“互联网+”与虚拟仿真融合式实践教学模式的构建探索

张 珂，王泽华

(郑州航空工业管理学院 土木建筑学院，河南 郑州 450046)

实践教学是本科教学环节的重要组成部分，能够帮助学生更加系统地掌握理论知识和应用技术，为工程实践领域培养应用型人才打下坚实基础。然而，传统的实践教学模式因现实条件制约，存在一些问题和短板，如培养模式单一、无法与新技术方法同步、学生参与度不佳、与社会需求脱节等，个别工程类专业实验还具有一定的危险性，管理难度大[1]。“互联网+”与虚拟仿真技术相融合的实践教学模式适应信息时代高等教育开放办学、资源共享的变革要求，能够为学生开展探究性学习、自主实验和创新实践提供先进手段、开放平台和优质资源，在提高人才培养质量的同时，也为实践教学改革和实验室建设增添活力和动力。“互联网+”概念和虚拟仿真实验技术的引入，能够克服实体实验周期长、危险性大、参与度低、灵活性小等诸多缺点，实现低成本、全天候的实验教学和即时的实验反馈，形成与传统实践教学融合的互补，完善实践教学模式，大幅提高实践教学效果[2-4]。

目前，发达国家已将虚拟仿真技术深入运用于高校实践教学体系之中，具备多样的实验方式，如交互式虚拟实验、沉浸式实验、3D虚拟实验、综合设计性实验及个性化自主实验等；具备多元的应用技术，如多媒体、虚拟现实、增强现实等；具备广泛的资源类别，如视频、电子教材、软件、实验平台、仿真系统、虚拟实验室等[5]。自2020年以来，在虚拟仿真技术的基础上，国内多所重点高校也纷纷展开“互联网+”实验教学模式的探索实践。例如，大连理工大学化工学院将虚拟仿真实验、大型仪器虚拟操作软件、微视频等现代化信息技术手段引入实验课程教学中，推动高分子专业“互联网+实验教学”模式改革[6]；浙江大学电气工程学院设计“互联网+翻转课堂”电力系统分析实验课程，在课时压缩形势下，保证教学质量，提高学生的实践能力，培养其创新精神[7]；江苏师范大学建设了集虚拟实验、创新设计、智能指导和教学管理于一体的网络共享平台，实现了车辆工程专业在线虚拟仿真教学资源的深度开发[8]；长江大学则将虚拟仿真、慕课、翻转课堂等多种教学方式组合，探索了基于“互联网+”的毕业实习模式的改革[9]。

受新冠肺炎疫情影响，自2020年春季学期起，全国高校充分利用各类网络教学平台、在线教学资源和现代信息技术，在全面保障线上教学顺利展开的同时，客观上也为“互联网+”与虚拟仿真融合式实践教学模式改革打下实践基础，使其迎来绝佳时机[10-12]。

1 学情分析

学生作为教学活动的主体对象，其状态会对教学效果产生直接影响。因此，在进行“互联网+”与虚拟仿真融合式实践教学模式改革前，应先对学生在实践课程学习方面的基本情况进行充分调研，摸清学生学情，以确保教学模式改革有的放矢、事半功倍。本研究围绕学生对实践课程的学习态度、学习风格以及学习的基本能力等特征设计调查问卷，并在超星学习通平台上以本校学生为对象进行了调研，调研结果在地方高校层面具备一定的代表性。具体问卷调查设计如表 1 所示。本次调查共发放了 3600 份问卷，回收有效问卷 3150 份。

表1 学生实践课程学情调查问卷

1.1 学习态度分析

学生的学习兴趣和学习自觉性会直接影响其学习的主观能动性和学习效果。调研结果分布如图1所示，表示对自己专业实践课程的学习“不感兴趣”和“无所谓”的学生有 51.7% ，一半以上的学生认为自己对实践课程的学习自觉性一般，即大部分学生对自己的专业实践课程的兴趣平平，且学习的自觉程度不高。因此，在融合式实践教学模式设计时要注意激发学生的学习热情，让其体验学习的自我责任感和效能感。

