“互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真”的新工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式研究

馬明舟

關(guān)鍵詞：新工科;互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式;主動式學(xué)習(xí)

1緒論

新工科是為了適應(yīng)新一輪的科技革命，立足國家戰(zhàn)略發(fā)展需求以及國際競爭新形勢，提出的一種工程類的新的教育改革方向，因此新工科的內(nèi)涵包括了兩個層面：一個面是在新技術(shù)發(fā)展和融合的背景下產(chǎn)生的新工科型專業(yè)，另一面是在新技術(shù)的推動下實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)專業(yè)的升級和改造。

在新工科發(fā)展的大背景下，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型高級技術(shù)人才培養(yǎng)的重要突破，就是要擺脫匱乏的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和落后的教學(xué)方法、手段對人才培養(yǎng)的束縛，推進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，創(chuàng)新教育教學(xué)方法，形成符合新工科人才培養(yǎng)需求的教學(xué)模式。

2實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的現(xiàn)存問題

對于高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)而言，新工科教學(xué)需求與傳統(tǒng)的教育資源和教學(xué)模式的矛盾日益突出。根源在于隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)細(xì)分導(dǎo)致新型實(shí)驗(yàn)的過程更加系統(tǒng)和復(fù)雜，存在不確定性因素，甚至有多種實(shí)驗(yàn)結(jié)果并存，而實(shí)驗(yàn)所用的設(shè)備和軟件系統(tǒng)也在不斷推陳出新，一些與生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系緊密的實(shí)驗(yàn)課程對場地環(huán)境要求嚴(yán)苛，存在一定的安全風(fēng)險。而高校所能投入的資源總量是有限的。因此，當(dāng)前高校在大力發(fā)展新工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中，面臨著如下幾個棘手的問題：

一是，在高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，設(shè)備、軟件的數(shù)量和更新頻率無法及時跟進(jìn)行業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，實(shí)驗(yàn)環(huán)境無法滿足要求，限制了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的作用。

二是，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中，面對新實(shí)驗(yàn)中復(fù)雜、開放的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和內(nèi)容時，學(xué)生的主動性不足，缺乏探索能力。

三是，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中對學(xué)生能力的評價和管理，更側(cè)重于實(shí)驗(yàn)完成結(jié)果的質(zhì)量，因師資投入等原因，無法對學(xué)生實(shí)驗(yàn)完成的成績做全面、準(zhǔn)確的評價。

四是，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中指導(dǎo)教師不僅要承擔(dān)教學(xué)組織工作，還要在實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行指導(dǎo)和答疑，同時要解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的各種復(fù)雜問題，并要對學(xué)生進(jìn)行管理和評測，教學(xué)壓力巨大。

五是，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的時間和場地固定，不利于學(xué)生開展復(fù)習(xí)和鞏固。

3“互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

“互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真”的教學(xué)模式是利用新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立互聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)模式，實(shí)現(xiàn)了仿真軟件資源在網(wǎng)絡(luò)端的應(yīng)用。用戶以網(wǎng)絡(luò)游戲的模式登錄校園網(wǎng)訪問教學(xué)仿真軟件，隨時隨地進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，系統(tǒng)多數(shù)采用了B/S模式的Web應(yīng)用，特別適用于動手能力訓(xùn)練的教學(xué)活動中?；ヂ?lián)網(wǎng)+虛擬仿真教學(xué)模式在實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)、課程設(shè)計等環(huán)節(jié)中，能夠滿足學(xué)生動手操作的需求。其優(yōu)勢在于教師可以基于該系統(tǒng)組織教學(xué)活動，學(xué)生可隨時隨地上網(wǎng)進(jìn)行仿真操作訓(xùn)練，學(xué)生進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的成績可在系統(tǒng)中跟蹤、統(tǒng)計、匯總。

以虛擬仿真技術(shù)為主實(shí)現(xiàn)對新工科專業(yè)及傳統(tǒng)專業(yè)新工科改造過程中實(shí)驗(yàn)課程體系里無法在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行仿真模擬，并依托互聯(lián)網(wǎng)教育平臺搭建可多終端使用的在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，引入主動式學(xué)習(xí)的思想，并與線下理論課程相融合，構(gòu)建混合式學(xué)習(xí)、動態(tài)式跟蹤、智能化評價、數(shù)字化管理的新型教學(xué)模式，解決傳統(tǒng)教學(xué)模式的弊端和不足。

4“互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施策略

4.1對新工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)進(jìn)行全面的研究分析

采用總結(jié)歸納法，全面分析新工科專業(yè)和傳統(tǒng)專業(yè)新工科升級過程中產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，掌握其教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)資源、教學(xué)手段和方法;再通過查閱文獻(xiàn)資料和調(diào)查訪問等形式，對國內(nèi)外現(xiàn)有優(yōu)秀的互聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的系統(tǒng)建設(shè)和教學(xué)模式進(jìn)行調(diào)研和借鑒，整理出有價值的資料和數(shù)據(jù)，為研究提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn);在分析歸納和調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，通過邏輯推演法對“互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真”實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行總體方案的設(shè)計，形成“互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的基本架構(gòu)，提出研究的技術(shù)問題和重點(diǎn)、難點(diǎn);通過調(diào)查問卷、走訪調(diào)查等形式征求新工科教育領(lǐng)域中專家和學(xué)者的意見和建議，改進(jìn)設(shè)計方案、調(diào)整研究問題、假設(shè)目標(biāo)和研究思路。

