虛擬仿真技術(shù)支持下的探究式教學(xué)模式研究

夏庚磊，成守宇，王航

（哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引 言

課堂教學(xué)是當(dāng)前高校教學(xué)的基本組織形式。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)無論在教學(xué)模式還是教學(xué)內(nèi)容上均無法滿足創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求，固化的教學(xué)模式已經(jīng)成為制約學(xué)生自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的主要瓶頸。而探究式教學(xué)以問題為中心、以學(xué)生為載體的授課模式可為提升高校課堂教學(xué)有效性及促進(jìn)新工科人才培養(yǎng)提供支持[1-2]。探究式教學(xué)方法提出以來，眾多學(xué)者開展了探究式教學(xué)模式的探索，劉建西等[3]認(rèn)為探究式教學(xué)應(yīng)有的理念是通過對“探究式教學(xué)”的解讀，發(fā)現(xiàn)“基于問題，以學(xué)生為中心，合作式學(xué)習(xí)，重視學(xué)習(xí)的過程以及學(xué)習(xí)方法的培養(yǎng)”。張玉梅等[4]認(rèn)為探究式教學(xué)模式的組織過程包括探究目標(biāo)或意圖的生成，探究方案的策劃與設(shè)計(jì)，探究行動(dòng)和反思以及探究結(jié)果的分享和校正四個(gè)部分。姜楠等[5]從課程內(nèi)容、教學(xué)過程、教學(xué)方法和考核方式等方面總結(jié)了探究式教學(xué)方法進(jìn)行生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，為提高實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力提供了理論依據(jù)。近些年來，針對探究式教學(xué)方法的初步實(shí)踐，促進(jìn)該教學(xué)模式的實(shí)施取得了較好的效果[6-8]。楊桂軍等人[9]將案例探究式合作學(xué)習(xí)的教學(xué)方法應(yīng)用于“環(huán)境監(jiān)測”理論課的教學(xué)，以改變傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足，獲得很好的實(shí)踐效果。王因虎[10]等將探究式教學(xué)模式應(yīng)用到高職高?；瘜W(xué)教學(xué)改革中，從構(gòu)建情境，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、設(shè)定誘發(fā)性問題，明確探究方案、檢驗(yàn)假設(shè)，探究結(jié)果、歸納總結(jié)，激勵(lì)評價(jià)四個(gè)方面進(jìn)行。結(jié)合探究式教學(xué)的特點(diǎn)，本文以高等院?！昂藙?dòng)力裝置與設(shè)備”課程為例，深入探討探究式教學(xué)模式的研究與實(shí)踐。

1 新工科建設(shè)背景下高校課程所面臨的問題

“核動(dòng)力裝置與設(shè)備”課程是工科高等學(xué)校機(jī)械類專業(yè)的一門主干基礎(chǔ)課，它對培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用壓水堆核動(dòng)力裝置的基本理論進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析，提高學(xué)生創(chuàng)新、協(xié)作等綜合素質(zhì)方面具有重要的意義。目前，“核動(dòng)力裝置與設(shè)備”課程教學(xué)大多數(shù)仍采用填鴨式授課為主的傳統(tǒng)教學(xué)模式，“填鴨式教學(xué)模式”具有易于講授、總結(jié)、考核的優(yōu)勢，但對于“核動(dòng)力裝置與設(shè)備”課程，其課程內(nèi)容涉及了核反應(yīng)堆物理、熱工水力學(xué)、工程熱力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、自動(dòng)控制原理、水化學(xué)等多個(gè)課程，傳統(tǒng)教學(xué)模式在實(shí)施過程中缺少必要的手段吸引學(xué)生的注意力，造成學(xué)生認(rèn)知困難，難以跟上授課節(jié)奏，教學(xué)效果大打折扣。

“核動(dòng)力裝置與設(shè)備”課程講授的內(nèi)容包括船舶核動(dòng)力裝置的組成和含義、主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，反應(yīng)堆主冷卻系統(tǒng)、一回路輔助系統(tǒng)以及二回路系統(tǒng)的功能、組成和運(yùn)行原理，還包括核動(dòng)力裝置的基本熱力循環(huán)、熱力分析的基本理論和方法、改進(jìn)熱效率的方向和措施等內(nèi)容。授課內(nèi)容涉及船舶核動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)的各個(gè)方面，要求授課老師的科研和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)非常豐富才能深入淺出的給學(xué)生全面講授基本知識(shí)。而且，核動(dòng)力裝置是非常復(fù)雜的工程系統(tǒng)，在一門課程中無法全面介紹所有核動(dòng)力裝置的組成的運(yùn)行原理。對于一些青年教師，特別是剛剛開始上課的老師，對核動(dòng)力裝置實(shí)際運(yùn)行過程缺乏經(jīng)驗(yàn)，無法很好的滿足教學(xué)的要求，對于課程教學(xué)和考核存在一定的困難。