图1 实践课程学习兴趣

1.2 学习风格分析

调研结果显示，44.6% 的学生较为偏爱独立开展实验，55.4%的学生则表示倾向于与他人合作开展实验；在遇到问题时，61.8% 的学生倾向通过自行查阅相关信息来解决遇到的问题，22.6% 的学生会选择和同学相互讨论交流，15.6% 的学生选择向老师请教。融合式实践教学模式设计要注重综合培养学生独立动手能力与团队合作能力的协调发展，且充分利用互联网技术及网络资源，锻炼学生资源获取能力和独立思考能力的同时，促进学生相互协作讨论交流。

1.3 学习需求分析

该层面学情调查对应问卷第(5)题，题型设置为多选。调研结果如图 2 所示，影响学生对实践课程学习兴趣的因素从高到低依次为实验技能对未来工作的效用、实验操作的难易程度、对实验内容的兴趣程度和教师上课效果等。因此融合式实践教学过程中，要注意将实践技能培养与专业相关领域社会发展前沿、行业需求及能力要求等结合起来，让学生了解所学技能对未来工作的有效性，强化学生学习的内在驱动力；同时，教师要注重采用灵活的教学策略，增强实验操作讲解效果；此外，教师在进行教学过程设计时，应充分站在学生角度，调动学生动手操作的积极性和踊跃性。

图2 实践课程学习需求

1.4 基本学习能力分析

学生对实践课程的基本学习能力主要从实验预习、实验操作、实验报告完成三方面分析，题型单选，问卷答案类型包括“总是”“偶尔”“从不”。根据调研结果，从预习情况来看，只有 22.9% 的学生表示会主动进行实验预习，大部分学生只是偶尔会预习；从实验参与情况来看，有大约 40% 的学生会积极参与实验操作；从实验报告完成情况来看，大部分学生会完成并提交实验报告，这与实践课程的考核方式直接相关。融合式实践教学课前要重点引导学生进行实验预习，了解实验原理、目的、操作重点与难点；实验过程中教师要勤于进行实验指导，并引导学生开展组内、组间实验合作；实验报告撰写过程中，教师应对学生实验原理的掌握与应用、实验数据处理情况进行跟踪指导。

2 “互联网+”与虚拟仿真融合式实践教学课程内容建设

2.1 在线课程建设

在线课程建设主要依托各类网络教学平台，如超星学习通、中国大学MOOC(慕课)、腾讯课堂等[13]，从教学目标、实验目的、实验要求、实验内容和实验讨论等方面丰富实践教学在线课程内容。教学目标围绕专业培养目标，总体介绍课程的性质和地位，学生应该学习和掌握的知识与技能；实验目的则进一步具体到学生通过每一个实验所验证和掌握的理论知识与实验操作技能；实验要求着重实验操作守则、实验安全教育和实验报告撰写等内容；实验内容建设要充分发挥线上教学资源和技术优势，制作原理讲授视频与实验演示视频，充分讲解实验所涉及的理论知识以及实验装置构造、实验操作步骤、数据处理方法和注意事项等；充分利用现代信息技术高度互动性的优势，设置实验讨论环节，教师与学生均可就实验预习、实验过程以及实验报告撰写与数据处理等环节发布讨论话题并参与讨论，提高实验全过程的积极性[14]。

2.2 虚拟仿真实验项目建设

线上课程为学生掌握实验理论知识和操作方法提供丰富、便捷的全过程学习资源，但仅使用实验演示视频会令学生对实验操作依然缺乏直观体验。同时，实体实验周期长、灵活性小，场地与仪器台套数量受限，限制了学生的参与度。因此，将线上教学与虚拟仿真实验相结合，制作实验操作动画模型，开发实验仿真系统，建立在线虚拟仿真实验系统，点对点实现学生对实验项目的独立操作和重复练习，并启发和激励学生根据虚拟仿真实验模块，自主探索、设计综合实验，有效提高学生的专业实践创新能力，培养高素质应用型人才[15]。

