基于虚实融合技术的混合教学模式研究

2021-03-11张倩菡

南方职业教育学刊 2021年6期

李恺，张倩菡

（广州铁路职业技术学院，广东广州 510430）

一、引言

随着我国现代化进程加快，各大城市对人才需求愈加急切。尤其是我国“一带一路”倡议和“中国高铁走出去”战略的提出，我国对轨道行业人才需求量激增。体现在不仅对人才数量需求巨大，同时，对人才质量上又有新的要求[1-2]。

然而传统的人才培养模式——以“教师为中心”的教学模式忽略了学生的个性，无法充分调动学生的学习积极性，教学效果不如人意。混合教学（Blended-Learning）借助现代信息科技，为学生营造便捷的学习环境，提供多样化的学习资源，打破了传统班级授课制的局限，将在线学习（E-Learning）与面对面教学相互结合。这充分发挥了传统教学与在线教学的优势，将两者综合运用，对教学过程中用到的相关教学要素进行优化选择和组合，从而提高教学效果[3-5]。

近年来虚实融合技术（VR/AR）与教育相结合取得了良好的效果，弥补了现今高职院校因场地设备等原因无法提供有效的实训场所的缺陷，在虚拟世界为学生提供良好的学习环境，让学生学习摆脱了场地限制，极大地提升了教学效果，增强了学生的学习兴趣，提升了教学质量[6]，因而人才培养质量得到提高。同时，因应用了虚实融合技术，计算机成为了新式的教师，有力支撑了人才培养数量的提升。

二、基于虚实融合技术的混合教学模式

虚实融合技术即VR、AR 技术的一体化技术，其良好的用户体验、沉浸式体验以及无场地限制等特点，已经在培训、教育、军事方面大量应用。其在高职教育中也有应用，但大部分需要专用设备配合使用，再加上设备制造成本较高，所以在高职院校中难以普及。随着互联网的发展，电脑、手机等智能终端设备已经普及，笔者研究利用终端设备搭载虚实融合技术进行进一步开发，将虚实融合技术的优势与传统教学模式长处相结合，尝试建立基于虚实融合技术的混合教学模式，解决高职教育中师资少、教学场地不足、实训设备成本高等问题，借助计算机智能指导教学，辅助教师指导学生，同时充分利用虚实融合技术无场地限制的优势，建立虚拟实训场地，提供虚拟培训功能，使得学生训练实操技能没有场地、时间的限制，提高学生动手能力，提升学生综合素质。

（一）混合教学模式设计的原则

混合教学源自于建构主义，因此混合教学模式的设计也应满足建构主义教学理论设计原则[7]。建构主义以“情景”“合作”“互动”“自主建构”为教学发生环境的四大组成部分。在此基础之上，混合教学应遵循以下原则。

1.双主性原则

混合教学结合了传统教学和在线教学的特征，将教师主导与学生主体有机结合在一起，因此混合教学既要坚持教师的主导作用，同时也要确保学生为中心的主体地位，即主导和主体结合，体现双主性。

2.目标性原则

混合教学的本质是为了提升教学效率，强化教学效果。因此在设计教学模式时，不能为了混合而混合，必须始终从教学目标出发，发挥传统教学和在线教学各自的优势，针对学生情况选择最合适的混合方式。

3.整体性原则

虽然混合教学包含了传统的课堂教学和在线网络教学两种方式，但并不意味着两者相互独立，而应综合两者各自的特点，考虑各方面因素完善教学体系，将两者有机地融合为一个整体。这种整体性要囊括教学目标的统一性、教学内容的系统性、教学组织形式的多样性以及知识结构的完整性等。

4.开放性原则

开放性原则要求是在把混合教学看作一个整体的基础上，使之保持开放状态。首先，教学方式的开放，具体包括教学硬件设施的开放和教学手段的开放，教学的方式面临多样化的渠道，教师、学生教与学的途径扩宽，促进学习过程的高效完成；其次，教学内容的开放，教学资源不局限于固定的书本、图书馆等有限的学习空间内，而是为学生无限延展信息的接收源，课堂逐渐向社会、电子网络领域延伸，促进学生学习的发生；再次，教学过程的开放，教育理念从机械、灌输等价值取向转变为对民主、开放、探究、交互等理念诉求。

（二）基于虚实融合的混合教学模式构建

基于混合教学模式设计的原则，同时借鉴传统教学模式和网络教学的特点，参照信息化教学的流程图，构建适合城市轨道交通车辆专业的混合教学模式，主要包括学前分析、资源建设、教学组织和教学评价4 个阶段，其主要框架见图1。

1.学前分析

针对教学对象进行分析，定制设计教学目标和教学内容，其中教学对象的分析主要包括学生知识储备分析、学生的专业方向分析、学生的综合素养分析。

2.资源建设

针对教学对象需要掌握的教学内容以及在课程中需要达到的教学目标，对教学资源进行筛选优化，提高资源质量，为良好的教学体验奠定基础。

3.教学组织

此环节是整个混合教学的核心内容，主要分成三个部分：课前预习、课中研学和课后巩固。课前预习在上课之前，教师可将上课内容提前发给学生进行预习，利用虚拟平台进行课前导学，引发学生思考。以问题为驱动，带动整个课程。在课中环节，教师针对学生在预习阶段产生的问题对学生进行引导，并与学生一起对问题进行探讨，协作完成解疑答惑过程，调动学生学习主动性，提升学生自主学习解决问题的能力。课后巩固阶段，对上课内容进一步深入提问，引发学生思考，从而加深学生对知识的理解程度，提高教学效果。

