混合教学模式下虚拟仿真教学的探索与实践

谷艳华，苗广文，杨得军

混合教学模式下虚拟仿真教学的探索与实践

谷艳华1，苗广文2，杨得军3

（1. 吉林大学 机械与航空航天工程学院；吉林 长春 130025；2. 吉林大学 北区教务办；吉林 长春 130025；3. 吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林 长春 130025）

以“工程图学”课程为案例，用现代教育思想及新信息技术设计开发并在线共享了虚拟仿真教学资源，有助于解决二维投影与三维实体思维转换过于抽象、零部件内部结构不可见、实际零部件工作原理及生产工艺知识不可及等教学问题，构建了混合教学模式下虚拟仿真实践教学体系。教学实践表明，虚拟仿真教学有利于混合教学模式下学生的探究性学习、自主学习和创新实践，有利于提高教学效果。

混合式教学；虚拟仿真教学；实践教学体系；自主学习

根据教育部“全面梳理各门课程的教学内容，合理提升学业挑战度，增加课程难度，拓展课程深度，切实提高课程教学质量”[1]的要求，以新信息技术为本质特征的虚拟仿真教学，越来越受到重视。其交互功能、模拟仿真、在线共享、在线效果评价等的实现，为在线开放教学提供了技术上的支持。通过探索混合教学模式下虚拟仿真教学的内容、手段、过程及效果评价等方面的创新[2]，推进在线教学和传统教学模式的改革。

“工程图学”课程为工科院校传统课程，在机械类教学体系中属于学科基础课，包括理论教学、实验教学、创新训练3个维度。本文将虚拟仿真教学融合于在线教学、课堂教学、交互答疑的混合教学模式中，推动了“工程图学”理论教学、实验教学、创新训练的教学改革。混合教学模式下的虚拟仿真教学为“工程图学”课程的理论教学和实验教学改革增添了活力和动力[3-4]。

1 混合教学模式

传统的理论教学和实验教学只有实体课堂教学一种形态，学校、课本和教师主导着教学的整个过程，学生处于被灌输状态。学生课前、课上和课后的学习都会受到时空和资源等方面条件限制。另一种教学形态为在线开放教学，将优质教学资源共享于在线教学平台上，突破了对特定时空的单一化学习的依赖。但孤立的在线教学平台及泛在化的教学资源属于孤立的知识，如果没有面对面引导、辅导、总结和讨论环节，学生容易处于“无人管理”状态。因此无论是独立的传统实体课堂教学或孤立的在线教学都难以取得最佳学习效果。

为了满足学生个性化、智能化、信息化、定制化的学习需求，本文探索了集课堂教学、在线教学、答疑辅导于一体的混合教学模式，即融合线上和线下教学。线上教学即在线开放教学，是将学习资源放到公开或限制性公开的平台上，为每位学生提供全方位的、既有泛在化又分层次的优质教学资源，包括基本资源和拓展资源。学生按照教学进度自主学习，根据需要自主选择视频、自我测验、平台答疑等在线资源。其中在线答疑是指针对学生在线提出的疑难问题，师生一道进行在线讨论，包括平台答疑、社交软件答疑、课后直播答疑等形式，好处是师生共同参与，不受时间和地点限制。教师对学生可进行一对一答疑或集体答疑，教师是所有学生的“顾问”，学生也可成为某一问题的“教师”。通过在线学习数据，教师和学生均可了解学生的学习状况。

线下教学是指包括答疑讨论在内的课堂教学。课堂教学不只是知识讲授课，还是见面讨论课，包括小组讨论、翻转课堂讨论、教师重难点总结、课堂测验、教师答疑辅导、专题讨论等教学活动。教师可随时根据学生的学习情况，对课堂的教学设计和教学活动进行微调，高效率地解决学生的个性问题或共性问题。混合式教学模式的最终目标是让每个学生成为主角，在丰富的在线学习资源和“大班级”环境里，在不脱离教师、教材和“集体”的情况下进行自主学习和个性化学习。