2 基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)改革思路

探究式教學(xué)模式注重分析課程特點(diǎn)，明確課程教學(xué)活動(dòng)過程中各要素的控制、開展和評價(jià)，結(jié)合新工科教學(xué)活動(dòng)提出具體實(shí)施方案。因此，針對當(dāng)前工科高校實(shí)踐教學(xué)所面臨的問題，結(jié)合現(xiàn)代高等教育教學(xué)改革的方向，從以下幾個(gè)方面對探究式教學(xué)模式及其具體內(nèi)容等進(jìn)行改革，以滿足新工科建設(shè)的需求：

首先，從各高校、教師、大學(xué)生多視角深入剖析對相關(guān)課程的認(rèn)知和評價(jià)，促進(jìn)理論聯(lián)系實(shí)際，更新教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)以滿足實(shí)踐教學(xué)與行業(yè)發(fā)展的需求；

然后，深入挖掘影響學(xué)生對相關(guān)課程學(xué)習(xí)、掌握和應(yīng)用的主觀及客觀因素，解決傳統(tǒng)教學(xué)模式與信息化教學(xué)脫節(jié)導(dǎo)致的教學(xué)效率低下問題；

最后，搭建探究式教學(xué)模式試點(diǎn)平臺(tái)，摒棄呆板的傳統(tǒng)教學(xué)模式，加強(qiáng)課前預(yù)習(xí)的有效性，探索信息化背景下高校學(xué)生對相關(guān)課程的有效學(xué)習(xí)和授課模式。

3 基于虛擬仿真資源的探究式教學(xué)模式構(gòu)建與實(shí)踐

3.1 構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)課程資源

網(wǎng)絡(luò)課程資源建設(shè)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的網(wǎng)絡(luò)化，建設(shè)內(nèi)容包括教學(xué)微視頻、網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)分析軟件等內(nèi)容。如圖1 所示為開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)平臺(tái)為學(xué)生提供了一個(gè)自主學(xué)習(xí)的環(huán)境，包含了教學(xué)微視頻、計(jì)算軟件、講課PPT 等豐富的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，還可以同步開展問答、討論和網(wǎng)絡(luò)測評等相關(guān)內(nèi)容。教師在課前針對相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)提出問題，學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)平臺(tái)可以隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，驗(yàn)證自己的答案，思考總結(jié)課堂教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生對于發(fā)現(xiàn)的問題可以在網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)平臺(tái)上咨詢老師和同學(xué)，大家都可以針對特定問題進(jìn)行討論，每個(gè)人的觀點(diǎn)相互驗(yàn)證，達(dá)到共同學(xué)習(xí)、共同進(jìn)步的目的?；?dòng)平臺(tái)可以記錄同學(xué)的每一次登錄和操作，對學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力給出一個(gè)合理的評價(jià)，作為多維度成績考核的一部分。

圖1 開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)

3.2 推動(dòng)學(xué)生課前學(xué)習(xí)

通過建立豐富的網(wǎng)絡(luò)課程資源，利用多種不同的方式，針對不同的知識(shí)點(diǎn)，面向不同組織模式，不同層次的學(xué)生都可以利用課前的時(shí)間充分了解所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)，方便學(xué)生課下自主學(xué)習(xí)。自主學(xué)習(xí)的形式包括觀看微視頻、開展仿真試驗(yàn)、討論區(qū)討論、測試區(qū)問答等，如圖2 所示為建立的網(wǎng)絡(luò)課程資源。學(xué)生通過多種形式的學(xué)習(xí)來掌握相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)，并能夠充分利用所學(xué)到的知識(shí)針對具體問題進(jìn)行分析，使所學(xué)到的內(nèi)容更加牢固。通過學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際問題開展課前預(yù)習(xí)，針對性更強(qiáng)；在實(shí)踐中、探索中學(xué)習(xí)效果會(huì)有明顯提升；通過課前的鍛煉提高學(xué)生自信心，也可以提高課堂授課的效果，對老師的課上教學(xué)也可以起到一定的促進(jìn)作用。

圖2 建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)課程資源

3.3 加強(qiáng)師生探討互動(dòng)

