交互模式下虚拟仿真教学的探索和研究

李文华　王景芹　赵靖英

[摘 要] 教学手段的发展和教学方法体系的丰富，是培养新时代高科技人才的必要途径。将虚拟仿真教学结合交互式教学模式，经过在“电器可靠性技术”课程中的实践，证明其具有很强的优越性。分析了交互式模式下虚拟仿真教学的构成要素，重点探索了其交互设置的合理性、教师引导的高效性、评价体系的全面性等理论基础，研究了其在课程实践中的核心优势和特征。交互式虚拟仿真教学模式的实现是电器可靠性学科实验教学的极大拓展，对“电器可靠性技术”课程教学质量的提高具有深远意义。

[关键词] 虚拟仿真;交互模式;电器可靠性技术

[基金项目] 2020年度河北省高等教育学会高等教育科学研究规划课题“电器可靠性技术的虚拟仿真实验教学研究”（GJXH2019-18）;2019年度國家虚拟仿真实验教学项目“电器可靠性试验、评价及失效分析虚拟仿真实验平台”

[作者简介] 李文华（1973—），男，河北邢台人，博士，河北工业大学电气工程学院教授，河北省电工技术学会理事，主要从事电器可靠性技术研究;王景芹（1963—），女，河北衡水人，博士，河北工业大学电气工程学院教授，主要从事电器可靠性与智能电器研究;赵靖英（1974—），女，河北保定人，博士，河北工业大学电气工程学院教授，主要从事电器可靠性与智能电器研究。

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）11-0117-04 [收稿日期] 2021-07-16

根据教育部对虚拟仿真实验教学项目“坚持‘学生中心、产出导向、持续改进’的原则，突出应用驱动、资源共享，将实验教学信息化作为高等教育系统性变革的内生变量”的这一要求[1]，依托多媒体技术、网络技术和虚拟现实等技术的虚拟仿真教学模式逐渐凸显出其优越性。“电器可靠性技术”作为我校电气工程的专业特色课，其实验课程难以针对电气工程专业的本科生普及开展，一直是制约该学科发展的瓶颈。本文以本科生的“电器可靠性技术”实验教学为例，将交互式教学模式融进虚拟仿真教学，该模式的运用着力于培养学生的动手能力及创新能力，为提高电器可靠性领域专业人才的综合素质奠定了基础。

一、交互模式下虚拟仿真教学模式的创建背景

“电器可靠性技术”作为一门统筹考虑电工行业人才培养和社会应用需求而开设的课程，实践性很强，并与工程实际联系紧密[2]，电器可靠性的研究侧重于电器产品在规定时间或操作次数完成规定功能的能力，试验周期从几个月到几年不等，过程中对样品具有破坏性，同时设备昂贵，试样成本高，操作具有一定的危险性。受教学学时的局限，学生难以完成从实验方案设计、操作到失效分析这一完整的闭环流程[3，4]。作为为本科生开设的课程，以往的实验教学主要以教师课堂授课描述实验现象为主，难以开展和推广真实实验，严重制约了该课程教学水平的提高和对该方面人才的培养。

在传统的以教师为中心的单向传递知识的课堂教学中，学生全程处于被动接受的状态，无法参与教学内容、进度和方法的安排，学习的主观能动性和灵活性不强。近年来，新兴的虚拟仿真教学为学生提供了开放式的学习环境，但在教学中产生了师生脱节、难以把控教学效果的现象[5，6]。为了解决传统课堂教学和虚拟仿真教学中不同程度的教学主体重心偏离的问题，本文提出了一种交互模式下的虚拟仿真教学，该模式考虑了符合学生认知规律和知识体系构建的交互性教学因素，协同运用灵活多样的交互手段，最大限度地激发学生的学习积极性，调动学生探求知识的兴趣和欲望[7-9]，促进了“电器可靠性技术”课程的教学水平和人才培养质量的提高。

二、交互式虚拟仿真教学的构成要素

虚拟仿真教学作为教学技术网络化、数字化、智能化发展的产物，在可靠性教学中体现出了巨大的优越性。在融合交互式教学模式的基础上，该种教学方式既实现了“线上+线下”教学的优势互补，又实现了现实教学和虚拟教学的有序衔接。应用于“电器可靠性技术”课程中的交互式虚拟仿真教学模式的构成要素包括以下几个方面。

（一）交互设置的合理性

交互活动在教学中应进行符合学生认知规律的合理分配，在教学的不同阶段和流程中进行优化和设计，以适用于不同的交互主体，从而保证教学资源的最优配置[10]。在应用于“电器可靠性技术”课程中时，交互教学模式根据互动主体的不同，可分为师生交互、学生与虚拟仿真系统间的交互及学生间的交互。师生互动主要体现在课前预习任务的布置、课堂中疑难点答疑、虚拟实验过程中疑难点的求助等。学生与虚拟仿真系统间的交互主要体现在通过人机互动进行典型电器产品的拆装，以及通过系统的引导和提示独立完成学习任务等。学生间的交流互动是在小组讨论及分组完成实验的过程中进行的，该种交互行为有助于互动双方深化对讨论点的理解，以及对疏漏和疑点盲区的查漏补缺。交互环节的合理设置是该教学模式的基础要素。