2 混合教学模式下的虚拟仿真教学

以学生自主学习为前提的混合式教学模式，需要在线共享优质教学资源做支撑。除基本教学资源外，还应增加更广泛、有难度、有深度、可互动、形象逼真的拓展资源。

虚拟仿真教学可作为传统系列化教学手段与活动的补充。一方面虚拟仿真教学资源可成为理论教学的拓展资源。学生可自主选择、观看或进行交互操作，有助于直观形象地理解理论知识、强化理论思维训练。另一方面，虚拟仿真教学资源还可成为实验教学的拓展资源。虚拟仿真实验不受时空限制，可在线自主操作，促进了学生知识技能、创新能力及综合素质的全面提升。虚拟仿真教学以虚拟实践为前提，搭建起从书本知识到生产实际的桥梁，使学生把知识、能力内化为素质，从而体会学以致用的自信和责任感[5]。

2.1 “工程图学”课程采用虚拟仿真教学的必要性

“工程图学”课程授课对象是大一新生，理论教学中二维投影、三维立体及其相互转换的思维较难建立。又因学生缺乏实际产品概念，缺乏零部件设计和工艺方面经验，因此仅通过教材、有限的实体模型和课堂讲解，难以使学生将所学知识与工程问题准确地联系起来[6]。若将新信息技术、网络技术、教学内容、教学经验和生产实际等方面相融合，开发出在线平台共享的虚拟仿真模型和虚拟仿真实验，将使与实际产品相关的设计、加工工艺等生产问题变得形象、有趣味，从而使学生易懂、易学。

若在传统实体课堂教学中简单地运用虚拟仿真教学资源，由于时空范围所限，学生只能被动地观看模拟仿真视频，其作用不能充分发挥。若仅是将虚拟仿真教学资源共享到在线开放的教学平台中，学生虽然能够自主选择和参与虚拟仿真操作，但由于缺乏教师解答或对相关问题的讨论，教学效果也不尽如人意。

如果在混合教学模式下应用虚拟仿真教学资源，则学生对“教、学、考、练、问”等各环节的参与度都将提升，学习的兴趣和主动性将大大增强，再辅以教师的引导和讨论，可使图学设计理论和实践知识真正落到实处，真正实现学生的探究性学习和自主学习。

2.2 虚拟仿真教学有助于实现个性化教学

混合教学模式下的虚拟仿真资源包括基本资源和拓展内容。以虚拟仿真实验为例，既可包括实验目的、实验原理、工具使用、注意事项等详细的教学内容，也包括剖切、实际生产加工工艺、工作原理等真实实验不可呈现的内容。学生通过在线虚拟仿真实验中心平台自主交互完成虚拟仿真实验后，再回到课堂进行真实的实验操作，省时省力，教学效果也好。除通用的虚拟仿真资源外，可针对不同层次学生甚至每位学生提供不同的资源。混合教学模式下的虚拟仿真教学可在线分析每位学生的学习行为，有针对性地引导学生进行多层次、大量的实验训练，给学生提供独立思考并操作虚拟仿真实验的机会，真正实现“一人一方案”的个性化教学[7]。虚拟仿真教学可打破不同学科、不同专业实验室之间的隔墙[5,8]，有利于培养学生的工程综合意识以及探究新知识能力和创新能力[6,9-10]。

2.3 虚拟仿真资源的开发

开发虚拟仿真资源就是集工程师、教师、学生和专业公司的智慧于一体，自主开发或合作开发与理论教学和实验教学相关的虚拟仿真资源库及虚拟仿真实验和技术支撑平台。

针对“工程图学”课程，学生对虚拟仿真模型和虚拟仿真实验的需求很大。我校工程图学在线教学团队利用CATIA、CAD、FLASH、3DVIA、Unity等信息技术，自主开发并优化了多个可交互的虚拟仿真资源，其中虚拟仿真模型、视频动画、微视频等虚拟仿真资源形式多样且内容丰富。通过在线共享，学生通过虚拟体验满足自主学习需求。开发移动端扫描实体书图片App，扫描图片后便可获得相应内容的教师讲解、数字立体模型、视频动画以及360°动态观察模型。合作开发的多个虚拟仿真实验为2015年国家级虚拟仿真实验教学中心与吉林大学机械虚拟仿真实验教学中心项目，本着“能实不虚，虚实结合”的原则助力传统实验教学。虚拟仿真资源也同其他教学资源一样需不断开发和优化更新。

