基于對分課堂和虛擬仿真“金課”的“船舶柴油機拆裝”實驗課程設計

梁大龍，杜太利，崔文彬，馮偉，趙俊豪

(大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

一、引言

為提高航海類專業(yè)畢業(yè)生在船工作的適任能力，航海本科院校輪機工程專業(yè)在大四上學期集中開展一系列實驗實訓課程。由于船舶設備通常具有經濟成本高、占用空間大、更新需求快等特點[1]，實際運行存在高風險、高能耗的問題，加之新冠肺炎疫情對線下授課的不確定性影響，開展虛擬仿真項目建設已成為各門實驗實訓課的必選項。“船舶柴油機拆裝”實驗課采用了虛實結合、線上線下相結合的教學模式[2]，所開發(fā)的虛擬仿真系統(tǒng)具有還原度高、業(yè)務覆蓋面廣、擁有獨立網絡協作客戶端等優(yōu)點，被評為省級虛擬仿真一流課程。然而，在建好虛擬仿真“金課”的基礎上，根據學生的實際情況，如何解決實驗課程教學存在的問題，真正利用好虛擬仿真系統(tǒng)，同樣值得深入探究。

二、“船舶柴油機拆裝”實驗課程教學存在的問題

“船舶柴油機拆裝”是輪機工程專業(yè)的一門核心實驗課，為期一周，共40學時。實船安裝的柴油機多為大中型柴油機，而航海類高校實驗室通常僅配置若干臺拆裝用中小型柴油機。教研團隊以市場主流機型船舶柴油機為建模對象，開發(fā)虛擬拆裝項目，以提高輪機工程專業(yè)學生和社會學員的實踐能力和創(chuàng)新意識。虛擬仿真“金課”的建設一定程度上提高了實驗教學效果，但在教學實施過程中仍存在如下問題。

1.大四學生學習意愿低

本科輪機工程專業(yè)主要培養(yǎng)能夠勝任現代海洋平臺和海洋工程船舶等海洋工程裝備操作、管理、維護和修理的高級海洋裝備技術與管理人才，即在遠洋船舶從事技術與管理工作是本專業(yè)的主要就業(yè)方向。但近年來由于多種因素的影響，畢業(yè)后愿意從事海上工作的學生越來越少，讀研、考公或選擇陸上工作的學生日益增多，因此相當數量的學生對專業(yè)課程缺乏興趣[3]，課內做與課程無關事情的學生不在少數，“船舶柴油機拆裝”等專業(yè)實驗課尤甚。

2.課程虛實結合不佳

虛擬仿真項目教學的主要原則是“能實不虛”[4]，因此很多實驗課課內僅進行實操練習，課外進行虛擬仿真訓練，“船舶柴油機拆裝”實驗也不例外。之前的課程安排是課內8學時進行柴油機實物拆裝學習，虛擬拆裝練習則連續(xù)5天被安排在晚上。學生的課后練習無法及時與實物相印證，學習效率不高，學習效果不佳；加之當天練習時間有限，虛擬訓練效果整體較差。這種實驗安排并未充分考慮大四學生的真實學情，虛與實在時間和空間上相對孤立，不利于課堂知識的及時鞏固和內化。

3.課程挑戰(zhàn)度不足

以往教學是由教師帶領學生進行柴油機各部件的拆裝訓練，因每組人數較多，部分學生沒有機會動手參與，只能作為旁觀者。相對單薄的實物拆裝內容不足以支撐40學時，學生雖擁有大量自主學習時間，但因自主學習任務較少，因此常常處于無所事事狀態(tài)。本應體現“挑戰(zhàn)度”的課外虛擬拆裝練習也未能有效形成對實物拆裝的良性反饋，學生的實驗報告內容千篇一律。此外，實驗課一般只注重學生團隊協作和動手能力的培養(yǎng)，對于溝通表達、創(chuàng)新思辨、解決復雜工程問題等未來崗位工作亟須的綜合能力卻少有涉及。綜合來看，在整個實驗課程中，學生仍以被動學習為主，課程并未體現出足夠的“高階性”和“挑戰(zhàn)度”。

