基于项目式学习和远程虚拟仿真实验技术的学生在线实践课程建设探讨

摘 要：随着我国远程学生教育的快速发展，远程学生实践课程急需引入创新模式来解决目前面临的难题。教育部近年来印发了各类远程学生高等教育质量规范，吹响了提高远程教育质量的号角，并鼓励各地、各校做好网上授课等线上教学以应对目前国内外环境带来的不利影响。本文以可编程控制器课程为例，分析了传统观看视频线上课程模式的不足，提出一种基于项目式学习和远程虚拟仿真实验技术的在线实践课程建设新方案，并通过课堂真实应用评估了其有效性，对于多学科交叉、重实践应用等类别的课程具有较高的参考价值。

关键词：项目式学习;远程虚拟仿真实验;远程学生在线实践课程

一、远程学生实践课程现状

近年来随着我国教育国际化、在线化的快速发展，远程学生数量已经有了相当大的增长，但远程学生教育的质量还有待进一步提高。为认真贯彻落实党的十九大精神，提升高等教育内涵，提高远程学生高等教育质量，近年来教育部印发相关规定，要求改进远程高等教育工作，提高教育质量和管理服务水平。以我校“可编程控制器”为例，目前针对远程学生的课程教学形式以理论授课为主，经过多年的改进和完善，已经初步实现了课程的英文化，其质量也得到了广大远程学生的认可，课程考试通过率逐年提高。然而，有较大部分远程学生在课后甚至毕业后反馈，希望能够增加更多的实践机会，一方面能够加深其对于书本知识的理解掌握，另一方面也能帮助其在今后的升学、就业中真正将可编程控制器作为一项重要技能熟练使用。分析其原因，现在的以授课为主的教学形式确实无法充分培养远程学生的实践能力。尤其是可编程控制器这样的软硬件高度结合、工作原理较为复杂的学习对象，单纯的课堂理论教学难以帮助远程学生深刻理解其工作原理并进一步熟练应用。虽然前期已经针对这个问题对教学内容、教材等做了一定的调整，增加了大量可编程控制器應用案例的讲解，但是学生还是无法看到实物，仅能凭借其想象力对案例进行较为抽象的解读理解，并且无法通过试错、调试等方法观察控制器真实运行过程中的各种重要状态，也无法按照自己的想法设计硬件电路，探索同一个问题的多种方案，因而极大地限制了其发挥创造力的空间，不利于远程学生实践创新能力的培养。此外，虽然可以考虑通过增加实验训练来缓解此问题，但是受课时和实验室资源的限制，目前还无法给每一位远程学生提供大量的实验条件以及后续的创新实践机会，仅能满足其开展最基础的训练，包括熟悉控制器软硬件和基本指令等，并且许多人共用一套实验设备，往往造成“一人动手、多人围观”的不良局面。多数远程学生反映实验机会太少，刚刚熟悉了软硬件平台和基本编程方法就结束了，缺少自己尝试的机会。

此外，近年来国内外环境对远程学生的实践课程造成了严重影响，大量远程学生无法到校学习。教育部鼓励各地、各校做好网上授课等线上教学，各高校积极响应，快速开始启动线上授课[1-2]。针对线上教学资源匮乏的问题，我校录制了《可编程控制器》实践课程的实验操作视频供远程学生观看，部分解决了远程学生对实践课程的需求，一定程度上允许他们反复观看加深其理解。然而，线上观看实验视频的方式相比于线下实践还存在如下问题：

（1）学生仅观看了视频讲解，并未真正动手编程操作，体验不够深刻;

（2）硬件配置无法更改，无法探究控制器的其他运行方式;

（3）无法调整程序来尝试各种解法;

（4）无法开展调试来理解控制器内部的运行机制。

因此，急需提出一种创新的适合于线上教学的实践课程模式来解决上述问题，为学生提供在线开展实践活动的条件。

二、基于项目式学习和远程虚拟仿真实验技术的在线实践课程建设

在教学方法方面，“可编程控制器”课程多学科交叉、重实践应用的特点决定了其更适合采用项目式学习（Project-Based Learning，PBL）的教学法[3-4]，以学生为中心，通过教师引导，学生主动探索现实世界挑战性的问题，获得更深刻的知识和技能。学生在教师的辅助下完成项目选题、规划方案、解决问题及项目成果的展示评估，在此过程中积极开展团队合作，运用先进的学习技术与工具，主动学习，应用多学科知识，理论联系实际，对问题进行深入探究，深刻理解可编程控制器的相关知识，并增强其自主学习和实践能力。具体体现在以下方面：

