工科远程教育虚拟仿真实验建设与实践——以国家开放大学PLC技术虚拟仿真实验为例

孙志娟 曹 雷 李 淑

(国家开放大学，北京 100039)

工科远程教育以应用型人才培养为目标，强调对学习者知识应用能力和实践操作技能的培养。实验教学是工科教学过程中不可或缺的环节，能够强化学生实践操作能力，提升学习者的职业技能，亦对深化远程教育教学改革具有重要的意义[1]。远程教学中，学习中心组织开展的线下实验教学，存在教学内容相对分散、仪器短缺、时间和地点相对固定等缺点，不便于学习者随时随地开展学习[2]；线上实验教学多采用网络视频课程，教师对实验操作进行单方面讲授，教学过程缺乏交互性，学习者学习缺乏沉浸感，对实操过程探究变成实验结论考试，因此，远程实践教学在一定程度上限制了工科远程教学的发展[2]。

远程虚拟仿真实验是基于互联网和现有实验设备，将硬件实操、软件编程、网络实验室等整合为一体完成实验教学，从而构建一个开放、分布和网络化的自主学习实验平台，实现理论教学与实践操作一体化、虚拟仿真和真实环境一体化、教学过程与教学管理一体化[3]。远程教育是基于通信技术和互联网技术的一种现代教育方式，因此，在工科远程教学中积极开展远程虚拟仿真实验，突出应用驱动、资源共享，可将实验教学信息化作为工科远程教育系统性变革的内生变量，以高质量实验教学助推工科远程教育教学质量变轨超车[4]。

本文介绍了远程虚拟仿真实验建设的背景，基于对学习者实践教学需求的调研，以国家开放大学云平台上广泛应用的可编程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)技术虚拟仿真实验系统为例，详细阐述了虚拟仿真实验的设计体系和要点，最后分析了教学应用情况，以期探讨工科远程教育虚拟仿真实验设计的一般规律。

一、建设背景

工科专业讲授的理论知识多具有一定的抽象性，应用知识中所涉及的设备、工艺、工序较为复杂。实践教学环节强调在实践中深化升华理论知识，让学习者在实践中有理论的运用，在运用中寻找规律，在探究中寻找技巧。近年来兴起的新工科更加强调理论和实践相结合，对于实践的重视达到了前所未有的高度。

2018年，国家开放大学面向工科学习者，主要为机械工程、电气工程、土木工程等学科，就实践教学环节开展了问卷和访谈相结合的调研，调研主要涵盖了如下方面：

1．学习者的学习背景

工科远程教育学习者多为在职成人，通过调研，学习者从事专业技术工作占比30.69%；从事管理工作占比3.47%；服务工作人员占比11.39%；一般工作人员占比38.61%；其他工作人员占比15.84%。其中，专业技术和一般工作人员占比69.31%，这反映出工科远程学习者大多数从事专业技术工作和一般工作，与普通高等教育培养对象有显著的区别。多数受访的工科远程学习者所从事的工作与所学专业相关，大部分具有一定的工作经验，参加远程教育具有明确目的，那就是提升知识和技能，在职学习者学习遇到的突出问题就是工学矛盾。

2．线下实践教学完成情况

对工科远程教育学习者线下实践教学环节的完成情况开展调研可知，工科远程学习者中能按时按量完成线下实践教学环节的学习者仅占36.81%；完成部分线下实践教学要求的学习者占55.32%；完全没有参加过线下实践教学要求的学习者占7.87%。显然，学习者线下实践教学的完成度并不高。受访的工科远程学习者表示线下实践教学环节开展的难点主要有：

(1)实践教学内容相对分散，学习较为困难。

(2)部分工科实验设备较为昂贵，学习中心购买数量较少或者没有购买，无法充分开展实践教学。

(3)工学矛盾突出，线下实践教学时间和地点相对固定，很难统一组织实践教学。

3．虚拟仿真实验建设需求分析

针对工科远程学习者是否具备完成虚拟仿真实验的基本能力、虚拟仿真实验的内容需求开展调研。“在有虚拟仿真实验操作指导的情况下，能否使用个人电脑和移动终端等设备进行自主学习和完成交互操作？”这一问题，回答“可以独立完成”的学习者占52.33%；回答“需要协助完成”的学习者占32.81%；回答“不能完成”的学习者占14.86%。由此可见，由于工科远程学习者多具备一定的信息技术能力，在提供完善学习指导资源和良好的学习支持服务的前提下，学习者基本可以使用个人电脑和移动终端等设备进行虚拟仿真实验。因此，在工科教学中，引入虚拟仿真实验进行教学具有可行性。

