“理、实、虚”一体化课程设计

2022-11-16李亚莉张玉清

农机使用与维修 2022年4期

李亚莉，张玉清

(黑龙江林业职业技术学院，黑龙江牡丹江 151000)

0 引言

虚拟仿真技术具有形象生动、反馈实时、交互性强等突出特点，可以较好地取代真实场景，在仿真设备操作、仿真加工制作、仿真宏观控制等方面，得到社会的肯定。随着虚拟仿真技术在教学过程中的应用，职业院校的课堂教学形式也悄然发生着改变。课堂教学从理论与实践二者的结合，进一步升级，向理论、实践、虚拟仿真三者有机结合的形式转变。在这个转变过程中，如何抓住虚拟仿真新技术的特点将三者完美结合，使学生能够更好地完成知识学习、技能练习，这就需要在课程设计上深入研究，使课堂教学效果得到更大的提升。

1 确定“理、实、虚”课堂教学设计的方向

要做好这类课程的教学设计，就需要先研究“理、实、虚”教学的课堂特点。在职业教育的教学发展中，为了解决理论与实践结合的问题，采取了理实一体化的教学方法。这种方法突破了以往理论与实践相脱节的现象，将理论和实践结合在一起，教师在教学的过程中采取做中教、学生做中学的方式，让教师学生双方边教、边学、边做，改变了传统教学方式，得到了良好的教学效果。随着职业教育教学手段的发展，虚拟仿真技术在教学上显示出优越的特性。

1.1 可较好地替代真实操作，安全性好

虚拟仿真软件中所建立的虚拟场景是根据真实工作场景数据所建立的数学模型而设计完成的，遵循了行业的职业技术标准要求。由于设计了逼真的二维、三维应用场景，对设备、工件、环境等进行了真实的“再现”，可以使教师和学生沉浸在该种虚拟场景中的人机交互与在真实工作场景中一样。该种教学实践环节，不是“真刀真枪”地使用设备，不对真实工件进行操作，这便减少了由于理论或实践知识掌握不足，造成设备损坏和发生安全事故，不会产生人身和设备损坏的安全性问题。这样一方面保证了人身、设备的安全，另一方面，由于在教学的过程中，教师不用过多地顾虑安全因素，使教师有更多精力放在课程教学的技术指导上面。从而在整体上提高实训项目任务的学习质量。

1.2 可不发生或少发生实训材料消耗

在使用仿真教学的过程中，由于是在计算机软件的仿真环境中对虚拟的工件或产品进行加工，虚拟一般不发生对真实工件、产品的操作，即便是有，也是相对真实产品或工件成本很低的替代品，这样就不会产生真实的材料消耗[1]。另外，在一些涉及到零件拆卸方面的实训，采用实物进行拆卸时，很难保证不发生零部件损坏的情况，采用虚拟仿真就避免了由于操作错误而产生零部件的损坏。另一方面，由于采用虚拟仿真后，不对真实零件进行拆卸，大大降低了零部件拆装频次和使用强度，相应减少零部件的磨损、延长使用寿命。综合上面种种情况，虚拟仿真可以大幅度降低实训材料消耗，降低实训教学成本。从而使教师在教学中可以增加学生的训练范围和训练强度，大大促进了学生专业能力的培养效果。

1.3 可实现断续操作、分段操作和多次重复操作

由于虚拟仿真教学使用的是非真实的产品或工件，所以在连续工序的教学示范和训练中，就不用担心中途停下来会影响后续的工序问题。例如，发动机气门的拆卸，可以在拆卸的任何时候停下来，而不会像采用实物拆卸时必须连续完成拆卸工作，这样就可以对重要环节进行更加详细的讲解和探索；对需要多次重复训练的部分，可以从整体连续的作业过程中抽取出相应的训练区段，进行多次的反复训练，这都是真实场景下的操作做不到的。虚拟仿真在进行大场景、多环节、程序性的复杂任务教学时，能够显著提高教学效率。