（1）项目选题。设计想要学生探究的问题，可以是教师科研领域的前沿课题，也可以是学生在教师或行业专家引导下提出的兼具挑战性和重要意义的真实问题。

（2）规划方案。学生在教师的引导下分组，开展问题的初步调研，通过头脑风暴等提出备选的研究目标和解决方案，并开展分析、对比、辩论，最终达成一致。

（3）解决问题。学生对任务进行分工，确保角色分工明确，自主学习项目所需的课程相关知识，基于设计、建模、分析、仿真、实验等科学研究方法，利用互联网、虚拟现实、仿真软件、开发平台等先进技术和工具对问题开展深入探究，教师辅助调解可能的冲突，并鼓励学生积极开展合作。

（4）项目成果展示评估。要求学生以仿真模型、视频、论文、报告等丰富的形式展示其研究成果，邀请相关领域专家评估项目完成情况、学生掌握相关知识的程度及其在项目过程中的表现，给出反馈和改进意见。

此外，探索基于远程虚拟仿真实验技术的新型实践教学模式[5-6]：通过虚拟化可编程控制器软硬件的方式，给学生提供逼真的模拟仿真实验环境，学生仅需电脑即可随时随地开展仿真实践训练;通过网络技术搭建远程实验平台，可远程上传程序至实验室的可编程控制器设备运行，并通过摄像头观测运行结果，达到和真实实验几乎相同的效果。

在教学内容方面，对可编程控制器传统的实验内容做较大改进：将占用实验课时的编程软硬件熟悉环节调整为线上观看视频教程，既节省了时间，又便于学生反复观看，达到熟练掌握其使用方法的目的;除原有基本指令编程训练外，增加可编程控制器高级综合应用训练和开放式创新能力训练，培养学生应用可编程控制器解决复杂实际问题并开展创新的能力。此外，基于项目式学习的思想，本着突出实践应用、引导学生自主探索学习的总体思路，对课程内容进行以下的改革创新：FEA13F87-8594-4C1A-B251-F71883B69B98

（1）以项目为中心设计课程内容，摒弃传统课程内容过于全面且死板的组织形式，以适量的简介和概述内容引导学生开始自主学习探索，将培养方案知识点精心设计融入项目中，保证完成项目时学生学到必需的知识总量。

（2）以项目流程的顺序分阶段引入知识点，采用先问题后方法的思路，让学生发现问题主动去寻找答案，自发地去学习了解相关知识点，循序渐进，根据自身能力差异调整每个知识点的学习时间，突出学习的主动性和个性化。

（3）为学生自主学习探索搭好脚手架，以突出实践应用改造传统课程知识点，增加实践所需的仿真软件和开发平台硬件的视频、教程等内容，缩减原理、发展历史等过于理论冗长的内容，突出课程实践特色。

在教学条件方面，基于上述新型的教学模式和实践教学内容，构建完善的可编程控制器实践课程条件，包括：在现有编程软件的基础上，利用其仿真、网络功能进行二次开发，实现仿真实验和远程实验功能;录制用于线上观看的编程软硬件熟悉环节的英文视频资源;编写新的英文实验指导书，设计多个高级综合应用编程案例及开放式课题案例。

在教学效果的评估方面，研究改进传统以课堂考试为主的评估方式，提高开放式创新设计课题等实践评估比例，更能有效反映可编程控制器这类编程实践类课程的教学效果，提高学生学习的积极性。

三、项目式学习题库构建及说明材料制作

项目式教学的核心在于选取一个好的问题供学生开展深入探究。这样的问题既可以是教师科研领域的前沿课题，也可以是学生在教师或行业专家引导下提出的兼具挑战性和重要意义的真实问题，此外还必须紧密围绕课程的主题“可编程控制器”来进行题目设计。因此，本课程针对几种典型的可编程控制器控制对象（移动机器人、工业机械臂、飞行机器人、无人船）构建项目题库，并且通过企业调研的方式为每一个题目设计其真实的应用背景，由行业专家提出真实的需求，以此为目标指导学生开展研究任务。结合研究基础及实验室条件，提出管道内壁检测、自动化生产线物品抓取、高空巡检和水产养殖自动喂食等典型应用场景下的可編程控制器设计开发项目，并将其分解成子任务，明确其对应的关联知识点。以自动化生产线物品抓取机械臂为例，将其分解为：机械结构及电气设计与仿真模型搭建、可编程控制器系统安装与调试、机械臂控制软件工具包学习、机械臂抓取程序模块设计与调试、机器视觉物品识别程序模块设计与调试、自动识别抓取物品综合程序设计与调试、模拟自动化生产线场景测试、成果总结展示与评估。