就“虚拟仿真实验的内容要点”这一问题的调研结果可知，工科远程学习者对虚拟仿真实验的内容需求依次为认识仪器或设备(36.7%)、理解抽象原理(28.1%)、掌握加工操作流程(21.3%)、提升学习兴趣(8.6%)、学习评价(5.3%)[5]。由此可以反映出学习者在工科远程学习中遇到的难点，理论教学无法让学习者对仪器、设备有较为完整的认知，学习者对理论教学所讲解的抽象理论理解不足，无法实操完成加工操作流程，因此，远程教学中很有必要借助虚拟仿真实验来帮助学习者学习相关知识，且借助虚拟仿真实验可以提升学习者的学习兴趣，并且在虚拟仿真实验中仍然有必要提供的学习评价，帮助学习者评价其对实操知识的掌握程度。

二、虚拟仿真实验的体系结构

针对远程教学“互联网+学校”的特点，以培养新工科的核心素养所需人才为培养目标和评价导向，结合前期面向工科远程学习者对虚拟仿真实验的需求调研情况，基于开展远程教学的云平台为主体，虚拟仿真实验的顶层设计如图1所示[6]。

如图1所示，虚拟仿真实验的顶层设计以专业的人才培养目标和课程教学目标为指导，以远程教育理论和技术为基础，合理选择实验项目，设计实操教学模式，采用恰当的计算机技术实现。同时，结合学习者对虚拟仿真实验的内容需求，在学习者完成虚拟仿真实验过程中，提供必要的学习支持服务；完成虚拟仿真实验后，通过学习评价环节检验学习效果。

图1 虚拟仿真实验的顶层设计

三、虚拟仿真实验的设计要点

PLC在工业自动化发展进程中有着重要地位，因此，PLC技术相关的课程在工科本、专层次的机械或自动化等相关专业中普遍开设。因此，结合PLC技术虚拟仿真实验系统为例，阐述虚拟仿真实验的设计要点。

(一)实验项目内容设计

结合应用型人才的培养目标，面向PLC技术在实际工程和生活中的应用，基于情境问题动态配置实验内容，按照工作过程开展基于工作过程的项目化虚拟仿真实验。PLC技术虚拟仿真实验系统中选择了涉及基本逻辑控制、步进电机控制、触摸屏控制、网络通信控制等教学内容的8个实验项目，基本完整呈现课程需要讲授的知识点，科学构建教学内容体系，体现PLC技术应用及发展趋势[7]。此外，在完成实验之后，鼓励学生根据自己的兴趣完成其他PLC技术相关实验，文本和视频内容可以上传到实验平台上。

(二)实操教学模式设计

虚拟仿真实验中的每个典型实验任务按照“任务描述——任务目标——任务分析——任务实施——任务总结——任务评价”的流程组织学习活动，有助于学习者顺利地完成实验，并掌握所学知识。

任务描述：明确学习者需要完成的具体任务内容；任务目标：明确学习者完成该任务应达到的结果；任务分析：通过实验室实操视频引导学习者明确如何完成该任务，并穿插呈现完成该任务的所需知识点；任务实施：针对任务设置相应的虚拟仿真实验，学习者可通过虚拟仿真实验进行人机交互式练习，提高其实操技能；任务总结：总结归纳完成该任务的知识点、方法和技巧等；任务评价：对虚拟仿真实验结果记录及保存，学习者自动或手动提交。

以上流程中，任务实施环节是虚拟仿真实验的核心环节，此环节中，首先学习者需要通过人机交互手段认识PLC设备和控制对象，并进行PLC硬件组态和硬件连线操作；其次学习者需要通过人机交互手段进行PLC系统的地址分配，并进行PLC控制程序编写和调试；最后学习者在虚拟的学习环境中完成PLC控制系统的调试。由此可见，PLC技术虚拟仿真实验的沉浸性和交互性，使得学习者主动地接收信息、整理信息、应用信息，能够较好地满足学习者认识仪器或设备、理解抽象原理、掌握加工操作流程的实验教学内容需求。虚拟仿真实验可以帮助学习者掌握知识并进行技能训练，充分体现主动性、独立性、监控性、交互性、技术性和开放性的远程学习特点。