例如，在讲解汽车维修质量管理时，在哪些部分检测哪些参数、怎样进行检测，是教学的重点。如果采用真实场景进行教学，虽然零部件的安装并不是教学的重点，但是实际教学中，就会被这些不是本教学内容重点的安装过程所占用；而在零件安装到哪个环节、怎样检测相应的技术参数等重点知识却无法在时间上给予足够的保证，重点、难点没有突出，教学效率也相应的降低。可以想象，如果是更大场景的实践，这样的问题将更加突出。而当使用虚拟仿真教学，优势和效率就有明显的体现。

综上所述，虚拟仿真在专业教学中涉及的几大问题——安全、成本、重点难点突出和教学效率等多个方面都能够有针对性地突破。在进行课程教学设计时，在熟悉原有教学内容的基础上，通过熟悉、挖掘所采用的虚拟仿真软件的功能和优势，将两者充分地进行有机结合，就能够设计出来更加高效的教学课堂。

2 协调“理、实、虚”教学特点，确定“理、实、虚”课堂教学模型

从课堂教学的发展过程来看，课堂教学从理论课堂走向理论与实践相结合的一体化课堂，再走向理论、实践、虚拟仿真相结合的混合式教学新课堂。但从教学的实施过程来看，需确定虚拟仿真的教学环节。根据虚拟仿真的特点和教学经验来看，职业教育教学中，虚拟仿真最主要的应用是替代真实工作环境，多是做为进入真实工作环境前的预熟悉、预演练。例如，在汽车专业拆装类课程中，在讲解了发动机的原理、结构等知识后，就可以先使用发动机拆装虚拟仿真软件进行教学[2]。教师首先使用虚拟软件进行拆装示范，然后学生使用虚拟仿真软件进行发动机的拆装学习和训练。当学生的操作达到一定熟练程度后，再使用真实发动机进行拆装学习训练。在这个过程中，通过虚拟仿真软件拆装发动机，既不会对发动机产生意外损坏，也不会发生学生操作方面的安全问题。由于学生、教师都不用担心发生意外情况，学生、教师在训练中就可以大胆探索，不断纠正错误，逐渐形成正确、规范的拆装技能。在虚拟仿真学习训练基础上，再转入运用真实设备进行学习训练，学生很快就能达到预期的目标。对于操作的准确规范和安全操作要求，一般虚拟仿真软件也都进行了设计，当学生出现操作错误时，会提示操作错误，或无法进行下一步操作。但由于是虚拟仿真操作，出现错误不会造成真实的安全问题，这样既保证了学生操作的规范性与安全性方面的学习，又不会出现安全事故。正是由于虚拟仿真的学习训练过程，排除了诸多干扰因素，突出了学习的重点和难点，使学习的效果更好。

从上面所举的例子及过去的教学经验来看，“理、实、虚”相结合的课堂教学，三者的教学应用顺序一般可以是：理论→虚拟仿真→实践。为了在教学中让学生从实践认识的基础上开始新知识的学习，也可以在课程的引入时采用虚拟仿真，比如在发动机拆装课程的教学中，在讲解发动机原理、结构的时候，可以运用虚拟仿真软件将发动机结构进行透视，以及可以方便从任意角度展示零件结构，放大微小结构，呈现安装位置关系等功能，把原本抽象或不可观察的结构呈现出来。从而形成另外一种教学形式：虚拟仿真→理论→虚拟仿真→实践。在一般课堂教学中，还是第一种形式应用较多，即：理论→虚拟仿真→实践(即理→虚→实)，就是突出把虚拟环节放在实践的前面，这样的教学效果最好。有了这个基本的教学应用模型，就可以在此基础上，进行下一步教学设计工作。

3 按照“理→虚→实”的进程进行整体教学实施设计

整体进程确定后，将课程实施设计为以下阶段。

第一阶段：知识讲解阶段。把知识性的内容安排在课程教学的前面，课程开始进行理论、实践知识，以及相关操作要求的讲解。内容讲解完成之后，进入虚拟仿真阶段。

第二阶段：虚拟仿真阶段。在第一阶段讲解的基础上，教师使用虚拟仿真系统进行操作讲解示范。在讲解示范的基础上，学生开始使用虚拟仿真系统进行模仿操作，具备了基本的操作能力后，可进行独立的重复训练。当学生的操作达到一定熟练程度之后，转入下一阶段。

