“新工科”背景下工科类专业性实验虚拟仿真教学模式的构建与实施

张健平，蔡 勇

(西南科技大学 制造科学与工程学院 制造过程测试技术教育部重点实验室，四川 绵阳 621010)

工业4.0、工业互联网、中国制造2025等相继出现，教育部于2016年提出了“新工科”建设的构想，提出了高等工科教育应该着重培养6个方面的能力[1-4]：(1)工程和科技创新能力；(2)多学科和跨界领导力；(3)解决复杂工程问题的能力；(4)人文和管理能力；(5)对产品、系统和过程全生命周期的系统工程观；(6)广阔的国际视野。总之，“新工科”高等工科教育是培养一批引领新技术、新产业的创新型工程科技人才。因此，为了更好地适应以上培养能力的要求，对实践教学要求也随之提升，要求加强学科间的深度交叉融合，强化实践经验的积累，减少浅层次的学习内容，以培养学生多维度的工程创新能力和相关素质[5-7]。

随着互联网、多媒体等技术的快速发展，以及科技进步的日新月异，推动着全球教育改革和创新，方便实现网络化、数字化、个性化和终身化的教育模式，培养创新型人才[8]。2018年4月，我国教育部教技[2018]6号文件《教育信息化2.0行动计划》强调提出：教育需要智能化、数字化、网络化和泛在化，应坚持信息技术与教育教学深度融合[9]。

传统实体工科类专业性实验教学主要存在的教学瓶颈[10,11]：第一，高温、高危险、高污染性：工科所涉及的某些领域工作温度高，伴有粉尘、有害或放射性物质，对人体产生危害，也会造成环境污染，同时有时会发生爆炸。第二，教学成本高、周期长：有些实验参数测量需较昂贵的分析测量仪器，实验耗材和加工费用高、周期长，学生通常不能反复验证，实验教学效果下降。第三，影响因素关联耦合度高：工科类专业性实验影响因素多，关联耦合性强，学生难以在有限时间内全面直观地理解工作机理和影响因素变化规律。因此，目前国内许多教育学者针对以上教学瓶颈，结合互联网和虚拟仿真等技术对工科类专业性实验的教学方法进行探索和研究。宋智等[12]提出通过计算机和互联网等新技术可方便增设设计型和综合型实验，实现了学分制教学。孟庆浩等[13]基于互联网改进了《机器人学导论》和《移动机器人技术基础》两门课程IRIE系统，实现了实验资源的共享。胡今鸿等[14]调查了首批国家级虚拟仿真实验教学中心和部分已开展虚拟仿真实验教学的高校，提出了顶层、政策、应用三层平台组织架构的管理体制和运行机制。吴志东等[15]根据“互联网+”与传统实验室教学培训模式相融合的培养思路，构建了实践培训的新理念、新结构和新体系。白瑞峰等[16]开发了控制类多学科融合虚拟仿真实验教学系统，构建了过程控制系统、DCS网络及工业机器人控制系统等虚拟实验内容。周宇等[17]针对土木工程专业实践教学中存在的问题，提出了虚实结合实践教学体系的建设方法。于萍[18]以动量方程实验为例，结合信息、互联网等技术，构建了面向学生工程创新能力培养目标的教学模式。吴霞[19]基于布鲁姆教学目标分类的设计思想，设计了线上、线下相结合的实验教学模式。

综上所述可知，通过互联网、虚拟仿真等技术，可实现虚拟仿真实验和工业级实验模拟。但在工科类专业性实验教学方面依然存在着一些问题，首先针对一定课程提出相应的教学方式，实验教学体系缺乏独立性和完整性。再者教学方式缺少自主性和创新性，教学内容过于基础、缺乏实践性等。因此，为了更好地适应“新工科”背景下人才培养的需求，提高工科类专业性实验教学质量，结合我校特色学科，以“窑炉系统开停车与故障处理虚拟仿真实验”为研究对象，根据OBE教育理念，详细分析教育教学理论，深入探索其实验教学模式，构建教学内容、教学方法、教学实施及教学评价，以期为工科类专业性实验教学提供参考和借鉴。

1 虚拟仿真教学模式的构建与实施

1.1 教学模式的构建

基于我校几十年的教学和科研成果，根据窑炉系统工艺参数控制教学瓶颈，即资源消耗高、环境污染严重、操作温度过高，提出了“2+3+1”虚拟仿真实验教学设计思路：2个教学内容(控制工艺和控制操作)、3个教学方法(示范教学、探究教学和实战教学)和1个最高平均学习保留率，如图1所示。