(三)虚拟实验技术实现

不同的虚拟实验技术呈现的虚拟实验类型多种，包括基于平面简单动画仿真的虚拟实验、基于三维视觉效果的虚拟实验和基于三维交互设备的虚拟实验[8]。综合考虑经济性和可行性，PLC技术虚拟仿真实验系统开发为一个基于三维视觉效果的虚拟实验平台，主要是基于Virtools和3Dsmax等软件开发，使学习者能够在虚拟的学习环境中完成PLC系统的设计和调试，包括“阅读系统原理图、认识实验器材、进行实验分析、硬件联线操作、编写实验程序、调试实验程序和观察实验结果”七个步骤。一方面，学习者在虚拟实验环境中利用鼠标的点击、拖动，将虚拟实验中的各种虚拟仪器按实验实际需要进行各种连线、操作；一方面，学习者在可视化界面下进行软件程序的编程和调试，从而完成实验。与此同时，学习者可以基于平台进行实验数据的记录、实验操作的讨论以及实验报告的编写。因此，PLC技术虚拟仿真实验系统具有较为优秀的展现效果、良好的交互性和学习者参与性。

(四)学习评价设计

学习者进行虚拟仿真实验的过程中，后台可以记录实验操作的过程和结果，根据既有的评分规则自动给出一个自动客观的评分，以方便学习者对自己进行客观的评价。PLC技术虚拟仿真实验的自动测评主要包括操作序列和操作结果，因此，自动评分算法中不仅需要基于操作结果进行评分，还需要设置答案操作序列和主体操作序列并进行评分。进一步，通过云平台采集的虚拟仿真实验的学习者学习行为、自测题、学习者帖子统计数据，进行分析，供教学改革和教学研究使用。

(五)学习支持服务

虚拟仿真实验中不仅汇聚了课程学习资源，还以此为学习平台汇聚了师资，对学习者开展学习支持服务。依托国家开放大学的云平台，PLC技术虚拟仿真实验实现了开放大学系统内的广泛共享并分散控制，提供虚实结合的远程教学服务，推动线上线下优势融合，借助于“互联网+”的学习方式，拓展学习时间和空间，实现学习者学习的“个性定制”，如图2所示。

图2 学习支持服务体系

进而，依托开放大学体系的师资力量，构建两级统筹的远程教学团队。基于PLC技术虚拟仿真实验为遍及全国的学习中心的师生开展课程学习支持服务，实现移动课堂。进一步，总结平台运行模式，不断提升平台品质，推动PLC技术虚拟仿真实验在高校、行业和企业的共享。

四、虚拟仿真实验的实践应用

(一)应用范围

PLC技术虚拟仿真实验的文本指导、操作视频和虚拟仿真实验系统在远程教学平台上发布，学生登录远程教学平台，即可在选课学期内随时随地进行虚拟实验。

2020秋季学期在国家开放大学的云平台上投入使用，提供给选修“机电控制与可编程控制器技术”(本科)、“机电控制与可编程控制器技术课程设计”(本科)、“可编程控制器应用”(专科)、“可编程控制器应用实训”(专科)四门课程(以下分别简称为A、B、C、D课程)的学习者使用，四门课程的学习者人数如图3所示。

图3 PLC技术虚拟仿真实验学习者人数

(二)应用效果

为了评价PLC技术虚拟仿真实验的应用效果，从两个途径进行评估，一方面是对虚拟仿真实验平台采集的学习者行为数据进行分析，另一方面是按照对虚拟仿真实验的评价体系编写调查问卷，嵌入平台中，发布给学习者填写。

1. 平台采集数据分析

对平台采集的数据进行分析，由于各门课程的选课人数不同，因此基于学习行为为人均数据进行分析，详见表1。

表1 学习者人均学习行为统计数据

由表1可知：

(1)由于B课程和D课程是实践环节课程，更加侧重于实操技能的学习和考核，学习者的人均学习行为数据数值高于A课程和C课程。

(2)由人均提交成绩数可以看出学习者基本都能通过虚拟仿真实验完成实验课程的学习，由于B课程和D课程是实践环节课程，其虚拟仿真实验的成绩所占总成绩的比重较大，所以学习者通过学习的次数和提交成绩的次数较多，较好的达到了课程实践的教学目的。