加強(qiáng)師生互動(dòng)是為了保證以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的探究式教學(xué)效果，使填鴨式的教學(xué)完全轉(zhuǎn)變?yōu)樘接懯降慕虒W(xué)模式。課程教授過程中以提出問題、分析問題、解決問題為主導(dǎo)，學(xué)生在實(shí)踐過程中消化知識(shí)點(diǎn)，在解決問題的過程中鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)。此過程中師生充分利用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)進(jìn)行協(xié)作探究（圖3），教師跟蹤指導(dǎo)、給出評價(jià)，學(xué)生實(shí)踐學(xué)習(xí)、深化理解，及時(shí)總結(jié)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)，更有利于學(xué)生的成長。利用課題組所開發(fā)的虛擬仿真程序，學(xué)生動(dòng)手操作，老師參與指導(dǎo)，針對核動(dòng)力系統(tǒng)特點(diǎn)開展仿真分析工作，學(xué)生更直觀的看到實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)以及曲線的變化趨勢，能夠加深對問題的理解，更容易去分析老師所提出的問題。而且學(xué)生親自動(dòng)手操作，對于核動(dòng)力裝置一些特定現(xiàn)象的理解更加清晰、知識(shí)記得也會(huì)更加牢固。

圖3 虛擬仿真交互界面

3.4 多層次多維度成績考核

成績考核是核動(dòng)力裝置與設(shè)備課程教學(xué)效果評價(jià)的重要環(huán)節(jié)，前期的考核主要是采用線下考試的形式，學(xué)生突擊考試的現(xiàn)象比較嚴(yán)重，并不能很好的考察學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，特別是不能有效的區(qū)分學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決具體問題的能力。建立多維度成果記錄和分析機(jī)制，規(guī)定科學(xué)有效的評價(jià)程序和方法，達(dá)到教學(xué)成果清晰化、實(shí)在化，促進(jìn)教學(xué)工作的可持續(xù)發(fā)展。通過多方面全方位的成績考核，學(xué)生的最終成績由考試成績（50%）＋平時(shí)成績（50%）。其中平時(shí)成績＝平時(shí)作業(yè)（30%）＋單元測驗(yàn)成績（10%）＋課堂討論活躍度（10%）。成績構(gòu)成中即體現(xiàn)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)效果，同時(shí)也反映了學(xué)生的實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力及對復(fù)雜問題的解決能力等情況。

3.5 促進(jìn)評測反思總結(jié)

通過對探究式教學(xué)模式實(shí)施過程中取得的成效和存在的問題進(jìn)行客觀的評測、反思、總結(jié)和改進(jìn)，在教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)中不斷完善和改進(jìn)教學(xué)方法，充分鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的主觀能動(dòng)性。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展以及教學(xué)資源的豐富，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源也要實(shí)時(shí)更新。通過不斷的更新和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，完善探究式教學(xué)的效果，一方面達(dá)到教師能力提升的目的，一方面達(dá)到學(xué)生素質(zhì)拓展的目標(biāo)。任何課程改革都不是一蹴而就的，都是要經(jīng)過不斷的檢驗(yàn)和優(yōu)化才能達(dá)到最好的效果，同時(shí)還要根據(jù)教學(xué)環(huán)境、學(xué)生特點(diǎn)等具體情況對教學(xué)資源和教學(xué)過程進(jìn)行完善以適應(yīng)新工科建設(shè)的目標(biāo)。

4 結(jié) 論

探究式教學(xué)模式突破了傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式，充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，學(xué)生可以利用特定的網(wǎng)絡(luò)交互平臺(tái)，自行安排時(shí)間進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，隨時(shí)隨地開展線上學(xué)習(xí)、討論、總結(jié)。在不斷的實(shí)踐過程中進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，一方面提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和效率，一方面可以促進(jìn)教師教學(xué)水平的不斷改進(jìn)和提高。虛擬仿真技術(shù)支持下的探究式教學(xué)模式在核動(dòng)力裝置與設(shè)備課程中應(yīng)用取得了較好的效果，為高校教學(xué)改革提供了一個(gè)全新的視角。但是，探究式教學(xué)需要根據(jù)具體的課程特點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源、學(xué)生的素質(zhì)、信息化程度、評價(jià)以及考核需求，特定開發(fā)合適的教學(xué)方式，科學(xué)安排合理的教學(xué)內(nèi)容，并不斷更新教學(xué)效果，適應(yīng)新工科建設(shè)的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目標(biāo)。