基于雨课堂的虚拟仿真实验教学模式设计与实践

董桂伟，赵国群，郑 超，宋立彬，王孝海

（1.山东大学材料科学与工程学院，济南 250061；2.山东京博中聚新材料有限公司，山东滨州 256500）

0 引言

在高等教育特别是高等工程教育中，实验教学是理论联系实际的重要组成部分，对培养学生的工程实践能力和创新能力具有不可替代的作用［1-2］。近年来，随着计算机科学的发展和信息时代的来临，高校实验教学正发生着深刻变革［3］。2017 年以来，为深入推进现代信息技术融入实验教学项目、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间，各高校在教育部的指导下，积极探索信息技术与高等教育实验教学的深度融合与应用，开发建设了一批优质的虚拟仿真实验教学项目，初步形成了效果优良、开放共享的高等教育信息化实验教学项目示范新体系，有力助推高等教育教学质量的全面提高［4-6］。

虚拟仿真实验教学项目以相关专业急需的实验教学信息化内容为指向，有效解决了真实实验教学中条件不具备或实际运行困难，涉及高危或极端环境以及实验教学高成本、高消耗、不可逆操作、大型综合训练等一系列问题［7-8］，极大地丰富了信息化条件下的高等教育教学资源。但需要指出的是，作为依托于现代信息技术的新兴教学资源，虚拟仿真实验教学项目的教学模式也必然要求与现代信息技术和互联网等紧密相联，对此传统的课堂教学模式相对难以实现［9］。因此，针对虚拟仿真实验教学项目，利用现代信息化教学工具，设计开发线上线下相结合的个性化、智能化实验教学新模式，对于充分发挥其良好教学效果具有重要意义。

雨课堂是“学堂在线”与清华大学共同研发的一款基于微信和PowerPoint 的智慧教学工具［10］。通过雨课堂，教师可在课前、课上以及课后通过现代信息技术和互联网与学生进行方便和快捷地互动，可及时掌握学生的学习情况并进行有针对性地教学改进，实现了以移动互联网为基础的教学有效融合［11-12］。目前，雨课堂已经在全国多所高校的教学中进行了成功应用［13-15］，但在实验教学方面应用还相对较少，这主要是由于传统的实验教学过程中师生在教学现场已经建立了良好的教学互动。而对于依托网络和信息技术的虚拟仿真实验教学，基于雨课堂的互动教学模式设计则具有明显的应用价值和现实意义。

为此，本文以开发的锻造缺陷分析及工艺过程虚拟仿真实验教学项目为例，进行了基于雨课堂的虚拟仿真实验教学模式设计，开发了相应的虚拟仿真实验教学“雨课件”和“雨试卷”，通过课前、课上和课后“三位一体”的实验教学改革与实践，创新了虚拟仿真实验教学项目的教学呈现方式，取得了良好的教学效果。

1 基于雨课堂的虚拟仿真实验教学模式设计

锻造缺陷分析及工艺过程虚拟仿真实验教学项目是我校开发的一个面向材料成形及控制工程专业本科生的虚拟仿真实验教学项目。锻造工艺是材料成形工艺中重要的工艺之一，但真实锻造工艺过程往往具有高温（一般高于800 ℃）、高噪声、高能耗，且易发生机械伤、烫伤、火灾、爆炸等安全事故等问题，为此开发了锻造缺陷分析及工艺过程虚拟仿真实验教学项目，旨在通过在线沉浸式交互方式，培养学生掌握锻件主要缺陷类型、形成原因和抑制方法，提高学生锻造工艺和模具的设计水平，为毕业后继续深造和开展相关工作打下基础。