4.2“互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真”實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)

以情景假設(shè)法為主，按照實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求，首先運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)開發(fā)、虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)分析等信息技術(shù)構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真”實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，主要解決的問題包括：

（1）網(wǎng)絡(luò)平臺運(yùn)行環(huán)境的搭建;

（2）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程校本設(shè)計與開發(fā);

（3）仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)所需的模型庫和案例庫的開發(fā);

（4）虛擬場景庫的開發(fā);

（5）教學(xué)輔助資源數(shù)據(jù)庫的開發(fā);

（6）實(shí)驗(yàn)管理和成績測評系統(tǒng)的開發(fā)。

在通過內(nèi)部測試以后，將“互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真”實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)植入到新工科課程中，建立線下理論教學(xué)+線上虛擬仿真訓(xùn)練相結(jié)合的混合式教學(xué)體系，并對理論教學(xué)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)之間的有效銜接性進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

4.3運(yùn)用對比分析法改進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

在測試改進(jìn)階段，選取測試學(xué)生對象，分別以“互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行獨(dú)立測試，通過行為觀察、調(diào)查問卷、測試評估等方法，對兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比和評價，科學(xué)評估“互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的有效性，對實(shí)驗(yàn)偏差進(jìn)行分析，提出系統(tǒng)建設(shè)方案中的問題和不足，進(jìn)而從在線教學(xué)資源、系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)和教學(xué)方法手段等方面對教學(xué)模式進(jìn)行改進(jìn)和更新。

5“互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的關(guān)鍵因素

5.1加強(qiáng)組織和領(lǐng)導(dǎo)建設(shè)

學(xué)校層面成立專門的教學(xué)研究部，對新工科教育發(fā)展、專業(yè)建設(shè)和課程改革工作進(jìn)行全面的規(guī)劃和管理，由主管教學(xué)工作的領(lǐng)導(dǎo)擔(dān)任主官。分院領(lǐng)導(dǎo)組織各分院層面的新工科研究與改革項目小組，為各專業(yè)新工科建設(shè)提供指導(dǎo)。在學(xué)院內(nèi)部和外部組建跨學(xué)科、跨專業(yè)的團(tuán)隊，集中優(yōu)秀的師資力量組建專項研究小組，針對新工科教育中出現(xiàn)的各種困難進(jìn)行研究與探索。與項目相配套的課程建設(shè)保障工作需要指定相關(guān)職能部門專人專項負(fù)責(zé)。

5.2建立制度規(guī)范

學(xué)校應(yīng)通過制定信息化課程建設(shè)的實(shí)施方案、教學(xué)改革規(guī)劃等指導(dǎo)性文件，為“互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真”課程建設(shè)發(fā)展提供制度保障。與此同時，在年度教育教學(xué)改革項目中，將新工科專業(yè)課程建設(shè)納入教育教學(xué)進(jìn)行項目中，列入課題指南中。

5.3保障建設(shè)經(jīng)費(fèi)

學(xué)院對“互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真”課程教學(xué)改革設(shè)置專項經(jīng)費(fèi)，符合校級課程改革的項目準(zhǔn)予啟動經(jīng)費(fèi);獲得省級或國家級課程改革項目，可再獲得專項經(jīng)費(fèi)，通過驗(yàn)收合格予以獎勵經(jīng)費(fèi)。

項目建設(shè)經(jīng)費(fèi)可按建設(shè)年度逐年發(fā)放，獎勵資金一次性發(fā)放。建設(shè)經(jīng)費(fèi)主要用于項目調(diào)研、軟硬件設(shè)備、教學(xué)資源、教學(xué)文件等建設(shè)，以及改革課程的建設(shè)、后期維護(hù)及更新，對學(xué)院建設(shè)起到重大作用情況下，可對課程改革項目課追加獎勵和建設(shè)資金。

5.4組建跨學(xué)科課程建設(shè)團(tuán)隊

教師是推動課程建設(shè)的主導(dǎo)者，“互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真”實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)模式的研究需要從課程背景、技術(shù)路線、實(shí)施分析、總結(jié)思考等多個層面展開，采用的不是現(xiàn)有的成熟平臺和方法。特別是“互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真”實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)，需要具備專業(yè)知識背景的任課教師，具備互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)的計算機(jī)教師，以及多媒體藝術(shù)設(shè)計、數(shù)字媒體技術(shù)等專業(yè)教師共同參與。因此，建立跨專業(yè)的課程建設(shè)團(tuán)隊，是“互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革能否取得成功最為關(guān)鍵的因素。

6總結(jié)

通過本文的研究，不僅要使“互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真”的教育技術(shù)手段能夠在某一個新工科專業(yè)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)中得到推廣，同時也要實(shí)現(xiàn)一定程度上的普遍性，能夠?yàn)榫哂邢嗤枨蟮膶I(yè)參照項目研究的問題和過程，結(jié)合專業(yè)自身的特點(diǎn)，尋求教學(xué)方法與信息技術(shù)的深度融合。