虛實結(jié)合的工程訓(xùn)練線上線下融合教學(xué)模式的研究與實踐

一、引言2020年,《關(guān)于推動公共實訓(xùn)基地共建共享的指導(dǎo)意見》鼓勵在公共實訓(xùn)基地運(yùn)用虛擬現(xiàn)實、虛擬仿真平臺、工作過程模擬軟件等,用于全面提升實驗教學(xué)質(zhì)量,縮短高素質(zhì)人才培養(yǎng)周期。該項目提出開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè),是推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與實驗教學(xué)項目深度融合、拓展實驗教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實驗教學(xué)時間和空間、提升實驗教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措。[1-2]工程訓(xùn)練是一門技術(shù)性、綜合性的實踐類課程,主要目標(biāo)是使大學(xué)生了解工業(yè)制造、體驗工程文化、培養(yǎng)工程實踐能力和科技創(chuàng)新能力等,作為工程類專業(yè)本科階段必修的實踐類課程,具有不可替代的作用。[3-5]近年來,教育部大力推進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合,以信息技術(shù)應(yīng)用為本質(zhì)特征的虛擬仿真教學(xué)得到了各高校的廣泛重視。虛擬仿真技術(shù)在工程訓(xùn)練中的應(yīng)用解決了很多難題。工程實訓(xùn)中心推出了工程訓(xùn)練系列實踐課程“線上線下、虛實結(jié)合”新模式,這種模式不僅鍛煉學(xué)生的操作能力,還保證了教學(xué)效果。[6]但由于工程訓(xùn)練實踐教學(xué)的課程資源較少,如何進(jìn)行線上教學(xué)成為全國高校面臨的問題。本研究基于傳統(tǒng)的工程訓(xùn)練教學(xué)模式存在的問題,探討構(gòu)建虛實結(jié)合的實踐教學(xué)平臺的意義,推進(jìn)工程訓(xùn)練課程“線上線下、虛實結(jié)合”新模式,打破時間、空間限制,為學(xué)生提供更便捷、直觀的學(xué)習(xí)環(huán)境,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。二、存在的問題傳統(tǒng)的工程訓(xùn)練教學(xué)是在實訓(xùn)室里,一名教師帶5—10名學(xué)生,一般按以下過程進(jìn)行:下達(dá)實訓(xùn)任務(wù)—安全教育—項目理論講解—操作演示—自主練習(xí)—考核。傳統(tǒng)的工程訓(xùn)練教學(xué)模式主要通過教師的反復(fù)講解和示范開展教學(xué),學(xué)生再進(jìn)行練習(xí),但傳統(tǒng)工程訓(xùn)練教學(xué)模式存在以下缺點(diǎn)。(一)缺乏個性化在傳統(tǒng)工程訓(xùn)練教學(xué)模式中,教師通常按照固定的教學(xué)計劃和時間表進(jìn)行教學(xué)。由于工程訓(xùn)練性質(zhì)的特殊性,每個學(xué)生都有著不同的專業(yè)基礎(chǔ)、能力水平和學(xué)習(xí)需求,而傳統(tǒng)的工程訓(xùn)練教學(xué)往往為了保持統(tǒng)一的授課效果,只能針對全班學(xué)生進(jìn)行統(tǒng)一教學(xué),這顯然限制了學(xué)生思維的發(fā)散性和參與課堂學(xué)習(xí)的積極性。此外,對一些已經(jīng)掌握數(shù)控編程與操控、具備實踐經(jīng)驗的學(xué)生來說,學(xué)習(xí)重復(fù)的知識明顯不利于其自身發(fā)展。這就導(dǎo)致基礎(chǔ)較好的學(xué)生掌握過快,而基礎(chǔ)較差的學(xué)生無法跟上授課進(jìn)度。