锻造缺陷分析及工艺过程虚拟仿真实验教学项目涉及本专业模锻工艺、锻模设计以及相关锻造缺陷等8 个方面的知识点，包含场景认知、缺陷认知、缺陷分析、齿轮毛坯锻造等4 个板块的教学内容。尽管锻造缺陷分析及工艺过程虚拟仿真实验教学项目涉及的知识点较多，但受整体实验教学安排的限制，本项目实际仅有4 学时，同时本实验项目完全采用线上学习操作，如学生不能全程认真参与，极易流于形式，学习效果难以保证。这就要求虚拟仿真实验教师必须进行科学的课前预习、课堂学习和课后考核环节设计，在教学过程中建立良好的教学互动，通过全过程教与学交互融合，才能充分发挥虚拟仿真实验教学项目的优势，达到预设的教学目的和效果。

为此，基于雨课堂智慧教学工具，以突出教学过程中的线上线下教学互动和学生的全方位参与为重点，设计了锻造缺陷分析及工艺过程虚拟仿真实验教学模式，如图1 所示。

图1 基于雨课堂的虚拟仿真实验教学模式

2 基于雨课堂的虚拟仿真实验教学课件开发

基于雨课堂的虚拟仿真实验教学模式是一个涵盖课前、课上和课后的全过程教学互动过程。鉴于虚拟仿真实验项目可线上运行、线上线下混合教学的特点，开发以雨课堂智慧教学工具为支撑的教学“雨课件”和“雨试卷”是实现虚拟仿真实验教学效果的重点和核心。在设计的基于雨课堂的虚拟仿真实验教学模式基础上，进一步利用雨课堂智慧教学工具和Powerpoint软件，研究开发了锻造缺陷分析及工艺过程虚拟仿真实验教学课前预习“雨课件”、课上教学“雨课件”和课后考核实验报告“雨试卷”，如图2所示。

图2 基于雨课堂的虚拟仿真实验教学“雨课件”和“雨试卷”

锻造缺陷分析及工艺过程虚拟仿真实验教学课前预习“雨课件”的开发主要考量项目涉及的理论知识点，并结合传统实验教学指导书和实验相关基础理论课程教材，围绕虚拟仿真实验教学项目对应的理论知识点、原理简介、设备简介、实验概况、实验操作注意事项等内容制作而成。在开发“雨课件”的同时，进一步搜集整理实验相关音视频内容和参考资料作为附件，同步发送学生，给学生丰富的课前预习资料。

锻造缺陷分析及工艺过程虚拟仿真实验教学课上学习“雨课件”的开发重点考虑课上教学过程中教师与学生的线上线下全方位互动，改变传统的教师单一讲解实验指导书的方式，将实验方案、实验步骤、实验分组、实验数据记录以及实验结果分析等内容开发制作适合虚拟仿真实验课堂使用的、以学生为中心的课堂教学“雨课件”，建立讨论式、互动性强的线上线下实验课堂教学内容。

锻造缺陷分析及工艺过程虚拟仿真实验教学课后考核实验报告“雨试卷”的开发则针对虚拟仿真实验教学项目的教学特点，打破以往学生简单撰写实验过程和记录实验结果的形式，系统将虚拟仿真实验对应的理论知识、工艺知识、设备知识、材料知识以及实验过程、数据整理、结果分析讨论和实验反思等内容开发制作主客观题相结合、以知识综合运用为考核重点的“雨试卷”，并注重学生个人完成和小组协作，构建个人考卷与小组拓展报告相结合的实验报告“雨试卷”。

3 基于雨课堂的虚拟仿真实验教学改革与实践

在深刻总结现有实验教学模式对学生实践能力培养等方面存在的弊端和不足等基础上，进一步研究分析依托于现代信息技术的虚拟仿真实验教学项目特点，重点围绕开发的锻造缺陷分析及工艺过程实验教学项目课前预习“雨课件”、课上教学“雨课件”以及实验报告“雨试卷”，在材料成形及控制工程专业2016级本科生中进行了基于雨课堂的虚拟仿真实验教学改革与实践。改革原有实验教学中以教师讲解演示为中心的教学模式，突出以学生为中心，设计构建了基于雨课堂的锻造缺陷分析及工艺过程虚拟仿真实验引导式、探究式教学流程，该教学流程框架如图3 所示。