第三阶段：真实操作阶段。学生经过虚拟仿真训练，具备一定的操作基础后，学生和教师就可以使用真实设备进行操作训练，掌握真实设备和工具的正确使用，在真实场景中训练、培养学生的职业技术能力。

这三个阶段的教学设计，既是知识技能深度的晋升，也是知识技能广度的提升，同时还是学习由抽象想象到虚拟仿真、由仿真到真实的提升。其学习是遵循“理→虚→实”的进程进行的。

4 按照“理→虚→实”进程的混合式教学设计时应注意的几个问题

4.1 先“虚”后“实”是此类教学设计的基本原则

从发展上看，课堂教学从“理论+实践”转化到“理论+实践+虚拟仿真”，但在课程的实施顺序上，几种教学形式应用的顺序应该是：理论→虚拟仿真→实践，即“理→虚→实”。这样组织实施，能够更好地发挥虚拟仿真的作用。在教学实施过程中，以虚拟模仿真实是虚拟仿真教学的关键。这个“虚”是为了替代“实”。是用虚拟仿真为进入真实场景的训练奠定基础，是为了避免直接进入真实场景而可能产生的一系列问题。

4.2 “虚拟”不能完全取代“实操”

实践环节的训练，往往受到材料消耗与指导教师不足的影响，不能完成多项目、大范围和多次训练。使用虚拟仿真后，就可以发挥虚拟仿真应用灵活、安全、低消耗的特点。在初学阶段多练习，其练习达到的熟练程度越高，转入运用真实设备操作的效果会越好。但不能认为虚拟仿真教学可以取代真实工作场景的学习训练，而取消真实工作场景下的学习和训练。就目前来看，虚拟仿真技术还不能做到与真实工作场景完全一致。可根据虚拟仿真系统应用的具体情况，适当调整虚拟仿真和真实工作场景二者训练的时间安排，即“虚”和“实”的比例。

4.3 发挥虚拟优势，反复呈现提高教学效果

虚拟仿真教学的应用也应是机动灵活的。可以采用虚拟仿真进行新课程的引入，让学生通过虚拟仿真系统开始新知识、新技能的探索学习。原来采用真实场景进行教学的环节都可以使用虚拟仿真。在实践操作过程中，对一些可能出现设备损坏和人身安全的情况，也可以多次返回虚拟仿真环境中，运用虚拟仿真对这些情况进行再现，利用虚拟仿真可以随时暂停、可重复再现的优势，使那些过去难以在真实设备上不能暂停、不能重现的疑难问题得到解决，使其安全地进行呈现出来，使问题得到解决。

4.4 创新应用虚拟教学

这里采取“理→虚→实”的顺序进行课程设计，是强调了宏观上的课程安排。在教学设计上要灵活运用，可以结合现代教学技术与教学方法，设计出各种应用形式，进行多次的虚拟仿真在教学中的交叉，充分发挥虚拟仿真灵活、易用的特点[3]。

4.5 运用远程仿真，促进线上线下混合教学

可以进行远程访问的仿真软件，能够更好地融入线上线下混合式教学。尤其是在受到疫情影响时，该种方式具有更好的教学效果。

采用虚拟教学也会带来一些新的问题，例如使用虚拟仿真教学时，不需要担心出现操作安全问题，教师可能就会在教学的实施过程中，忽视可能引起人身安全和设备损坏问题方面的规范操作，就可能会忽略安全方面的教学要求。这样会造成学生安全意识降低，对今后的学习和工作埋下隐患。所以，教师在教学设计和教学实施过程中，要把安全问题做为虚拟教学中的重点应给予足够的重视。

虚拟仿真教学尽管有诸多的优点,但也不能因“虚”而废“实”，用虚拟仿真完全取代真实操作，这是错误的。这是在虚拟仿真教学应用过程中必须引起注意的一个问题。我们必须清楚，人们在真实环境下实际操作设备、制作产品时，这些真实的感受从目前来看，虚拟仿真还是无法替代的。如果完全使用虚拟仿真替代实践，会弱化学生对使用仪器设备的真实感受和直接体验，影响学生对基本技能的准确掌握。所以不能用虚拟仿真完全替代真实操作的实践过程。