因此,傳統(tǒng)的工程訓(xùn)練教學(xué)模式無法滿足每個學(xué)生的個性化需求。[7](二)缺乏互動傳統(tǒng)的工程訓(xùn)練教學(xué)模式通常以講解為主,教師在傳授知識的過程中缺乏對實際應(yīng)用場景的詳細(xì)講解和演示,導(dǎo)致學(xué)生在實際應(yīng)用場景中難以理解與運(yùn)用所學(xué)知識和技能。同時,由于實訓(xùn)學(xué)生數(shù)量的不確定性,教師很難與每個學(xué)生充分互動,難以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作能力和解決實際問題的能力,導(dǎo)致學(xué)生不能靈活地運(yùn)用所學(xué)知識和技能解決實際難題。(三)實踐機(jī)會少傳統(tǒng)的工程訓(xùn)練教學(xué)模式注重理論知識的傳授。學(xué)生掌握一定理論知識就參加考試,缺乏項目實踐經(jīng)驗,無法將理論知識轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用能力。而工程領(lǐng)域不僅需要學(xué)生具備扎實的專業(yè)理論知識,還要具備項目實踐經(jīng)驗。只注重理論知識的傳授會造成學(xué)生的實踐能力不足,無法適應(yīng)未來工作需求。三、意義虛擬仿真實驗是一種利用計算機(jī)技術(shù)和先進(jìn)仿真技術(shù),通過構(gòu)建真實的實訓(xùn)仿真環(huán)境,模擬工程實訓(xùn)過程與結(jié)果的技術(shù)和方法。[8]虛擬仿真實驗可以在平臺上構(gòu)建真實的實訓(xùn)環(huán)境,提供工程實訓(xùn)所需的各種工具并實時提示學(xué)生的實訓(xùn)結(jié)果,提升了實驗的可視化及互動性,其界面如圖1所示。圖1虛擬仿真實驗界面虛擬仿真實驗與線下實機(jī)操作相結(jié)合,將極大地提升學(xué)生實訓(xùn)技能掌握的熟練度。在工程實踐教學(xué)中,建立虛實結(jié)合教學(xué)平臺,具有以下優(yōu)勢。第一,降低成本。采用虛實結(jié)合技術(shù),可以避免因為設(shè)備、材料、設(shè)施等資源缺乏而提高實驗成本,而且會減少物流成本、設(shè)備維護(hù)和更新補(bǔ)充等費(fèi)用。第二,安全性高。虛實結(jié)合技術(shù)可以有效減少實驗中存在的危險因素,比如高溫、高壓等對學(xué)生、設(shè)備和環(huán)境安全的威脅,增強(qiáng)學(xué)生的安全保障。第三,便于管理。虛實結(jié)合技術(shù)可以在無需額外龐大空間和設(shè)施的情況下,滿足大量學(xué)生的實驗需求,實現(xiàn)實驗資源的合理分配和管理。第四,難度可控。虛實結(jié)合技術(shù)可以控制實驗的難度和環(huán)境,使學(xué)生從低到高,逐步掌握實驗技巧和應(yīng)對技能,防止學(xué)生實驗時面臨過多的復(fù)雜操作,導(dǎo)致較高錯誤率。第五,反饋及時。虛實結(jié)合技術(shù)可以及時提供實驗結(jié)果和反饋,幫助學(xué)生及時糾正和規(guī)范實驗行為,提高學(xué)生的實驗?zāi)芰?使學(xué)生可以循序漸進(jìn)地摸索到恰當(dāng)?shù)慕鉀Q方案。第六,操作靈活。虛實結(jié)合技術(shù)可以按照學(xué)生的需要進(jìn)行個性化的班級安排,提供不同難度的實驗題和仿真實驗環(huán)境,便于學(xué)生進(jìn)行有針對性的選擇。虛實結(jié)合的工程訓(xùn)練線上線下融合教學(xué)模式,可以利用互聯(lián)網(wǎng)、計算機(jī)、模擬仿真、三維建模等技術(shù)進(jìn)行資源的整合和平臺的構(gòu)建,建立一套完善的工程訓(xùn)練課程線上線下融合教學(xué)體系,從而實現(xiàn)工程訓(xùn)練課程直播講授、設(shè)備展示、設(shè)備結(jié)構(gòu)及原理展示、模擬仿真、操作演示、在線互動答疑和考核反饋等功能。