dòng)畫，從微觀層面解釋氣體放電現(xiàn)象。在了解氣體放電基本理論后，利用Web 3D技術(shù)構(gòu)建三維立體彩色模型，從電子和離子產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)形成電子崩開始，到空間電離、光電離形成流注，以及長間隙熱電離形成先導(dǎo)通道等過程，生動(dòng)形象地描述氣體間隙放電理論。學(xué)生可從微觀層面（電子、離子運(yùn)動(dòng)等）清晰地看出各放電理論之間的差異，使抽象的理論立體、直觀、多維度呈現(xiàn)。同時(shí)，可將微觀三維模型與宏觀放電動(dòng)畫進(jìn)行深度結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生對相關(guān)放電現(xiàn)象從微觀層面進(jìn)行解釋，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，增強(qiáng)創(chuàng)新能力。

2.2 工程實(shí)際案例

高電壓技術(shù)課程具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐性，下面以高壓絕緣試驗(yàn)為例，來論述針對工程實(shí)際的教學(xué)實(shí)施方法。高壓絕緣試驗(yàn)涉及高壓電氣設(shè)備（調(diào)壓器、試驗(yàn)變壓器、分壓器等）、高壓產(chǎn)生原理、高壓測量以及試驗(yàn)接線等過程;雖然針對高壓絕緣試驗(yàn)部分既有理論講解，也有現(xiàn)場試驗(yàn)操作，但學(xué)習(xí)效果一般，主要原因在于：（1）學(xué)生對高壓電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)缺乏認(rèn)識，特別是內(nèi)部結(jié)構(gòu)，幾乎僅靠圖片了解，導(dǎo)致對變壓器等復(fù)雜電氣設(shè)備工作原理及應(yīng)注意的問題無法真正理解;（2）高壓實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場開設(shè)的一些實(shí)驗(yàn)課，雖然能一定程度上彌補(bǔ)理論教學(xué)的不足，但學(xué)生僅能對設(shè)備的外觀進(jìn)行觀察，仍無法觀測內(nèi)部結(jié)構(gòu);同時(shí)，出于安全問題考慮和實(shí)驗(yàn)室容量有限，許多高壓試驗(yàn)（如工頻、沖擊耐壓試驗(yàn)等）學(xué)生只能遠(yuǎn)距離觀看，并不能動(dòng)手操作（如試驗(yàn)接線、測量等），對試驗(yàn)流程、具體操作步驟、注意事項(xiàng)、試驗(yàn)現(xiàn)象等停留在表象認(rèn)識，并未真正理解，導(dǎo)致理論與實(shí)踐仍存在脫節(jié)情況，達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)。為此，可進(jìn)行如下改進(jìn)：

根據(jù)高壓實(shí)驗(yàn)室設(shè)備及布局，利用Web 3D技術(shù)制作電氣設(shè)備真型三維模型及實(shí)驗(yàn)室虛擬現(xiàn)實(shí)場景。3D模型可對設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致呈現(xiàn)，如變壓器的鐵心結(jié)構(gòu)、繞組纏繞方式、高低壓繞組排列等，學(xué)生可通過局部放大、旋轉(zhuǎn)等方式，對設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)有清晰的認(rèn)識，加深對相關(guān)理論的理解。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)場景可讓學(xué)生有置身于實(shí)際實(shí)驗(yàn)室的感受，達(dá)到身臨其境的效果，既有很強(qiáng)的交互性，也有沉浸感和趣味性。[4]學(xué)生可在虛擬現(xiàn)實(shí)場景中開展試驗(yàn)操作，如接線、電壓調(diào)整、電壓測量等，還可對各類試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行觀測，并對錯(cuò)誤操作引發(fā)的后果及原因進(jìn)行說明和展示，彌補(bǔ)現(xiàn)有試驗(yàn)教學(xué)的不足，激發(fā)學(xué)生對高電壓工程實(shí)踐的興趣。

3 結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)教學(xué)視頻、圖片和動(dòng)畫不能完全滿足高電壓技術(shù)課程教學(xué)需要的問題，基于“Web3D技術(shù)+翻轉(zhuǎn)課堂”構(gòu)建新的教學(xué)模式。通過將現(xiàn)有翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式與3D虛擬現(xiàn)實(shí)場景相結(jié)合，使抽象理論與工程實(shí)際知識點(diǎn)立體化、直觀化和形象化，提升學(xué)生對抽象知識的理解能力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，完美解決教學(xué)與實(shí)踐脫節(jié)、部分內(nèi)容抽象難以理解等難題。該教學(xué)模式將為其他電氣工程專業(yè)課程提供改革方向，但其有效性有待進(jìn)一步驗(yàn)證，同時(shí)也對教師的專業(yè)技能提出了新的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐翰鵬，吳金成，張海麗，等.Web 3D技術(shù)在護(hù)理解剖學(xué)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)中的應(yīng)用探討[J].解剖學(xué)研究，2017.，39（06）：491-493.

[2] 邸志宏.Web 3D技術(shù)在高職院校教學(xué)中的應(yīng)用[J].咸寧學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，31（08）：174-175.

[3] 楊斌，王以寧，任建四，等.美國大學(xué)IPSP課程混合式翻轉(zhuǎn)課堂分析與啟示[J].中國電化教育，2015，（02）：118-122，128.

[4] 賈敏，張曉輝，付鋒，等.虛擬實(shí)驗(yàn)聯(lián)合翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式在生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].心臟雜志，2020，32（04）：449-453.

[5] 邱巍.如何增強(qiáng)《高電壓技術(shù)》課程教學(xué)實(shí)效性[J].江西建材，2015，（21）：219，225.

[6] 黃萍，梁小冰，韓昆侖.多媒體技術(shù)在《高電壓技術(shù)》課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國電力教育，2008，（07）：66-67.

[7] 普子恒，張宇嬌，方春華，等.基于混合式翻轉(zhuǎn)課堂的電力電纜課程教學(xué)模式探索[J].教育教學(xué)論壇，2017，（29）：144-145.