聯(lián)合雨課堂的虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式設(shè)計(jì)與實(shí)踐

趙宏靜 李維礁

摘要：研究目的：探究如何利用虛擬仿真技術(shù)改善機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效果，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和教師的教學(xué)效率。研究方法：提出聯(lián)合雨課堂虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)實(shí)踐案例進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估。研究結(jié)論：聯(lián)合雨課堂虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式能幫助學(xué)生更好地理解機(jī)能實(shí)驗(yàn)的原理和操作過(guò)程。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合雨課堂；虛擬仿真技術(shù)；機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)

一、研究概述

（一）研究背景和研究意義

在虛擬仿真技術(shù)中，虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)是一種重要的實(shí)驗(yàn)形式，可以幫助學(xué)生在不依賴真實(shí)設(shè)備和場(chǎng)地的情況下，進(jìn)行與真實(shí)機(jī)能實(shí)驗(yàn)類似的學(xué)習(xí)和探索。因此，開(kāi)展虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)成為提高高校工程類專業(yè)教學(xué)質(zhì)量的必要手段。

然而，目前高校虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍存在一些問(wèn)題。比如，教師掌握虛擬仿真技術(shù)和虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念的能力不足，虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源缺乏，學(xué)生對(duì)虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)的積極性、主動(dòng)性不高等。因此，如何設(shè)計(jì)和實(shí)踐一種有效的虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，已經(jīng)成為高校工程類專業(yè)亟待解決的問(wèn)題。

（二）研究目的和內(nèi)容

本研究的目的是通過(guò)聯(lián)合雨課堂，設(shè)計(jì)和實(shí)踐一種虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提高高校工程類專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。為達(dá)到這個(gè)目的，本研究將從四個(gè)方面進(jìn)行探討：第一，了解虛擬仿真技術(shù)和虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)的相關(guān)理論與研究現(xiàn)狀，分析虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式設(shè)計(jì)的原則和方法。第二，探究聯(lián)合雨課堂的虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能和特點(diǎn)，分析其優(yōu)點(diǎn)和不足。第三，基于虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，聯(lián)合雨課堂的功能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，并制訂相應(yīng)的教學(xué)方案和實(shí)施步驟。第四，在實(shí)踐中運(yùn)用虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)，收集學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和反饋意見(jiàn)，分析教學(xué)效果和改進(jìn)空間。

本研究旨在為高校工程類專業(yè)虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供一種創(chuàng)新、有效的教學(xué)模式，提高高校工程類專業(yè)教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)水平。同時(shí)，本研究可以為其他學(xué)科領(lǐng)域的虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供借鑒和參考。

二、虛擬仿真技術(shù)在機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

（一）虛擬仿真技術(shù)的定義和特點(diǎn)

虛擬仿真技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行數(shù)字化、可視化、交互化處理，將現(xiàn)實(shí)世界的物理和運(yùn)動(dòng)特性表現(xiàn)在計(jì)算機(jī)中，從而在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、探索、體驗(yàn)。虛擬仿真技術(shù)具有如下特點(diǎn)：第一，可視化。虛擬仿真技術(shù)可以將復(fù)雜的物理過(guò)程以可視化的方式呈現(xiàn)，幫助學(xué)生更好地理解和掌握。第二，實(shí)時(shí)性。虛擬仿真技術(shù)可以在計(jì)算機(jī)中模擬出現(xiàn)實(shí)世界中的物理過(guò)程，提供實(shí)時(shí)的反饋。第三，安全性。虛擬仿真技術(shù)可以避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的安全問(wèn)題，如危險(xiǎn)化學(xué)品、高壓電等。第四，重復(fù)性。虛擬仿真技術(shù)可以讓學(xué)生重復(fù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，切實(shí)掌握實(shí)驗(yàn)方法和操作技能。