在虛實結(jié)合的工程訓(xùn)練線上線下融合教學(xué)模式中,學(xué)生能夠進(jìn)行在線自主學(xué)習(xí),了解實習(xí)過程中涉及工種的安全防護(hù)、基本工藝?yán)碚摵驮O(shè)備使用等知識,了解實訓(xùn)環(huán)節(jié)和設(shè)備操作,樹立工程意識。學(xué)生可以充分利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)自我拓展,更好地掌握相關(guān)知識。教師可以通過大數(shù)據(jù)技術(shù)對學(xué)生的學(xué)習(xí)和互動過程進(jìn)行考核評價。四、模式構(gòu)建(一)教學(xué)實施過程設(shè)計虛實結(jié)合的工程訓(xùn)練線上線下融合教學(xué)是將“線上直播教學(xué)+線上自主學(xué)習(xí)+線下實踐操作”結(jié)合起來的一種教學(xué)新模式(圖2,見延伸閱讀),打破原有的線下理論課程講授和實操訓(xùn)練方式,整個線上線下教學(xué)過程實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化管理,利用大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)實踐教學(xué)的全過程考核,并利用互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)實踐操作過程的虛擬仿真,使學(xué)生學(xué)習(xí)工程訓(xùn)練各個模塊課程。在了解車、銑、鉗工、鑄造、數(shù)控、3D打印、機(jī)器人等工業(yè)知識的同時,宛如身臨其境的實操過程、生動的動畫讓每個學(xué)生感受到了工業(yè)的魅力、工學(xué)并舉的底蘊(yùn),激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。(二)線上教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺建設(shè)工程訓(xùn)練中心著手搭建線上教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺,如圖3所示。線上教學(xué)活動依據(jù)教學(xué)大綱,打破傳統(tǒng)教學(xué)模式,嘗試將安全教育培訓(xùn)、優(yōu)質(zhì)數(shù)字化的教學(xué)資源以教師線上直播授課、動畫、視頻等網(wǎng)絡(luò)流媒體方式呈現(xiàn)出來,提高教學(xué)效率、提升教學(xué)效果。圖3線上教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺工程訓(xùn)練引導(dǎo)課模塊:學(xué)生進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)平臺后,首先要熟悉訓(xùn)練環(huán)境,包括了解網(wǎng)絡(luò)平臺的使用界面和功能,并熟悉各種實訓(xùn)工具和材料的使用方法。學(xué)生可以通過觀看教學(xué)視頻、閱讀操作手冊或參與互動教程學(xué)習(xí)這些內(nèi)容。同時,學(xué)生也需要掌握必備的安全知識,以確保在實訓(xùn)過程中能夠保障自身安全。這包括學(xué)習(xí)有關(guān)實驗室和工作場所的安全規(guī)定,熟悉各種實驗設(shè)備的正確使用方法,以及了解常見安全事故的防范措施。為了確保學(xué)生掌握必要的安全知識,教師需要進(jìn)行安全知識考核,例如,在線答題或模擬實驗操作等。一旦學(xué)生通過了安全知識考核,他們將被授權(quán)進(jìn)入下一步實訓(xùn)項目課程的學(xué)習(xí)。這意味著學(xué)生已經(jīng)具備了基本的工程訓(xùn)練能力和安全意識,可以開始進(jìn)行更具挑戰(zhàn)性和復(fù)雜性的實訓(xùn)任務(wù)。