三、基于對分課堂和虛擬仿真“金課”的實驗課教學設計

1.對分課堂教學法的選擇

為轉變學生學習態(tài)度，促使學生有效參與，培養(yǎng)學生崗位綜合能力，充實課程教學內容，讓虛擬仿真“金課”更好地為“船舶柴油機拆裝”課程服務，教學設計需要作進一步調整?！耙詫W生發(fā)展為中心”的“對分課堂”教學法是將課時進行師生對分，一部分時間教師進行講授(Presentation)，另一部分時間交由學生討論(Discussion)，講授和討論錯時進行，讓學生有充足的時間自主安排學習，進行個性化的內化和吸收(Assimilation)，簡稱PAD Class[5](如圖1)。

圖1 對分課堂基本流程[6]：隔堂對分(上)和當堂對分(下)

對分課堂因其簡單易用、普適性強等特點，在高校課堂教學中得到廣泛應用。筆者在輪機工程專業(yè)的幾門理論課和實踐課中進行對分課堂教學模式的探索實踐，也取得了較好的教學效果。其中，結合大四學生的實際情況，在實驗課“輔機綜合訓練2”中采用了對分課堂(PAD Class)與同伴教學(Peer Instruction)[7]相融合的教學新模式，簡稱PAI Class[3]。該模式借鑒“當堂對分”教學流程，教師精講(Presentation)后，將余下實訓內容(Assignment)分成三部分，交由三組學生課內自學掌握，之后互相講授(Instruction)本組內容，實現所有內容的學習與操作訓練。“同伴教學”的融入可使學生知識留存更多、表達時間更長、考核評價更多維、教學資源利用率更高[3]。該模式已在輪機工程專業(yè)2017級和2018級兩屆約500名學生中進行了教學實踐，教學效果和學生反饋良好，可推廣至其他實驗實訓課程中采用。

2.基于對分課堂和虛擬仿真“金課”的實驗課教學設計

針對“船舶柴油機拆裝”實驗課程教學中存在的問題，充分考慮大四學生的個性化學習需求，以“金課”的“兩性一度”和工程教育認證12條畢業(yè)要求為指引，確定了“船舶柴油機拆裝”課程設計的總體原則——以PAI Class教學模式為主體，課外學習輕量化“增負”，將虛擬仿真有機融入課中及課后，旨在培養(yǎng)所有“準畢業(yè)生”都應具備的多項綜合能力。具體教學設計流程如圖2所示。

圖2 “船舶柴油機拆裝”實驗教學設計流程

(1)課前輕量預習

充分利用學生進入教室的課前10～20min，通過雨課堂推送當天學習任務清單。清單包括拆卸內容的相關知識概述、當天工作的時間安排及幾道思考題，分別用于幫助學生回憶理論知識，明晰工作任務并引發(fā)思考。思考產生的困惑發(fā)至雨課堂彈幕，等待教師課上解答或學習過程中自行解惑。

(2)教師精講要點

教師主要進行船舶柴油機相關知識點的梳理，并結合虛擬仿真網站的教學視頻講解實際拆卸要點。講授內容可根據學生上節(jié)課課后在雨課堂討論區(qū)的留言及課前學生的疑問進行適當調整，做到課前課中課后相聯系、相呼應。時間控制在45min以內，以維持較高的聽課專注度。

(3)學生分組學習

因實驗室共有4臺拆裝用船舶中速柴油機，學生被平均分成4組，每組約7～8人，每2～3人共用一臺筆記本電腦。首先對教師講解的知識框架進行填充學習，之后在電腦上登錄虛擬拆裝軟件客戶端進行當天拆裝部件的虛擬拆裝練習。練習成績單以PDF或Excel形式呈現，其中詳細記錄操作過程中的得/失分點，便于學生總結失誤，迅速掌握正確的拆裝流程。小組學習不僅可以減少因自學造成的各自為戰(zhàn)、效率低下問題，還可提升學生溝通表達、團隊協作等人際領域的社會能力[8]，具有一定的挑戰(zhàn)度。