图1 “2+3+1”虚拟仿真教学模式的整体设计图

由图1可以看出，教学内容采用真实实验场景、三维立体图、文字、语音讲解、视频和动画等多种教学资料组合构建，降低学生的工作记忆负荷，便于长时间记忆。通过线上虚拟仿真平台，结合竞技比赛、答题闯关、人机对话交互等多种方式，开放自主地实操控制参数、故障真实诊断处理、即时地观察控制变化规律和操作信息，增强了沉浸式体验感，充分做了读、听、写、演和练的相互交叉应用。同时，在教学过程，坚持“分层培养、启发创新”的基本教学理念，鼓励学有余力的学生在实战教学模块进行相关实验，自主优化分析控制影响因素和创新设计。整个教学过程学生主动学习学时占70%，充分体现了以学生为中心，有效地激发了学生学习动机和兴趣，帮助学生有效调控自己的学习过程，使学生获得成就感，增强自信心，提高平均学习保留率。

1.2 教学内容的构建与实施

基于图1中的“2+3+1”虚拟仿真教学模式，设计出相互衔接、循序递进的三个实验模块，即示范式教学模块、探究式教学模块和实战式教学模块，如图2所示。

图2 实验教学模块与内容

三个教学模块分别包括的教学内容为：(1)示范式教学模块：工艺流程、工艺参数、设备原理、控制方法和实训操作。(2)探究式教学模块：开车操作、停车操作、控制参数整定、控制方法选取和控制稳定性判断。(3)实战式教学模块：故障诊断分析、故障处理方法、控制参数整定、控制方法选取和控制稳定性判断。

1.2.1 示范式教学模块

示范式教学模块的教学内容主要为基础理论知识，可结合虚拟仿真教学系统，通过线上自主学习演示操作视频、线上实操实训和闯关考核完成相应的教学内容。

在3D仿真环境下对设备拆装、控制操作和故障处理等配上操作演示视频，即设备拆装、窑炉系统工艺流程、开停车操作、故障诊断处理操作，部分演示视频如图3所示。

图3 操作演示视频

在3D仿真环境下从任意角度进行线上实操实训，包括预热器和回转窑拆装实训、开停车操作实训和故障诊断处理实训，部分实操实训如图4所示。

图4 线上实操实训

试题闯关考核应贯穿整个示范式教学过程，最后紧接试题考核，以便学生及时检测对知识的掌握程度，随时纠正，激发学生的学习动力。成绩分布如表1所示，包括视频学习(60%)、操作实训(20%)和考试(20%)。在线测试试题题型为选择题，再根据题目难易程度设置相应分数(1分、2分和3分)。最终结构评分85分以上，进行探究式教学模块。

表1 示范式教学模块考核成绩分布

1.2.2 探究式教学模块

遵循可延展性、趣味性和实用性的原则，结合实验操作步骤，设置实验交互性操作关卡，以3D数据建模的形式完整呈现探究式教学模块的教学内容，增强沉浸式体验感。同时即时提供操作正误信息和相应得分情况，随后对实验结果进行计算分析、生成实验报告提交。

学生可以通过“漫游模式”中的“地图导航”、“漫游观察”，身临其境地在真实企业场景进行实操，如图5所示。

图5 现场设备投远控界面

在DCS界面(图6)进行控制参数设置与调整，并围绕各个影响因素，在可选参数范围内探究式选取相关的控制工艺参数，自主调整PID控制参数，寻找合适的控制方法。

图6 DCS操作界面

在整个实验过程即时查看实验结果和操作记录(图7)，方便学生随时进行实验分析，调整控制方法和控制参数。

图7 实验结果和操作记录

同时设置了实验提示和实时报错等信息(图8)，方便学生随时了解自己实验操作步骤、操作用时和得分等情况。

图8 即时操作提示界面

1.2.3 实战式教学模块

采用竞技比赛、答题闯关、人机对话交互等多种方式设置实战式教学模块的教学内容。根据窑炉系统常见故障建立相应的专家库和诊断处理程序，并在虚拟现场配上3D直观的现象，以方便学生自主诊断分析，提出处理方法。如学生在操作过程中，遇到红窑，在现场明显看到了“红窑”现象，如图9所示。