（二）虛擬仿真技術(shù)在機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

機(jī)能實(shí)驗(yàn)是高校工科類專業(yè)的重要課程，其目的是幫助學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和實(shí)踐能力。目前，機(jī)能實(shí)驗(yàn)存在設(shè)備昂貴、場(chǎng)地限制、實(shí)驗(yàn)時(shí)間有限等問(wèn)題，而虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用可以很好地解決這些問(wèn)題，具有以下優(yōu)勢(shì)：第一，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。教師通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，可以將復(fù)雜的機(jī)能實(shí)驗(yàn)過(guò)程可視化，幫助學(xué)生更好地理解和掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。第二，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能。教師通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，可以模擬出各種實(shí)驗(yàn)情況，幫助學(xué)生反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。第三，降低實(shí)驗(yàn)成本。教師通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，可以避免因?qū)嶒?yàn)設(shè)備和場(chǎng)地等原因造成的實(shí)驗(yàn)成本高昂的問(wèn)題。第四，增加實(shí)驗(yàn)次數(shù)。教師通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，可以讓學(xué)生在虛擬環(huán)境下進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的理解和記憶。第五，提高學(xué)生的安全意識(shí)。教師通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，可以演示真實(shí)實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的安全問(wèn)題。第六，提高教學(xué)的靈活性和自由度。教師通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，可以根據(jù)不同的教學(xué)目的進(jìn)行定制，也可以根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況進(jìn)行針對(duì)性的教學(xué)。第七，提高教學(xué)的互動(dòng)性和趣味性。教師通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，可以用交互式的方式增加學(xué)生和教師之間的互動(dòng)。

（三）國(guó)內(nèi)外虛擬仿真技術(shù)在機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

虛擬仿真技術(shù)在機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用已經(jīng)比較廣泛。國(guó)內(nèi)外許多高校和教育機(jī)構(gòu)都開(kāi)始引入虛擬仿真技術(shù)輔助機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

在國(guó)內(nèi)方面，目前大部分高校已經(jīng)開(kāi)始使用虛擬仿真技術(shù)輔助機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)。如清華大學(xué)利用虛擬仿真技術(shù)建立模型，模擬飛機(jī)起飛和降落過(guò)程，使學(xué)生可以更好地掌握飛行器的基本原理和操作技能；北京航空航天大學(xué)則在力學(xué)實(shí)驗(yàn)中引入虛擬仿真技術(shù)，通過(guò)模擬物體在重力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，幫助學(xué)生更好地理解和掌握力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)。

在國(guó)外方面，虛擬仿真技術(shù)在機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)中也得到了廣泛應(yīng)用。例如，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)開(kāi)發(fā)了一款名為“飛行實(shí)驗(yàn)室”的虛擬仿真軟件，通過(guò)該軟件，學(xué)生可以模擬駕駛飛機(jī)，包括起飛、飛行和降落等過(guò)程。學(xué)生還可以在虛擬環(huán)境中體驗(yàn)各種不同的機(jī)械和氣動(dòng)部件的運(yùn)作模式，以及模擬各種不同的飛行情況，提高操作技能和判斷能力。

三、聯(lián)合雨課堂虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的設(shè)計(jì)

（一）聯(lián)合雨課堂虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的概述

聯(lián)合雨課堂虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是一種利用虛擬仿真技術(shù)與在線教育平臺(tái)相結(jié)合的教學(xué)模式，旨在提高機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。該模式將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過(guò)模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和過(guò)程，使學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)安全性和有效性的同時(shí)，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維能力。

（二）聯(lián)合雨課堂虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的設(shè)計(jì)原則

第一，以學(xué)生為中心原則。教師應(yīng)該以學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和興趣為中心，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)和在線教育平臺(tái)，提供個(gè)性化、定制化的教學(xué)資源和服務(wù)。第二，突出實(shí)踐和創(chuàng)新。教師應(yīng)該注重學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)，通過(guò)模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和過(guò)程，使學(xué)生能在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。第三，提高教學(xué)效果。教師應(yīng)該通過(guò)虛擬仿真技術(shù)和在線教育平臺(tái)提供更加直觀、生動(dòng)、靈活的教學(xué)資源與服務(wù)。第四，加強(qiáng)教學(xué)管理。教師應(yīng)該注重教學(xué)管理的規(guī)范性和有效性，通過(guò)聯(lián)合雨課堂平臺(tái)的教學(xué)管理功能，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況、教學(xué)效果進(jìn)行監(jiān)控和評(píng)估，及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略。

（三）聯(lián)合雨課堂虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的設(shè)計(jì)方案

1.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

首先，教師可以在虛擬仿真平臺(tái)上設(shè)計(jì)和布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，分為不同的階段和模塊，確保學(xué)生能夠逐步掌握實(shí)驗(yàn)的相關(guān)知識(shí)和技能。同時(shí)，教師可以為學(xué)生提供不同的實(shí)驗(yàn)選項(xiàng)，滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