掌握虛擬拆裝部件的拆裝流程后，組員間相互配合，對實物進行拆卸、檢查、測量、維護保養(yǎng)、裝配與調整操作[1]。在此期間，學生依舊可以反復查看虛擬拆裝流程以指導實際操作，了解虛實拆裝間的異同。在保證安全的前提下，學生擁有最大限度的自主權，合作探索拆裝方案；而教師僅進行學習監(jiān)督，必要時才進行指導，且僅允許每組學生至多求助兩次。

(4)學生分隊互講

不同組間的柴油機拆裝部件及流程因柴油機品牌、型號不同而有差異。為全面了解各種柴油機的內部結構及拆裝方法，同時鍛煉學生的表達能力，實操后即進入“同伴教學”環(huán)節(jié)。每組學生平均分成“講解隊”和“傾聽隊”。“傾聽隊”到不同類型組別，在該組講解員的帶領下，學習部件的異同及拆裝要點；而本組講解員們則與其他小組前來傾聽的隊員交流經驗體會，展示實踐過程要點。講授完畢后，教師依次提問傾聽者，查驗“同伴教師”的授課效果。學生需在講解過程中全程錄像，方便教師課后對該隊講授效果打分。之后講解員和傾聽者的“師生”身份互換，實現互聽互講[3]。該流程結束后，全體學生匿名投票，選出若干名優(yōu)秀講解員，給予他們平時成績加分。最后，教師進行當日內容總結，針對共性錯誤、彈幕困惑進行講解。

(5)課后個性復習

教師通過雨課堂推送延伸資料供學生個性化學習。學生課后可對當日拆裝部件進行虛擬拆裝練習，更新拆裝部件的課上練習成績至最優(yōu)值，訓練時長不限。學生有疑惑可在雨課堂討論區(qū)留言，教師或同學幫忙解惑。將“亮考幫”延伸至線上，既減少了學生書寫和教師批改的負擔，也鍛煉了學生分析解決問題的能力。

(6)測驗、考試與報告

每日學習完成后，通過雨課堂對當天學習內容進行測驗，了解學生的真實學習情況。通過發(fā)布調查問卷及時獲得教學效果反饋，并結合學生提出的好建議，持續(xù)改進授課內容和教學方法。

周五下午學生進行上機、口試和實操三部分的考試。上機考試時，虛擬拆裝系統(tǒng)會在34項子業(yè)務中隨機抽題組卷，學生在規(guī)定時間內回答，交卷后系統(tǒng)自動評分?？谠囶}目涉及實船故障處理、柴油機部件原理介紹等多個方面，學生從10道題中抽取1道進行回答，考官根據學生的回答情況給分。實操考試前，根據拆裝難度及拆裝配合人數要求，學生抽簽確認自己的拆裝任務，并加入對應的單人組、三人組或四人組。根據柴油機拆裝順序，組內和組間成員相互配合，依次完成氣缸蓋、活塞、高壓油泵、噴油器等柴油機主要部件的拆卸和裝復工作，教師根據小組和個人表現給出綜合分數。

實驗報告分為工作總結和拓展探索兩部分。工作總結須對整個實驗過程的主要工作進行描述記錄。而拓展探索則有多道題目可供選擇，學生結合自身就業(yè)意向和預計花費時間自主選擇。拓展探索分為三個難度等級，滿分分值不同。簡單級僅需要投入較少精力，適合陸上就業(yè)學生，主要在于復制和理解所學知識；中等難度則適合上船就業(yè)學生，多為貼合船舶實際且有一定難度的工程問題，涉及多門專業(yè)課知識，傾向于簡單應用；而困難等級則對應讀研學生，側重于知識的搜集、匯總、凝練和簡單創(chuàng)造，學生需要查閱一定量文獻，了解輪機相關的前沿知識，進行多學科的融合與創(chuàng)新。