图9 发生红窑故障的现场

及时返回到DCS控制系统进行控制参数的调整和处理，如图10所示。

图10 红窑故障DCS系统处理界面

1.3 教学方法的构建与实施

遵循“虚实结合、先虚后实、先独立后合作、先模拟后验证”的原则。坚持“分层培养、启发创新”的基本教学理念，采用情景体验、比较分析，以及自主探究与趣味性的教学方式，结合动画、视频演示、竞技比赛等教学手段，使整个实验步骤环环相扣、层层深入，通过答题闯关、人机对话交互等多种方式，极大地调动了学生的积极性和主动性。

1.3.1 情境体验

通过Unity3D和Visual Studio等虚拟仿真开发工具，为学生提供一个与真实水泥生产工艺流程和操作设备相似的人机交互环境(图5、图6和图9)。学生通过该虚拟环境，真实地进行开停车操作和故障诊断处理，清晰地了解实验过程的控制操作步骤，“亲身”操作真实环境下具有高温、高污染的PID控制调节器和观察控制结果的变化规律，增强了沉浸式体验感，丰富了实习体验。

1.3.2 比较分析

本实验围绕三次风压、窑尾负压、主排风机风速、入窑物料分解率等因素，以窑炉喂煤量最小、分解炉温度和窑尾温度等为目标，建模仿真控制窑炉系统开停车操作，如图11所示。

图11 建模分析图

此过程是一个多目标多影响因素的系统，方便学生对控制参数整定结果进行对比分析。除此之外，建立了8种故障诊断处理方案的专家库，大约100种工况，学生可自由操作，多角度对比分析不同工况下窑炉系统故障诊断处理方法。

1.3.3 自主探究与趣味性相结合

实验考核给出一个直观、可视化的虚拟水泥生产环境，如图5、图6和图9所示。学生在此虚拟现场通过竞技比赛、答题闯关、人机对话交互等多种方式进行窑炉系统开停车操作和故障诊断处理，即时实战检验所选择控制方法的合理性和稳定性，依据控制稳定性即时给出得分，使整个实验步骤环环相扣、层层深入，如同参加竞技比赛，增强了实验的趣味性，提高实验教学效果。

1.4 教学评价的构建

根据OBE教学模式，遵循发展性、全面性和客观性的原则，采用结构评分方法进行考核，整个结构评分主要包括形成性评价(70%)、终结性评价(20%)和综合能力评价(10%)，每一层次有独立的评判指标，具体指标见表2。

表2 结构评分表

这三方面评价内容是相互渗透和相互配合的，且形成性评价的成绩占总成绩的70%，以虚拟仿真实验平台自动考核成绩为主，学生可以反复练习，以最好成绩为最终成绩，完美地实现了形成性评价过程。激发学生的学习积极性，帮助学生有效调控自己的学习过程，让学生慢慢地养成一个良好的学习习惯和学习态度，使学生获得成就感，增强自信心，提高实验教学效果。

2 教学实践与效果的分析

2.1 教学模式的实践应用

2.1.1 实践对象

依托我校机械设计制造及其自动化本科专业核心课程《控制系统仿真》中有关“过程控制系统的PID控制器设计与实现”的授课内容，设计了4个学时的虚拟仿真实验教学。学生围绕窑头喂煤量、三次风管风压和主排风机风速三个影响因素进行控制规律探究式实验环节占3学时，实战式故障诊断与处理环节1学时。选取2020-2021学年第2学期，我校2019级机械1906-1910五个行政班，共142人作为研究对象；其中，对照班46人(机械1906-1907，传统“实体式”教学模式)，实验班96人(机械1908-1910，虚拟仿真教学模式)。所有学生在参与实验之前学习了同样的基础课程，学生的学习能力起点水平相当，而且学生并不知晓实验的存在。

2.1.2 教学模式的实践应用

通过互联网，三维部分采用C/S架构、其余部分采用B/S架构，实现与仿真平台算法数据的高速互联。学生通过西南科技大学校级虚拟仿真教学中心管理平台(http://xnfz.swust.edu.cn/virexp/)，输入相应的帐号和密码登录，开始实验。实验登录平台如图12所示。