图3 基于雨课堂的锻造缺陷分析及工艺过程虚拟仿真实验教学流程框架

根据上述教学流程，在课前3～5 天，利用微信的雨课堂插件，组建实验课程班级，发布实验预习“雨课件”以及相应的预习要求，确保学生在上课实验之前对实验相关理论知识、实验原理与实验设备以及操作注意事项等有充分的认知和了解，预习“雨课件”同时含有限时完成的预习习题，在课前1 天对学生的预习效果进行检查；在虚拟仿真实验教学的课上教学过程中，实时通过微信雨课堂插件，向学生推送课上教学“雨课件”，深入讲解实验的原理和步骤以及注意事项等，指导学习独立完成实验，教学过程中充分利用课件中设计的投票题、单选题、多选题等内容及时考查学生对教学内容的掌握情况，利用随机点名、弹幕、讨论区等形式与学生开展积极互动，调动学生在实验课上教学环节的活跃和积极性；课上教学结束，及时通过微信雨课堂插件在班级中发布个人完成的实验报告“雨试卷”和小组完成的实验拓展思考“雨试卷”，设置学生完成时间限制，并在学生提交“雨试卷”后及时推送客观题答案解析以及实验报告的批改情况。

对于基于雨课堂的锻造缺陷分析及工艺过程虚拟仿真实验教学项目的考核方式，在新的教学流程框架下，也进行了相应的改革。以工程专业认证、“新工科”建设等对新时期工程人才培养的能力要求为指导，打破传统的以实验报告为主的单一实验教学考核方式，统筹考查学生的预习情况、课上表现、实验报告“雨试卷”完成质量以及互动参与程度等方面，构建了基于雨课堂的虚拟仿真实验全过程考核方式。结合雨课堂提供的试卷分析资料，对学生的预习情况、课堂教学参与情况、“雨试卷”完成质量等进行综合评价，适当弱化实验报告的结果打分，建立以过程考核为主的考核模式，同时突出学生的自主权，建立个人自评、小组互评、班级答辩等以学习者为中心的虚拟仿真实验教学多元考核机制，如图4 所示。

图4 以学习者为中心的虚拟仿真实验教学多元考核机制

4 教学效果

目前，基于雨课堂的锻造缺陷分析及工艺过程虚拟仿真实验教学项目已经在本专业3 个方向的本科生中进行了两个学年的教学实践。通过随堂交流、线上反馈以及课后访谈，学生广泛认可锻造缺陷分析及工艺过程虚拟仿真实验教学项目的雨课堂教学模式，实验效果良好，达到了预期教学目标。学生认为，利用雨课堂智慧教学工具，改变了传统的实验授课模式，延伸了实验教学实践和空间，学生能够在更加自由的时间内进行实验学习和操作，同时，课前、课堂和课后3 个实验教学环节的设计也进一步拓展了实验教学内容的广度和深度，通过一次虚拟仿真实验，可以学习到更多的实验延伸知识和内容，另外，雨课堂基于微信的在线互动教学方式更贴近现代大学生的日常学习习惯，是一种交互性更佳的学习体验。

5 结语

虚拟仿真实验教学项目是近年来国家重点建设的新型实验教学优质资源，突出应用驱动和资源共享，对以高质量实验教学助推高等教育教学质量变轨超车具有重要意义。基于雨课堂的虚拟仿真实验教学模式设计更加契合和适用这一依托于现代信息技术的新兴教学资源，能够实现虚拟仿真实验教学与现代信息技术和互联网等的紧密相联，对充分和全面发挥虚拟仿真实验教学项目的良好教学效果具有重要意义，同时对于探索建立线上线下相结合的个性化、智能化以及泛在化实验教学新模式也有一定的参考价值。