基于虚拟仿真技术的多元混合线上教学模式探讨

夏庚磊　 张博文　彭敏俊

摘要：随着信息化技术的快速发展，传统填鸭式教学模式已经不能满足对创新型人才培养的要求，而充分利用虚拟仿真技术的多元混合线上教学模式可以提高学生的学习兴趣与自觉性，是教学改革的其中一个重要研究方向。将虚拟仿真技术应用于线上课程教学，增加实践环节，提高学生学以致用的能力，建立线上实践、研讨和拓展的多元混合式教学模式，采取过程考核，更加全面地反映学生对知识掌握的程度和应用知识的能力，对促进以学生为本的个性化教学改革和培养学生自主学习能力具有重要意义。

关键词：虚拟仿真技术； 混合式教学；教学模式探讨；实施方案

一、前言

在高速发展的信息化时代背景下，传统的课堂教学培养模式与新工科创新型人才培养需求脱节，成为工程领域国家人才培养的主要限制因素之一。在线教学作为网络时代远程教育的实践形式，具有多种途径、多种形式或多种方法的多元混合优势，特别是在近几年受新冠疫情影响的大环境下，线上教学达到了空前的规模，各个教育机构都在积极探索合适的线上教学模式。但是线上教学模式存在如网络资源限制、网上教学资源限制、学生素质水平限制以及学生健康状态限制等多种影响因素，对于线上教学水平和教学成果的评价机制也不完善，还需要开展大量的研究工作。

线上教学指的是有固定班级建制、教学过程师生时空分隔、教学内容和教学活动全部依托互联网开展的教学过程[1]。随着国家新工科建设的强力推进，建设了大量虚拟仿真实验资源，课程教学本身就已经具备了数字化教学的优势，结合线上的优势资源，通过互联网和智能手机、电脑，为线上教学平台的应用提供了更有力的支持和保障，打通了教师与学生之间的地域以及环境限制。线上教学的发展与普及对于解决教育的公平性、降低教育成本及对偏远地区教育“弱势”人群有益，同时也促进了终身学习的发展——学习成为一个可以更个性化的事情，越来越多地受到大众的欢迎[2]。通过多方位的教学改革和实践，线上教学的形式得到大众的认可，也产生了一些积极影响[3-5]。

采用线上教学的方式，一些优势的网络教学资源可以共享，使学生有机会接触更好的教育资源，同时对老师的教学总结和优化改进也是一种很好的促进作用。但是，线上教学也存在交互机制不成熟、师生交互困难的问题。线上教学离不开丰富的教学资源，以媒体为中介的教学交互是在线教学再度整合的关键，因此基于虚拟仿真技术构建的线上教学资源，可以为线上教学提供更好的交互效果，促进线上教学模式的发展。王丽等人[6]利用“超星学习通”“雨课堂”“QQ 群”等平台，实现了创建线上教学资源、直播课 堂、线上辅导答疑、学生学习参与反馈和课程考核评价等全部教学环节。另一个重要的问题是制定怎样的评价机制，徐柏权等人[7]从教师、学生和环境多维度地构建了线上教学质量评价体系。

二、明确线上教学目标

“核动力装置与设备”是工科高等学校机械类专业的一门主干技术基础课，在培养学生综合运用理论和技术手段设计系统和过程的能力、利用科学原理分析实验结果并得到合理有效的结论能力方面占有重要的地位。课程的目标是使学生掌握压水堆核动力装置的原理、组成和运行的基本知识，了解核动力装置水化学、热力循环分析的基本理论和方法，培养学生解决核动力装置理论与实际问题的能力。

线下授课存在以下问题：

（一）专业知识内容偏多，造成学生认知困难

“核动力装置与设备”课程涉及整个核反应堆系统的组成和运行原理，存在知识跨度大、讲授内容多、系统组成复杂、概念难理解等问题，涉及的多学科多专业的内容导致学生对于压水堆核动力装置主要工艺系统和设备的组成、功用和基本原理等相关知识的储备严重不足，无法在有限的时间内理解老师所讲授的知识内容。同时，教师在讲台上讲授45分钟的时间往往只能讲解基本概念或单一系统运行的知识点，缺少必要的手段丰富课程内容，学生无法全面掌握核动力装置的工作原理，无法从系统角度理解装置的整体运行特点，造成认知困难，难以跟上授课节奏。在前期的授课过程中发现，随着课程的深入，一些同学开始跟不上老师的节奏，上课注意力不集中，无法准确回答老师提出的问题，甚至出现逃课的现象。这些都是因为学生的基础知识不牢固，逐渐听不懂老师讲课内容的结果。