图12 虚拟仿真实验教学平台界面

示范式教学模块：学生自主查看实验项目系统操作说明、窑炉系统工艺流程和控制方法、开停车操作和故障诊断处理等演示操作视频，然后进行实操实训，领会窑炉系统PID控制所涉及的基础理论知识，如图13所示。

图13 示范式教学模块实验界面

探究式教学模块和实战式模块：第一次打开需点击实验页面中“插件下载”下载和安装插件。然后点击“窑系统开车”、“窑系统停车”或“常见故障诊断及处理”，等待10-20秒加载项目资源，即可进行相关实验，如图14所示。

图14 等待加载项目资源界面

在虚拟仿真场景中进行开停车和故障诊断处理的操作步骤，交互性操作约为58步。整个交互性操作和考核一次性完成，期间不能进行修改，最后虚拟仿真平台根据操作情况给出成绩(图15)。学生根据成绩信息，了解自己操作错误的步骤，查漏补缺自己所学的知识，即可返回到示范式教学模块界面，反复观看微视频和实训，然后再进行交互性操作，提高实验成绩。

(a)开车操作记录和分数

2.2 教学效果的分析

2.2.1 虚拟仿真教学效果

实验结束后，利用“问卷网”建立了虚拟仿真教学效果调查问卷，实验班所有同学都参与了问卷调查，就教学能力培养和满意度两方面调查分析“2+3+1”虚拟仿真教学模式的实施效果，数据统计结果如图16和图17所示。

图16 教学能力培养的评价

图17 混合式教学模式满意程度的评价

由图16可以看出，92%学生认为能够促进知识的深入学习和技能的熟练掌握，说明示范式教学模块中线上自主学习演示操作视频和线上实操实训教学呈现方法有效，学习难度适中，能够有效地开展实验重难点的学习，也有助于学生随时随地查找自己的知识盲区，调整学习进度、改进学习方法，提高自主学习的效率。90%学生认为可以拓展视野为将来的学习和就业奠定基础，表明虚拟仿真教学模式效果明显，很好地实现探究式和实战式教学，促进问题再生，使实验教学内容得到了延伸。89%学生认为可以提高自主学习能力，沟通交流和表达能力，很好地反映出线上自主学习、线上实操实训、试题闯关考核和实验操作正误信息及时反馈起到了较好的作用，较好地实现了“做中学、实际演练、相互教学”的教学，有利于培养学生的个体理性判断和表达能力。88%的学生认为可以提高分析、解决实际问题的能力，表明实战式教学中通过竞技比赛、答题闯关和人机对话交互方式进行自主释疑质疑和工程实战，有利于培养学生应用创新和问题再生能力。综上所述可知，“2+3+1”虚拟仿真教学模式可以培养学生多方面能力，增强学习效果。

由图17可知，学生们对本实验虚拟仿真教学模式知识学习、技能掌握以及教学模式满意度达89%以上。这说明“2+3+1”虚拟仿真教学模式下教师可以更方便地提供形式多样、内容丰富和身临其境的学习资源，增强了教学过程的可延展性、趣味性和实用性，较好地满足学生的需求，调动学生的积极性。同时通过线上操作信息及时反馈、竞技比赛和答题闯关，有助于学生进一步进行探索和讨论，及时解决遇到的问题，提高了学生的满意度。

2.2.2 线上学习行为分析

按“学习时长:示范式教学:探究式教学:实战式教学=2:2:3:3”评价标准，将线上学习行为数据转化成百分制分数，分析线上学习行为与学习效果的相关性。通过数据统计分析，线上学习成绩平均分为73.76，最高成绩为92.63，最低成绩为52.08。98.7%的学生完成了线上示范式教学的全部内容，其中23.9%的学生重复学习相关演示视频和操作实训；45.8%的学生频繁参与探究式教学内容，包括试题闯关考核和实验操作等；26.3%的同学认真完成了实战式教学。通过以上统计数据可以看到，绝大多数学生能够完成相关的学习任务，但自主探究、实战交流和重复学习的能力欠缺，老师需进一步提高这方面的教学方法，精心设计虚拟仿真教学环节和内容，引导积极性差的学生自主和反复地进行实践操作，激发学生学习动机和兴趣，调动学生学习主动性。