2.3 实验课堂建设

线上教学与虚拟仿真实验项目能够弥补线下实践操作的短板，但对于大多数专业课程，特别是工程类专业课程来说，线下实践操作是不可替代的，实验课堂建设仍然是“互联网+”融合式实践教学不可或缺、不能替代的核心内容。然而新的教学模式也对实验课堂建设提出了新要求，实验课堂建设应在“线上教学+仿真实验+线下实践”的基础上，充分实现实践内容与线上教学和虚拟仿真实验内容的呼应，使学生在线上教学和虚拟仿真实验过程中学到的知识都能够直接运用于实践操作，同时实践操作中所获取的技能也都能够在线上教学中找到理论支撑，在虚拟仿真实验中实现仿真训练[16,17]。

3 “互联网+”与虚拟仿真融合式实践教学模式设计

在工程教育专业认证体系和新工科复合型应用人才培养的双重要求下[18-20]，面对线上教学实现重大推进的契机，“互联网+”融合式实践教学模式将成为实践教学改革的大势所趋[21]。“互联网+”融合式教学使学生可以通过线上学习明确学习任务，掌握理论知识；通过虚拟仿真实验了解仪器设备构造与操作原理，进行重复演练，激发创新思维；通过实体实验扎实掌握专业技能，锻炼解决实际问题的能力。同时，“互联网+”融合式教学更有助于教师结合知识结构与教学特点，灵活设计教学方案，完善专业教学逻辑体系，突出教学重点，充分实现教学效果。具体的教学模式设计如图 3 所示，分为课前、课中和课后三个环节，其中线上教学贯穿整个教学过程。

图3 “互联网+”融合式实践教学模式示意图

课前，教师通过网络教学平台发布实验讲义与指导书，明确实验目的、任务、内容和要求，上传教学视频；学生按照课程要求完成学习任务和预习报告，师生就预习过程中存在的疑问开展线上讨论。课中，教师首先结合虚拟仿真实验平台，介绍和演示实验操作步骤，讲解实验内容的重点难点知识，并指导学生在虚拟仿真实验项目上展开模拟操作，令学生在进入实验室前充分知悉实验各方面细节，保障实体实验的顺利进行；进入实验室后，教师引导学生对现场仪器设备与虚拟仿真项目结构进行对比关联，学生对实验仪器与操作流程具备直观体验后，按照实验要求，分组完成实验操作与数据记录过程。课后，学生对实体实验所获得的实验数据进行处理分析，撰写实验报告；同时，学生可再次通过虚拟仿真实验平台反复模拟练习实验操作，将实测数据与虚拟仿真实验数据进行对比分析，并将分析结果纳入实验报告讨论环节；教师根据学生在教学全过程中的表现以及实验报告完成质量进行考核。线上教学贯穿实践教学全过程，能够使师生之间的互动交流更加便捷灵活，完整详细的后台数据更便于教师对学生学习情况、实验进行情况和课程总体效果的评价与总结。

4 “互联网+”与虚拟仿真融合式实践教学质量评价体系

“互联网+”融合式实践教学模式能够保证每一个教学环节后台数据的同步更新与记录，更有助于实践教学的过程化管理。因此，构建教学质量评价体系时，应该且能够更加注重过程性、表现性评价，采用多元化评价指标，进行实践教学质量综合评价，一改往昔仅以实验报告撰写质量和期末考试成绩进行片面终结性评价的做法[22]。实践教学质量评价体系根据学生线上预习和虚拟仿真实验模拟情况、实体实验操作表现、课前及课后在线讨论积极性、实验报告撰写与数据质量，以及期末考试成绩等多方面进行成绩评定，注重考核学生知识目标、能力目标以及素质目标的达成效果[23,24]。教学质量评价体系结构如图 4 所示。

图4 “互联网+”融合式实践教学质量评价体系

5 案例应用与效果评估

5.1 溶气气浮实验案例应用

以环境工程专业综合实验中的溶气气浮实验为例，对“互联网+”融合式实践教学模式进行实践探索。在水处理工程中，常用气浮法去除水中悬浮颗粒，装置如图 5a 所示。实体装置体积大、耗能高，直接用于本科教学实验不现实，因此选用能够体现工艺原理、流程和基本操作的仿真实验仪器代替实际设备开展实验，实验装置如图 5b 所示。