在實訓(xùn)項目課程中,學(xué)生將有機(jī)會運(yùn)用所學(xué)的理論知識和實踐技能,解決實際的工程問題和完成實際的工程任務(wù)。直播模塊:教師將優(yōu)質(zhì)的視頻、圖片、課件等資源,通過視頻直播軟件,圖文并茂地呈現(xiàn)給學(xué)生,并通過社交軟件、直播軟件等實現(xiàn)課堂的互動交流和答疑。設(shè)備操作模塊:教師介紹機(jī)床的使用注意事項、安全須知,設(shè)備的組成、結(jié)構(gòu)及操作方法,設(shè)備的維護(hù)及保養(yǎng)方法。思政教育模塊:在網(wǎng)絡(luò)平臺中設(shè)置思政教育內(nèi)容,將工程實踐和思政教育融合在一起,弘揚(yáng)勞模精神和工匠精神,弘揚(yáng)勞動光榮的社會風(fēng)尚和精益求精的敬業(yè)風(fēng)氣,贊頌普通勞動者在平凡崗位上堅守執(zhí)著、甘于奉獻(xiàn)的品格。線上考核模塊:制定具有一定挑戰(zhàn)性的可執(zhí)行的考核標(biāo)準(zhǔn),以鼓勵學(xué)生深度學(xué)習(xí)。(三)虛擬實訓(xùn)場景平臺搭建工程訓(xùn)練是一門以實踐為主的課程,借助虛擬仿真技術(shù)、大數(shù)據(jù)、三維建模等相關(guān)專業(yè)技術(shù),在面向?qū)ο髣討B(tài)建模技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過虛擬仿真技術(shù),使學(xué)生可以運(yùn)用各種逼真的虛擬儀器和設(shè)備完成相關(guān)的實訓(xùn)項目。借助動態(tài)建模技術(shù)實現(xiàn)虛擬機(jī)床建模裝配、虛擬毛坯、虛擬刀具、虛擬工裝及多系統(tǒng)操作界面仿真,基本實現(xiàn)跟真實實驗一樣的效果。抽象實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動控制系統(tǒng)和邏輯控制系統(tǒng),構(gòu)建出真實的數(shù)控硬面板操作系統(tǒng),在單一硬件平臺實現(xiàn)多系統(tǒng)操作。(四)線上線下一體化考核評價體系構(gòu)建通過上述各模塊的學(xué)習(xí)后,學(xué)生將進(jìn)行線下實踐操作,從而完成工程訓(xùn)練課程的基本學(xué)習(xí)任務(wù)。教師將線上的結(jié)果考核和線下的過程考核結(jié)合起來,讓學(xué)生在工程訓(xùn)練產(chǎn)品設(shè)計制造過程中將各模塊的知識進(jìn)行整合,培養(yǎng)知識能力并達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。同時,教師通過匯總學(xué)生學(xué)習(xí)成果的達(dá)成情況,建立教學(xué)資源庫反哺教學(xué)。教師在制定評價標(biāo)準(zhǔn)時,提高對學(xué)生學(xué)習(xí)的預(yù)期,制定具有一定挑戰(zhàn)性的可執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn),以鼓勵學(xué)生深度學(xué)習(xí)。在評價過程中,教師適當(dāng)分離基礎(chǔ)內(nèi)容和創(chuàng)新性內(nèi)容的考核,注意學(xué)生的個體和專業(yè)差異,在時間和資源上保障每個學(xué)生都有取得學(xué)習(xí)成果的機(jī)會。本研究擬采用過程評價與結(jié)果評價相結(jié)合的方式,對學(xué)生的學(xué)習(xí)成果進(jìn)行綜合評價。其中,過程評價包括理論評價與實操評價,結(jié)果評價包括課程模塊學(xué)習(xí)成果評價與知識能力學(xué)習(xí)成果評價。教師對實訓(xùn)學(xué)生各專業(yè)知識的掌握程度、應(yīng)用相關(guān)知識分析問題和解決工程問題的能力及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力進(jìn)行綜合評分,給出