虚拟仿真教学模式下的线上学习行为与最终成绩之间的相关性如表3所示。

表3 线上学习行为与最终成绩的相关分析

从表3中可以看出，线上学习行为与最终成绩为正相关性，表明学生线上自主学习效果对学生学习质量影响较大。探究式教学与最终成绩的相关性最大(R=0.849)，说明线上实操、试题闯关考核和实验操作正误信息及时反馈有助于学生深刻地理解实验教学内容，强化了实验教学内容的重点和难点。实战式教学与期末成绩的相关性次之(R=0.819)，表明通过竞技比赛、答题闯关和人机对话交互方式进行自主释疑质疑和工程实战有助于学生加深对所学知识的理解，起到了督促改进学习方法的作用。因此，虚拟仿真线上工程实战学习有助于培养学生自主学习和分析问题、解决问题的能力，在提高学习成绩方面起到了积极作用。

2.2.3 学习成效对比分析

为了进一步比较分析虚拟仿真教学与传统教学的教学效果差异性，选择作者教授同专业同基础的班级(机械1906-1907)作为对照班级。根据2020-2021学年第2学期最终成绩进行对比分析，其分析结果如表4和图18所示。

成绩分布区域

表4 虚拟仿真教学与传统教学最终成绩的统计分析表

由表4可以看出，与传统教学模式相比，虚拟仿真教学模式最高分、最低分和平均分都得到了提高，其中最高分为99分，最低分为46分，平均分为74.46分，分别提高了5.3%、17.9%和9.5%，特别是最低分远远高于传统教学模式，提高率达到17.9%。除此之外，虚拟仿真教学模式最终成绩的标准差变小，表明虚拟仿真教学的学生成绩更为均匀，两极分化的情况有所改善。

由图18可以看出，与传统教学模式相比，100-90分、89-80分和79-70分三个区域内学生人数所占总人数的比例大幅度地增加，其中100-90分由1.6%提高到9.4%，提高了83.3%；89-80分由20.3%提高到30.2%，提高了32.8%；79-70分由20.3%提高到29.2%，提高了30.4%。而69-60分和59分及其以下两个区域内学生人数所占总人数的比例大幅度减小，其中69-60分由34.4%减小为21.9%，减小了36.4%；59分及其以下由23.4%减小到9.4%，减小了60%。因此，虚拟仿真教学模式可促进40%的学生成绩达到良好，且大大减小了不及格的学生人数，从而大幅度地提高了本实验的教学效果。

在此基础上，统计分析了两种教学模式下学生考核知识点的得分率分布情况，如图19所示。

由图19可以看出，虚拟仿真教学模式在所有知识点的掌握程度上都得到了提升。在示范式教学内容方面，平均得分率提高了20.6%，表明在该教学模式下，基本概念、控制理论知识、工艺参数与主要设备结构等内容的教学更为精准，通过自主进行操作演示视频学习、线上实训操作、线上自测等手段可以提高学生对理论基础知识的理解程度。在开停车控制操作和故障诊断处理两方面，平均得分率提高了25.4%，反映了线上实操、试题闯关考核和实验操作正误信息及时反馈可以激励学生深入理解和知识的贯通，有助于学生实际控制操作和处理能力的提高。在控制参数整定、稳定性分析与工程创新应用方面，平均得分率提高了26.7%，反映了通过竞技比赛、答题闯关和人机对话交互方式进行自主释疑质疑和工程实战可以激发学生应用知识解决问题的能力，更加有助于学生“分析”、“综合”等高阶思维能力的提升。

图19 虚拟仿真教学与传统教学考核知识点得分率对比

3 结 语

基于OBE教学模式，结合学习金字塔理论、学习信息加工理论和认知负荷理论，根据工科类专业性实验教学瓶颈，提出“2+3+1”虚拟仿真教学模式。在3D仿真环境下，通过“漫游模式”中的“地图导航”、“漫游观察”完成认知实习、现场操作，身临其境地体验窑炉系统开停车操作。通过竞技比赛、答题闯关、人机对话交互等多种方式，使整个实验步骤环环相扣、层层深入，沉浸式体验感特强，很好地调动了学生的参与度。大约92%同学认为该教学模式能够促进知识的深入学习和技能的熟练掌握，拓展视野，提高了自主学习能力，以及分析、解决实际问题的能力，满意度达89%。充分体现了以学生为中心，满足学生认识负荷的要求，促进学生的感性认识，有效地激发学生的动机和兴趣，调动学生的主动性，较好地解决了实验教学体系缺乏独立性、完整性、创新性和实践性等问题。