图5 溶气气浮实体装置与实验装置

采用“互联网+”融合式实践教学模式，课前教师在“超星学习通”网络教学平台上传溶气气浮实验指导书、教学视频和溶气气浮实体装置资料，发布课程学习通知与要求，在讨论板块发布思考题，供学生进行实验预习，开展线上讨论；预习完成后，学生登陆学校虚拟仿真实验平台，进行溶气气浮实验工艺流程线上操作演练(如图 6)，对实验仪器构造及操作步骤建立更为直观的印象；充分熟悉实验环节后，教师指导学生进入实验室，对实体实验装置进行现场操作和数据记录；实验结束后，学生对数据进行处理分析，完成实验报告，上传至网络教学平台供教师批阅，同时在线上讨论板块就实验过程中存在的疑问进行互动探讨；教师将每一阶段考核成绩实时发布于网络教学平台，并在实验报告和期末试卷批阅完成后，根据评价标准，发布学生综合实验成绩。

图6 虚拟仿真实验项目流程示例

5.2 效果评估

以我校环境工程专业2018级学生为例，进行溶气气浮实验“互联网+”与虚拟仿真融合式实践教学模式应用。其中，18090901班(共36人)为实验组，采取“互联网+”与虚拟仿真融合式实践教学模式开展溶气气浮实验教学；18090902班(共39人)为对照组，采取现行实践教学模式开展溶气气浮实验。实验课程整体结束后，根据实验报告完成情况评估学生学习效果，并通过设计发放调查问卷评估学生对“互联网+”与虚拟仿真融合式实践教学模式的满意度。两个班级实验报告上交率均为100%，实验报告完成情况如表2所示，实验报告完成质量按分数分为优(>90)、良(80-90)、中(60-70)、差(<60)四个等级。

表2 实验报告完成情况

实验组学生的作业完成的优秀率为 22.2% ，良好率为 38.9% ，相比对照组多出了 6.8% 和13.3% 的优势，表明与传统教学模式相比，“互联网+”与虚拟仿真融合式实践教学模式增强了学习产出的优质率。

通过发放《“互联网+”与虚拟仿真融合式实践教学模式满意度调查问卷》，从实验预习效果、实验技能内化、综合学习体验三个维度对学生满意度进行调查，调查结果分布如表 3 所示。

表3 学生满意度调查统计情况

总体看来，学生对课前线上实验预习的知识输入效果较为满意，线上实验预习有助于学生达成低阶学习目标，产生积极的学习反馈；大部分学生认为虚拟仿真实验的演示及操作有助于实验预习与实验操作衔接，起到了良好的过渡作用，虚拟仿真实验的引入提高了学生实验的参与度和自信心，促进了实验技能的内化；最后，有 75.0% 的学生认为“互联网+”与虚拟仿真融合式实践教学过程有利于提高自己的学习效率并且可以改善学习体验，可见学生对“互联网+”与虚拟仿真融合式实践教学模式的满意度较高。

6 结 语

“互联网+”与虚拟仿真融合式实践教学模式能有效提升学生学习的积极性和自觉性，提高学生的实验互动参与度，强化学生学习的主体地位，促进学生知识产出，在学生中具备较好反响。

随着疫情防控进入稳定阶段，各级各类学校基本全面复课，高校实践教学改革应牢牢抓住线上教学得到大力推动的契机，探索“互联网+”环境下的融合式实践教学模式，在以实体实验为核心的前提下，充分发挥互联网资源、现代信息技术和虚拟仿真技术的多重优势，弥补实践教学短板，优化教学过程，提升教学效果，贯彻以学生为中心的主体地位，锻炼学生专业实践技能，提升学生学习和解决问题的能力，增强学生实践创新能力和社会适应性，为社会培养高素质的综合应用型人才。