（二）被动接受知识输入，造成学生活力缺失

“核动力装置与设备”在高校相关专业的课程性质均是专业基础课程，传统的教学模式是由老师独立讲授知识点，学生被动接收大量知识。课程的学习需要前期所学传热学、流体力学等相关知识的支撑，要求学生前期基础非常好，或者利用大量的课余时间补充相关的专业知识，但是由于课程压缩，学时缩短，老师没有时间充分展开知识点，学生被动接受老师讲授的内容，没有时间和精力充分思考授课中遇到的问题，学生的理解能力不足，对知识的领悟也存在困难，导致学生活力缺失，缺乏对相关内容的理解，创新、探究能力被压制。虽然老师在线下教学的过程中提供视频观看、问题探讨、实验设计等手段来提高学生的积极性，但是收到的效果不太理想，分析原因可能是所提供的实践资源比较少，学生没有手段去跟随老师的思路开展实验，随着课程的开展，上课开小差的现象越来越突出。

（三）课程与工程应用结合紧密，对教师能力要求高

“核动力装置与设备”作为面向国防现代化建设的基础课程，本身处于国内外高科技、高技术发展的尖端，技术密集程度较高，对于教学和科研经历比较丰富的老师，在授课过程中可以通过增加一些新思想、新理念、新观点等相关知识点和工程案例，充分调动学生学习的积极性，采用多种方式提高学生思想理论和实践水平，可以取得比较好的教学效果。但是，这对任课教师的知识储备和科研经验提出比较高的要求，部分青年老师授课经验不足，无法充分调动学生的积极性，教学效果也会大打折扣。而且对于一些新技术的发展需要老师花费大量时间和精力去总结、分析，研究如何才能将工程应用中的新技术和课上教学的内容相结合，把复杂的技术问题拆分为学生可以理解的知识点，对于老师的基本素质要求极高。部分教师参与教学改革的积极性不高，很多情况下都是一套PPT讲几年甚至十几年都没有更新，对于提高学生的创新思想，开发学生解决工程实际问题的能力非常不利。

三、线上教学具体实践方法

线上教学并不是传统课堂教学、场所的一个转移，而是需要进一步发展的创新教学模式，其教学理念、教学内容、教学目标都有很大的不同。为了达到更好的教学效果，需要充分利用信息化时代的教学资源，为学生提供丰富的实践机会，提升学生自主学习的意识。特别是优秀的交互式网络互动平台可以使老师讲课过程更加得心应手，学生也有高昂的学习热情，课堂氛围达到最好的效果。同时还要注意师生以及学生之间的交流互动，在相互探讨的过程中发现问题、解决问题、共同成长，使呆板的教学内容更加生动，提升学生的学习效果。

基于丰富的线上虚拟仿真教学资源，依托作者多年的教学和科研经验，结合新工科创新型教学理念，提出的“核动力装置与设备”课程线上教学实施方案如图1所示。

（一）开展实践操作，发现问题

线上网络资源提供了丰富的教学微视频、动画、课外资料等教学资源，包括针对课程基础知识部分的高度概括、典型压水堆核动力系统原理趣味性讲解、主要系统虚拟展示、关键设备案例拆装原理动画演示等内容，充分利用三维虚拟展示的效果，使学生对所要学习的内容有一个直观的了解。实验分析软件相关的课程资源结合系统仿真技术和虚拟现实技术开发，可以针对系统的主要运行特性、典型事故特性、反应堆安全特性进行计算，并绘制计算曲线，全方位展示计算结果，为学生进行典型运行特性的研究提供媒介。学生可以利用丰富的互联网资源开展实际操作，对老师提出的知识点进行分析和总结，进一步发现问题。通过网络教学资源对所发现的问题进行初步分析、探讨和总结，加入自己的理解，总结知识点。

（二）学生自主讨论，聚焦问题

通过开展实际操作，学生对知识点有初步的了解。学生利用网络教学特点自主提出自己的困惑，并和其他学生开展自主讨论，自然得出需解决的问题。本阶段以学生自主讨论为主，老师辅助指导，充分发挥学生的主观能动性，同学们都可以发表自己的观点，在相互讨论中加深印象。老师要及时纠正错误的论点，进行引导，并鼓励学生自主搭建仿真模型开展实验验证，提出或记录无法解决的疑问。线上交流的特点更符合当前大学生的心理特征，让大部分学生都能够畅所欲言，同时，教师也可以充分了解学生的问题和关注点，以便在探讨的过程中能够更加聚焦，针对具体问题具体分析。学生对大部分的知识点进行自主学习，可以增加互动的效果，提高教学质量，更容易实现探讨式的教学模式。同时，学生对需要学习的知识点都有了一定程度的了解，自信心增加，也可以激发学生的学习兴趣和探索性。

（三）师生探讨互动，解决问题

在师生探讨互动环节，老师围绕学生自主讨论过程中所遇到的实际问题开展育人工作，使教学的目的性、实施步骤和方法更加明晰，使教学工作由抽象、务虚转为更加实在。教师根据课程的知识点、结合工程实际问题，通过提问、启发的方式激发学生的学习兴趣，督促学生在课前进行相关知识点的查阅、理解、探讨，通过学生讲解、教师点评、学生互动、相互对比等多种手段，提高课堂的活跃度和参与性；同时，老师所讲授的知识都是学生所关心的内容，基于问题展开讨论，学生听的也更加认真，学生间互相合作和讨论，互动也更加热烈，通过这种教学方式得到更好的教学效果，让学生更有学习的动力和兴趣。解决问题的重点是针对特定的知识点给出相应的实验案例，学生可以通过虚拟仿真实验充分验证自己的观点，通过多种形式的比较，发现自己的不足之处。老师要带动学生去积极思考，引导学生发现问题，而不是简单的指出错误。通过老师和学生之间以及学生与学生之间的探讨，加深大家对各个知识点的理解，真正理解问题的本质，这样才能更好的加深印象，达到最好的学习效果。