为了使学生能够清楚了解项目的详细要求，针对每一个项目制作完整的说明材料，包括说明文档和视频。到企业实地考察其真实的应用场景及任务流程，拍摄相关图片和视频素材，将其制作成精美的PPT和视频等多媒体材料供学生观看，使其能身临其境地体验到项目的真实需求，并发掘其中的问题，为其开展项目打下良好的基础。学生完成项目选题并充分了解项目背景后，在教师的引导下按照项目式教学PBL的实施流程自主开展对问题的探究。考虑到首次接触项目式教学的学生缺乏相关经验，因此，在起步阶段教师引导学生采用由浅入深、循序渐进的方式来开展项目。教师先引导学生对项目进行规划，提出基本的设计目标，学生利用其现有的知识储备尝试解决。在完成初步的要求后，教师进一步提出更高的要求，学生由于知识所限暂时无法解决。此时教师引导学生有针对性地自主学习新知识，并引导其应用新知识去解决问题，最终学生自主完成设计目标，并在此过程中学习掌握了新的知识。

四、实践课程教学效果评估

该课程建成后已开展两年教学，经过广大远程学生的应用，反映良好。对学生开展问卷调查，统计其对于在线实践课程的使用感受和对未来发展方向的建议，参与调查的学生数量为50人。结果有98%的学生认为新的实践课程方式比仅观看视频讲解能获得更加深刻的体验;94%的学生尝试按照自己的想法调整程序来解决问题;90%的学生尝试通过调试来理解控制器内部的运行机制;100%的学生认为新的在线实践课程解决了无法实地开展实验的问题;92%的学生认为项目式学习方法提高了其学习的主动性和积极性;94%的学生认为远程虚拟仿真实验技术帮助其按需反复开展实践训练而无须占用实验室资源;92%的学生认为自己学习时间的安排更加灵活，有效避免了不同地区作息时间不同对教学造成的影响。

对学生的使用情况开展统计分析，发现采用新课程后，学生学习知识点的频次大幅提升，最高达到68次/天，比原先未采用新课程时提高约2倍，学生的主观能动性得到了大幅提高。在实践学习效果评估方面，分析采用新课程后的实验成绩，比往年有显著提高，平均分提高约20%，且缺交、晚交实验报告的学生人数比原来下降约60%，可见新的实践课程大幅提高了学生的学习积极性和效果。

最后，学校征集了学生对于进一步改进课程的建议，如下表所示。

五、总结与展望

在远程学生数量快速增长的背景下，远程学生实践课程面临很多困难，传统的基于视频观看的线上课程模式虽能解决部分问题，但在动手操作体验、扩展性等方面存在明显不足。本文提出的基于项目式学习和远程虚拟仿真实验技术的远程学生在线实践课程模式，可为学生提供开展虚拟实验动手实践的机会，比观看视频印象更深刻，也便于其在此基础上开展进一步的自主探索和创新应用，为培养远程学生动手实践能力发挥重要作用。

未来，我们将在进一步提高虚拟化程度、增加更多真实实例等方面继续深入研究，以期为我国远程学生教育提供更多创新思路。

参考文献：

[1]王豪，熊炼.全球疫情背景下留学生“操作系统”课程教学改革与实践[J].计算机时代，2021（09）：82-84+87.

[2]史太波，童悦，阮宜杰，等.浅谈新冠肺炎疫情防控背景下高校实验课程线上教学的组织与管理[J].科教文汇，2020（18）：10-12.

[3]胡佳怡.项目式学习及其实践困境的突破[J].教学与管理，2021（31）：5-8.

[4]朱晓红.基于翻转课堂的项目式学习探索与实践——以“社会保障学”课程为例[J].教育教学论坛，2021（37）：101-104.

[5]郭丙君，常虹，范宇.继电保护虚拟仿真实验建设[J].科技风，2021（20）：2.

[6]王永慧，马学条，郑雪峰.电子技术在线虚拟仿真实验教学项目建设研究[J].无线互联科技，2020，17（3）：2.

基金项目：南京航空航天大学来华留学生教学改革研究专项，基于虚拟仿真和远程实验技术的可编程控制器实践课程建设;南京航空航天大学本科教学建设项目，机器人操作系统实践探究，2021JG0531A;南京航空航天大学教育科学与改革研究专项课题，疫情防控常态化背景下机械工程专业线上项目式生产实习研究与实践，2020JYKX-19

作者简介：鞠锋（1982— ），男，汉族，江苏常熟人，博士，副教授，研究方向：机器人技术。FEA13F87-8594-4C1A-B251-F71883B69B98