2.實(shí)驗(yàn)環(huán)境模擬

在虛擬仿真平臺(tái)上，教師可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的真實(shí)環(huán)境和過(guò)程進(jìn)行模擬，包括實(shí)驗(yàn)器材的布局、操作流程的演示、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和分析等，確保學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相似的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在虛擬仿真平臺(tái)上，學(xué)生可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)器材模擬實(shí)驗(yàn)操作，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。同時(shí)，教師可以通過(guò)虛擬仿真平臺(tái)監(jiān)控學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，及時(shí)了解學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供個(gè)性化的教學(xué)指導(dǎo)。

4.在線教學(xué)服務(wù)

通過(guò)聯(lián)合雨課堂平臺(tái)，教師可以為學(xué)生提供在線教學(xué)服務(wù)，包括學(xué)習(xí)資源的分享、學(xué)習(xí)進(jìn)度的跟蹤、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的提交和評(píng)估等。同時(shí)，學(xué)生可以通過(guò)聯(lián)合雨課堂平臺(tái)與教師和同學(xué)進(jìn)行互動(dòng)交流，分享學(xué)習(xí)心得和實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。

四、聯(lián)合雨課堂的虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的實(shí)踐與效果評(píng)價(jià)

（一）實(shí)踐的情況

聯(lián)合雨課堂的虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是一種結(jié)合虛擬仿真技術(shù)和在線教育平臺(tái)的教學(xué)模式，能為學(xué)生提供全新的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，從而更好地掌握實(shí)驗(yàn)相關(guān)的知識(shí)和技能。因此，教師可以通過(guò)聯(lián)合雨課堂，設(shè)計(jì)和布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)的難度和重要程度分為不同的階段與模塊，確保學(xué)生能夠逐步掌握實(shí)驗(yàn)的相關(guān)知識(shí)和技能。學(xué)生可以在虛擬仿真平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。教師則可以通過(guò)虛擬仿真平臺(tái)監(jiān)控學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，及時(shí)了解學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供個(gè)性化的教學(xué)指導(dǎo)。

（二）效果評(píng)價(jià)的方法和指標(biāo)

為了評(píng)價(jià)聯(lián)合雨課堂的虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的效果，教師可以采用多種方法和指標(biāo)，包括問(wèn)卷調(diào)查、實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)估和學(xué)生成績(jī)分析等。第一，教師可以通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查了解學(xué)生對(duì)該教學(xué)模式的認(rèn)知和評(píng)價(jià)。調(diào)查包括模式的可行性、實(shí)驗(yàn)操作的真實(shí)感和學(xué)習(xí)效果等方面，以及對(duì)該模式的優(yōu)化建議等。第二，教師可以通過(guò)對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行評(píng)估，了解學(xué)生在虛擬仿真平臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)操作情況和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析能力。評(píng)估指標(biāo)包括實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完整性、數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性和分析的深度等方面。第三，教師可以通過(guò)分析學(xué)生的成績(jī)，了解該教學(xué)模式對(duì)學(xué)生成績(jī)的影響。

（三）效果評(píng)價(jià)的結(jié)果和分析

通過(guò)對(duì)學(xué)生的問(wèn)卷調(diào)查，教師了解到大部分學(xué)生對(duì)聯(lián)合雨課堂虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式持肯定態(tài)度，認(rèn)為該模式可行性高，實(shí)驗(yàn)操作的真實(shí)感較好，且能提高學(xué)習(xí)效果。同時(shí)，學(xué)生提出了一些優(yōu)化建議，如加強(qiáng)學(xué)習(xí)資源的分享。

通過(guò)評(píng)估學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師發(fā)現(xiàn)學(xué)生在虛擬仿真平臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)分析能力得到了顯著提高。這表明聯(lián)合雨課堂的虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式能夠幫助學(xué)生更好地掌握實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)分析技能。

通過(guò)分析學(xué)生成績(jī)，教師發(fā)現(xiàn)應(yīng)用聯(lián)合雨課堂的虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的學(xué)生成績(jī)普遍高于應(yīng)用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的學(xué)生成績(jī)。統(tǒng)計(jì)學(xué)分析顯示，兩種教學(xué)模式下的學(xué)生成績(jī)差異顯著，應(yīng)用聯(lián)合雨課堂的虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式能夠顯著提高學(xué)生的成績(jī)水平。

綜上所述，聯(lián)合雨課堂的虛擬仿真機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式具有廣泛的應(yīng)用前景和實(shí)際價(jià)值。該教學(xué)模式通過(guò)虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，為學(xué)生提供更加安全、全面和深入的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能和數(shù)據(jù)分析能力。

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（作者單位：昆明醫(yī)科大學(xué)海源學(xué)院）