(3)通过分析学生的课程行为和浏览数，可以看出本科层次(A课程和B课程)的学生学习的积极性略高于专科层次学生(C课程和D课程)的学习积极性，亦可以得出本科层次学生的自主学习能力较强的相关结论。

(4)通过对发帖数和回帖数进行分析，本科层次(A课程和B课程)的学生对知识的掌握能力较好，学生回帖数显著高于教师回帖数，专科层次(C课程和D课程)的学生回帖率相对较低，因此，专科层次的学习者使用虚拟仿真实验的过程中，需要更加积极的对其开展学习支持服务。

2. 问卷分析

学习者进行虚拟仿真实验的过程主要包括实验导学环节、实验过程中的实操环节和实验全过程中的学习支持服务环节，此外，虚拟仿真实验是网络教学与传统实验学习的融合，是在远程网络教学环境中完成传统实验全过程，因此，面向学习者编制的虚拟仿真实验的调查问卷中要兼顾考虑传统实验特征和网络学习特征。最终构成虚拟仿真实验应用效果调查问卷的内容涉及学生知识发展、实验技能提升、师生或生生的交流互动、远程教学实用性和情感态度五个主要方面[9]。

通过PLC技术虚拟仿真实验中的在线问卷，部分学习者自愿填写问卷，然后回收整理、统计和研究。在做具体的统计分析工作前，首先从几个方面进行了无效问卷的筛选，包括重要信息未填，或某一问卷的所有项目选择同一序号，都将视为无效答卷。最后确定有效问卷为440份，问卷总平均分为83.55。学生问卷各问题的平均分见表2。

表2 学习者问卷统计

(备注：分数统计规则——不赞同1分,不太赞同2分,一般3分,基本赞同4分,很赞同5分。)

由表2可知，PLC技术虚拟仿真实验通过合理的实验项目设置、实用的实验内容、清晰合理的远程教学模式设计、灵活的学习形式和周到的学习支持服务，使学习者可以在完成实验的过程中逐步培养自主学习能力和协作能力，掌握课程相关知识，提升实操技能，培养科学实验精神。

此外，参与虚拟仿真实验的指导教师反映虚拟仿真实验的时间和空间不限，解决了线下实验室数量的开放难题，特别是疫情期间的实验教学问题。相比原有依托线下实验室进行的实验完成率，在线虚拟实验的完成率大幅提升，学生的学习兴趣也得到了一定的激发，带动课程的访问量也得到了提高。同时，在线下实验室教学的过程中亦可应用虚拟仿真实验进行教学，构建虚实结合、线上线下混合式实验教学，体现了以学生为中心的泛在化实验教学理念，提高了实验教学的质量与效果[10]。

工科远程教学中，虚拟仿真实验以不受时间和空间限制、操作性强、效果较为直观、安全可靠、成本低等优势，弥补了工科远程教学的实践教学短板，其推广和应用受到广泛关注。基于对学习者实践教学需求的调研，以国家开放大学云平台上广泛应用的PLC技术虚拟仿真实验系统为例，阐述了虚拟仿真实验的顶层设计，从实验项目内容设计、实操教学模式设计、虚拟实验技术实现、学习评价设计和学习支持服务5个方面详细分析了虚拟仿真实验的设计要点，总结了远程教育虚拟仿真实验设计的一般规律。最后，通过虚拟仿真实验的教学实践应用，从平台采集的学习者行为数据和使用者调查问卷两个途径对虚拟仿真实验的应用效果进行评价，证明了其有效辅助远程学习者开展自主学习，一定程度上提升了学习者的实操能力，激发学习者的学习积极性，对远程教育理论和教学方法运用做了有益的尝试，对传统的实验教学模式进行了改革，推进了工科远程教育的教学改革和教学研究。

下一步，将以PLC技术虚拟仿真实验系统为蓝本，对远程虚拟仿真实验进一步完善，包括对实验平台采集的数据进一步详细化，为实验教学提供更为精准的学习支持服务；在不同的远程教学平台共享远程虚拟实验教学资源，按照学科形成更为完善的虚拟仿真实验教学、管理和评价体系。