3 虚拟仿真教学实践

3.1 “工程图学”虚拟仿真教学实践

2014年以来，以“主动学习、多重交互、合作探究、达成评价”为教学过程的“工程图学”混合式教

学模式已在本科教学中运行实践多个轮次。“工程图学”混合教学模式包括在线教学、在线交互答疑和线下面对面讨论课、翻转课堂等教学环节，可实现学生自主学习、师生讨论和一对一辅导答疑等定制化的教学过程。混合教学模式下的“工程图学”课程在理论教学和实验教学上都运用了虚拟仿真，深受学生欢迎。自主开发的可交互“千斤顶装配”虚拟仿真教学资源，荣获全国远程教育协作组颁发的高校组微课大赛一等奖；“工程图学”混合式教学被评为吉林省精品在线课程，并获泛雅杯超星慕课大赛二等奖；以“工程图学”混合式教学为主要内容申报的教学改革项目获国家教学成果二等奖。

虚拟仿真实验服务于工程图学综合实践教学，实现了与传统真实实验和教学目标的无缝对接。虚拟仿真实验项目“减速器拆装虚拟仿真实验”与工程图学综合实践对接，已运行3年，2017年被评为吉林省示范性虚拟仿真实验教学项目；自主开发的包含虚拟仿真资源的工程图学移动教学系统App，方便了学生自主学习，有利于教师与学生的互动。

3.2 混合教学模式下的虚拟仿真教学体系

根据“工程图学”在线教学大纲要求，结合新信息技术和现代教育思想，将虚拟仿真资源分为理论课和实践课所需的基础、拓展、创新3层次。第1层次是基础实验，包括实验教学大纲要求的必修和选修实验内容；第2层次增加综合拓展性实验，开发与理论教学和实践教学内容相关、学生参与设计开发的综合实验；第3层次开发与教学和科研相关的创新实验，加强学生的创新能力培养。并根据应用情况反馈不断完善，最终形成混合教学模式下涵盖理论知识和实验教学、可持续发展的虚拟仿真实践教学体系[11]，如图1所示。

图1 混合教学模式下的虚拟仿真实践教学体系

4 结语

“工程图学”课程实践表明，与传统教学和单纯的在线教学相比，混合教学模式下的虚拟仿真教学，通过开发可拓展的线上线下虚拟仿真资源、增加课程难度和深度、合理安排教学活动和教学环节、关注师生之间交流等，很好地激发了学生自主学习的兴趣，提高了教学效果。虚拟仿真教学充分利用智能化（AI）、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等技术手段，有助于学生夯实理论基础，接触更多实际产品，培养创新实践能力[12]。混合教学模式下虚拟仿真资源的研发和运用，从教学内容、教学手段、教学过程及教学效果评价方面，提升了教师教育教学能力，促进了教学改革和新工科建设。

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Exploration and practice of virtual simulation teaching based on mixed teaching model

GU Yanhua1, MIAO Guangwen2, YANG Dejun3

(1. College of Mechanical and Aerospace Engineering, Jilin University, Changchun 130025, China; 2. North Academic Affairs Office, Jilin University, Changchun 130025, China; 3. State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130025, China)

By taking “Engineering Graphics” course as an example, virtual simulation teaching resources are developed and shared online with modern educational ideas and new information technology, which is helpful to solve such teaching problems as to abstract transformation of two-dimensional projection and three-dimensional entity thinking, invisible internal structure of parts and components, inaccessibility of working principle and production process knowledge of actual parts and components, and to construct the virtual teaching system based on the mixed teaching model. Teaching practice shows that virtual simulation teaching is conducive to students’ inquiry learning, autonomous learning and innovative practice under the mixed teaching model and is beneficial for improving the teaching effect.

mixed teaching; virtual simulation teaching; practical teaching system; autonomous learning

G642.0

A

1002-4956(2019)07-0188-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.046

2018-11-30

2015年国家级虚拟仿真实验教学中心建设项目“基于信息/物理系统融会创新的‘三三制’机械类人才培养改革与实践”；教育部产学合作协同育人项目（201801036005）；2017年度吉林省示范性虚拟仿真实验教学项目“齿轮减速拆装虚拟仿真实验”；吉林大学虚拟仿真实验建设项目（VE2015006）

谷艳华（1963—），女，吉林四平，本科，教授，主要研究方向为机械设计及理论、虚拟仿真.E-mail: guyh@jlu.edu.cn

杨得军（1965—），男，吉林长岭，研究员，主要从事汽车仿真与控制国家重点实验室管理工作.E-mail: yangdj@jlu.edu.cn