（二）教师引导的高效性

教学活动的本质是促进学生掌握客观世界的运动变化规律，并使自身的基本素质得到全面的培养，促进各方面能力和谐发展的过程，因此教学活动以学生为主体的观点是毋庸置疑的。研究“教学”中“教”的含义，究其本质是引导，引导的特征是含而不露、指而不明，即重在思路的引导，杜绝“填鸭式”的教学方式，给学生充分思考的余地和思维发散的空间。学生的主体地位以教师引导作用为实现条件，教师的引导作用是以实现学生的主体地位为出发点和最终归宿。无论何种教学方式，教师在教学活动中都处于不可或缺的地位，在交互式虚拟仿真教学模式应用于“电器可靠性技术”课程中，从课前布置预习任务、预习测试，到课堂疑难点和重点的讲解，以及在学生独立进行实验操作时，教师通过虚拟仿真平台进行的纠错和提示，教师的科学引导具有强烈的标志性和指引性。与此同时，教师凭借多年对电器可靠性的研究和教学经验，使其对学生的引导具有高效性，使学生在教学活动开始时就对主要的知识点有了清晰的认知和思路，能够促使学生快速获取课程目标中的重点和难点，从而整体提高教学效率。

（三）評价体系的全面性

由于教学形式和内容的丰富性，教学模式的评价内容、评价角度和评价方式需要更为全面和多元。教学评价的环节包括对教师线下教学设计、组织实施的评价，对线上教学流程中教师的引导职能的评价，对学生学习效果的评价，以及对虚拟仿真系统中流程环节设置的评价，等等。在以学生为评价主体的评价体系里，要避免传统的以卷面成绩为导向的评价方式，要注重在教学的过程中，学生的具体学习动作、实验操作等体现其认知水平的具体行为，关注其整体的参与度、规范性及投入度。这种过程性的评价能够更直观、更立体地反映学生学习的真实效果。建立全面多元的评价体系是衡量交互式教学模式教学质量的重要因素。

三、交互式虚拟仿真教学模式在课程实践中的核心优势

本文探究的交互式虚拟仿真教学，是根据“电器可靠性技术”的课程特征、教学需求和工程实际等提出的一种新型教学模式，并依据此搭建了电器可靠性试验、评价及失效分析虚拟仿真实验平台，系统界面见图1。

在虚拟仿真实验教学过程中，虚拟实验的流程、实验结果的呈现与真实场景完全一致。实验中，在设置典型电器产品实验参数后，以前期大量的可靠性数据为数据源构建的结果库为依据，几分钟内即可展示试验周期为几个月甚至几年的结果，使电器可靠性试验的完整呈现具有了可实现性。可靠性试验的样品抽样、实验操作、可靠性设计等均由学生自主完成，实验结束后即以仿真情景形式呈现出结果和数据，以便于进行相关的失效分析。

在交互式虚拟仿真教学模式的教学实践中，设置了虚拟实验的基础元件库、实验课程库、典型实验库、标准答案库、规则库、实验数据、用户信息库等，实现对相应数据的存放和管理，使该平台的使用不受时间和空间的限制。丰富的资源和教学形式不仅可供在校生使用，也可面向社会开放运行，打破了真实实验的地点局限性，为整体提升专业人才的实验技能提供了平台，其功能架构见图2。

交互式虚拟仿真教学模式经过在电器可靠性课程中的实践，与传统的教学方式相比呈现出了明显的优越性，能够有效解决制约电器可靠性相关实验教学开展的瓶颈问题，取得了良好的教学成果。通过对学生进行问卷调查可知，该教学模式的教学流程设置合理，引导功能翔实丰富，为学生对电器可靠性的学习提供了直观有效的途径。

在科技不断发展和进步的今天，先进的教学技术手段和丰富的教学方法体系是培养新时代高科技人才的必要途径。河北工业大学电器可靠性研究团队通过实践发现，虚拟仿真教学极大地增强了学生学习的主动性、参与性和自觉性，结合了交互式教学方法，使教学流程更符合学生的认知规律，可引导学生进行主动分析和思考，培养学生的创新思维，显著提高了该课程的教学质量。但是，该教学模式的推广应用要充分考虑不同基础的学生的接受能力，科学合理安排教学内容和进度，杜绝“形式大于内容”的面子工程，着力于从实际出发，为电器可靠性行业培养优质人才。

参考文献

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[10]杨民生，李建奇，梅彬运，等.新工科背景下信息与控制工程虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J].创新教育研究，2020（2）：140-146.

Exploration and Research on Virtual Simulation Teaching under Interactive Mode： Taking the

Course of  Electrical Reliability Technology as an Example

LI Wen-hua， WANG Jing-qin， ZHAO Jing-ying

（College of Electrical Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China）

Abstract： The development of teaching means and the enrichment of teaching method system are the necessary ways to cultivate high-tech talents in the new era. We combine virtual simulation teaching with interactive teaching mode. Through the practice in the course of Electrical Reliability Technology， it is proved to have some advantages. This paper analyzes the constituent elements of virtual simulation teaching in interactive mode， focuses on the theoretical basis of the rationality of its interactive setting， the efficiency of teachers’ guidance and the comprehensiveness of the evaluation system， and studies its core advantages and characteristics in curriculum practice. The realization of interactive virtual simulation teaching mode is a great expansion of the experimental teaching of electrical reliability， and has far-reaching significance for the improvement of the teaching quality of Electrical Reliability Technology.

Key words： virtual simulation; interactive mode; Electrical Reliability Technology