4.教学评价

此过程对学生的学习情况做出科学评估，动态地调整整个教学过程，从而适应各个不同阶段的学生学习情况，更为科学地提高学习效率，提升教学效果。

（三）基于虚实融合技术的混合教学系统

为了更好地实现混合教学，笔者依托智慧职教的云课堂平台，同时借助虚拟现实技术，搭建了基于虚实融合技术的混合教学系统。系统为C/S 与B/S 架构相结合的混合组织架构，系统总共分成三个部分：浏览器端（Browser）、客户端（Client）、服务器端（Server）。其中各部分的关系以及整个系统的结构框架如图2所示。

图2 基于虚实融合技术的混合教学系统框架图

浏览器端利用智慧职教搭建的平台，供学生在线学习，同时可检测学生学习进度以及活跃度，以便教师掌握学生的实际学习情况，合理地调整教学进度和深度，从而提高教学质量。

客户端分为离线版和在线版。其中离线版供PC 端离线使用，但是课程资源不会进行更新；在线版分为PC 端和手机端，可供学生用于虚拟训练，如提供车辆设备的拆解训练、故障诊断、设备认知、检修流程等等。

服务器端作为系统的数据交换中心，用于处理交互数据、资源数据更新、用户管理等数据库管理工作。

（四）基于虚实融合技术的混合教学评价体系

由于混合学习是多方面、多层次的学习，因此评价方式也不能只局限于课程的考试成绩，应该是多元化、多方面的。在教学体系评价方面，利用云课堂网站以及虚拟培训系统提供的学习数据管理功能，基本能够对教学效果实现多元化、多方面的考核。详细混合教学评价体系见表1。

表1 基于虚实融合技术的混合教学评价体系

混合教学评价体系主要分成三个部分：课程参与程度、知识技能考察和实操技能考察。

课程参与程度：高职院校学生基础较差，学习主动性不高，因此需要鼓励学生参与到课程中，故增加了课程参与程度的考核。增加了在线学习使用率的占分比例，鼓励学生在线进行学习。

知识技能考察：主要是为了检验学生自主学习和在面授课堂学习的情况，考虑到高职院校学生主要以技能实操为主，因此此部分占分比例与实操技能考核相比较低。

实操技能考察：此部分分虚拟培训系统使用情况和实际技能训练情况考察两方面，因高职院校存在学生多、设备少的情况，因此鼓励学生多使用虚拟培训系统进行预训练，以便在实操过程中更高效地进行训练。此部分的考评分数最高。

三、实践探索

（一）混合教学课程建设

笔者以城市轨道交通车辆专业（检修方向）为例，对基于虚实融合技术的混合教学模式进行实践探索。

在进行混合教学时，教师需要在智慧职教建立课程，上传课程资源（如图3所示），同时邀请学生注册并加入课程，进行学习数据监督。

图3 智慧职教建立课程截图

教师在使用过程中可以对学生参与程度，学习情况进行监督，其中涵盖多种数据如学生参与作业人数、参与线上讨论人数、学生学习课程资料次数、学生签到率、小组成绩、上课活跃度等等。

通过智慧职教对学生的学习情况进行分析，教师可以实时了解学生对课程内容的掌握情况，同时可以动态调整教学内容，以适应学生学习进度。

（二）基于虚实融合技术的训练系统

在实操技能培训方面，笔者自主开发了虚拟培训系统，以车门技能训练为例进行介绍。整个训练分成三部分：认知学习、模拟训练和考试评估。系统主界面如图4所示。

图4 车门虚拟训练系统操作主界面

在车门认知学习训练中，学生可以通过虚拟手触碰车门部件，在系统中可以弹出相关部件的名称、功能、结构组成等基础知识。图5为车门认知学习界面，对车门基本知识及分类进行介绍。与此同时，在认知学习模块中，还可以学习车门的开关原理，学生可以在系统中从各个角度观看各个零部件在开关门时的工作过程（如图6所示）。

图5 车门认知学习界面

图6 车门工作原理演示

在模拟训练中，学生可以通过系统指引按照车门拆装工艺流程进行拆装训练。如拆解车门丝杠时，需要使用扳手固定螺母，之后用六角起子取出螺栓，在系统中会将需要拆解的零件标亮，提示学生锁定关键位置。拆解过程如图7所示。

图7 车门拆解引导训练

在考试评估系统中，界面和操作与模拟训练一样，只是在学生拆装过程中不再有关键位置提示，并且会对学生拆装进行计时，用于考核。

在移动终端如手机、平板电脑等设备上也可以使用开发的系统，如可以使用手机扫描列车设备如受电弓的图片，即刻在手机上可以看到叠加在图片上的受电弓模型，并且可以实现360°无死角观看（如图8所示），还可以在手机上拆解受电弓（如图9所示）。

图8 受电弓工作原理演示

图9 受电弓爆炸视图介绍

（三）教学效果

通过搭建基于虚实融合技术的混合教学系统，笔者带领学生在多项赛事上获奖，如第六届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛总决赛银奖、第十二届“挑战杯”广东大学生创业计划竞赛金奖、2019年广东省高等职业院校技能大赛“虚拟现实（VR）设计及制作赛项”三等奖。同时笔者依此出版了《城市轨道交通车辆电气设备》新形态教材。