此外，該課程設計對學生的表現評價貫穿整個教學始終，過程性評價(上機練習加平時表現)與終結性評價(多維考試加報告)成績比例為1∶1(如圖3)。該課程設計以教師和同伴作為評價主體，個人和團隊作為評價對象，采用過程性評價和終結性評價并重的評價方式對學生的多維能力進行評價。此種評價體系從多維度、多層面、多視角[9]對學生的整體表現進行考查，適用于工程教育認證。

圖3 實驗課成績分配方案

綜合來看，該教學設計流程既有效解決了此前出現的教學痛點，又滿足了“金課”“兩性一度”和工程專業(yè)教育認證的相關要求，普遍適用于虛實結合且排課密集的工科實驗實訓課。

四、課程改革應用成效

1.學習狀態(tài)明顯改善

教學改革前，因課程設計不夠合理，虛擬拆裝的加入并未改善課內學習氛圍，反而增加過重的課外練習任務，學生僅有的晚上自主學習時間被擠壓，產生逆反情緒。教學改革后，課堂上不認真聽課的學生明顯減少，學生之間討論熱烈，講解員態(tài)度認真；課外虛擬拆裝練習數據顯示，絕大多數學生進行3～4次練習后即可獲得滿分，雨課堂討論區(qū)學生樂于發(fā)帖與評論，分享學習體會。調查問卷顯示84%的學生對課程的各個教學環(huán)節(jié)都給予認可。從學習成績來看，學生雨課堂測驗答題的平均正確率約為78%，虛擬拆裝考試平均成績高達91分，各課程目標的達成度超目標閾值11%～18%。

2.多維能力同步提高

授課時教師不過分干預學生的實驗過程和實驗結果，學生通過獨立思考及團隊協作來解決實際問題。學生借助虛擬仿真訓練，熟悉柴油機內部構造，正確使用拆裝工具，實操拆裝又快又好?！巴榻虒W”給予工科學生表達的平臺，改善工科學生不愿意、不善于表達的普遍問題。很多學生起初講解效果不佳，經過幾次講授過后就能夠邏輯清晰、言簡意賅。口試時，多數學生能積極思考、敢于表達，思辨和解決實際問題能力得到提升。多人組高質量完成實操反映了學生已擁有較強的動手能力和團隊協作能力。實驗報告書寫訓練培養(yǎng)了學生學術寫作和創(chuàng)新能力，助力其參加各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，部分優(yōu)秀本科生進實驗室后發(fā)表多篇高水平論文。

五、結語

虛擬仿真項目可助力實驗課程教學，但必須做好教學流程設計。首先，通過課前輕量預習進行目標導引，引發(fā)思考，提升學生課上注意力。其次，教師精講重難點，適當留白，為學生騰出思考和探索的空間。多元的課內任務讓學生忙碌又充實。學生在分組學習中進行多人協作，通過分享、質疑、探究達到知識遷移、思維創(chuàng)新的目的[8]。增加課中虛擬仿真訓練，“先虛后實”“以虛助實”，即時而緊密地相互印證，使得虛擬拆裝和實物操作兩者相輔相成，既可讓學生高效掌握正確的拆裝流程，又可減少實際拆裝的錯誤和危險。再次，進行同伴間知識傳遞，學生表達能力得到鍛煉。當日測驗是對知識點的匯總考查，而教師的最后總結則是對孤立知識點的必要串聯。課內虛擬拆裝練習保證了學生課后在短時間內高質量完成練習。考試是學生多維能力外化的集中展現。最后的實驗報告書寫是能力培養(yǎng)的延續(xù)。具有針對性的拓展探索選題滿足各層次學生需要，內容貼合工程實際，具有合適的挑戰(zhàn)度。改革實踐表明，該教學流程設計可提升學生課內外的學習狀態(tài)，培養(yǎng)“準畢業(yè)生”的創(chuàng)新、思辨、溝通、表達、團隊協作等多項普適能力，為工科專業(yè)虛擬仿真“金課”建設提供新思路。