（四）课题教学反馈，深入思考

通过课前预习效果、课堂互动效果、知识应用效果多维度的评价，将传统结课考试的评价模式分散到每一节课程，实现多层次多维度的成绩考核机制，把育人工作从短促突击，转化为长效工程。一方面可以减小学生的考试压力，充分带动学生的自主学习和动手实践能力。另一方面，老师可以综合考察学生的综合素质，给出的成绩也更加公平合理。课前预习效果包含预习实践、练习效果、互动度以及完成质量的评价；课堂互动效果包括活跃度评价、知识理解、组织能力评价以及课程提问测评的内容；知识应用效果评价围绕作业、考试、组织能力和实验能力等方面开展。借助网络即时性的特点，学生可以对知识运用的效果进行实时反馈，教师可以实时了解更多学生的课堂学习效果，进一步可以针对不同阶段发现的问题及时调整教学思路，去引导学生思考，充分讲解知识点，加深同学的印象。

（五）课后反馈总结，知识拓展

在线上教学过程中，可以更快的发现问题、分析问题、解决问题，在实验或验证的过程中会提出一些新的知识点并可以快速展开讨论，满足学生更多自主学习的扩展需要。学生在讨论、听教师讲解要点的同时，自发意识到一些知识点的运用技巧，同时教师可以顺势进行适当的延伸，让学生自己去研究，完成了知识点的扩展。教学过程中一定要主要课后的反馈和总结，学生要充分消化吸收所学到的知识，对于不理解的内容可以进一步通过虚拟仿真实验系统去验证，明确知识点的组成和形式，对于老师来说，也要充分去思考在教学过程中发现的问题，对于学生的思路、学习的方法、讲课的内容是不是能够达到综合运用知识的效果进行总结，及时调整授课的思路、过程和形式。通过不断的反馈总结，使学生和老师都有一定程度的提高。而且，这种以问题为导向的教与学方式，更符合学生的认知过程，可以达到最好的教学效果。上课教师需要根据线上学习的效果不断更新教学模式、丰富教学资源、增强互动效果、改进评价机制。测评的方式可以通过问卷调查、学生反馈的方式开展，最终的目标是实现教学资源的优化和教学效果的优化。

四、教学效果反馈

采用基于虚拟仿真技术的多元混合线上教学模式，学生通过线上资源实现自主学习，加深对知识点的理解，对于发现的问题，采用师生讨论的方式解决，老师作为引导者集中点评共性或典型的问题，针对重点、难点指导学生自主学习和讨论，并给出评价加强学生的学习体验。通过计算机虚拟仿真技术与教育教学领域的结合，能够为核动力装置与设备课程的建设提供更好的思路，实现教学质量稳步提升的同时还能优化教学成果，对于推动该课程的建设和类似课程教学理念的发展具有积极的影响。

在前期的教学和科研工作中，利用计算机仿真技术开发了大量的二维及三维仿真模型，实现了虚拟模型与仿真模型的交互，对于核动力装置的组成和运行特点可以达到非常好的展示效果。利用所开发的模型，实现动态实验分析，使得传统课堂上所讲授的抽象内容变得形象和具体，对于核动力系统的结构、组成、运行特性、工作原理等相关内容都可以相对直观地展示在学生们的眼前，学生认知和理解更加容易。通过虚拟仿真技术实现的可多维展示的模型和结果保证学生对所学内容的合理掌控，学生能够理解所介绍的知识点，更加希望学习，也可以更好的实现课堂互动，促使教学成果更加优质，也可保障教学质量。

新工科建设本身就是一种教育教学理念的改革活动，需要在理论与实践层面上同时推进和拓展。新工科的“新”体现在持续的创新，如何借助新时代的网络化资源实现教学水平的持续改进和提高是必须要解决的关键问题。协同好高等教育与社会对创新型人才需求之间的关系，搭建完善的新工科教育体系，将新工科教育与社会需求紧密结合，实现教育价值最大化。基于虚拟仿真技术的多元混合线上教学模式为新工科建设提供了一个很好的方向。借助线上平台，无论是老师还是学生都可以充分发挥各自的能力，在不断的改进和创新中提高老师的教学水平和学生的综合素质，推进新工科教育的现代化。

五、结语

目前正处于社会大变革、观念大碰撞、文化大交融的时代，学生的思想观念、道德意识、价值取向越来越呈现出多元化特点，学生个体的思维方式、理解能力、学习效果都有很大的不同。传统的教学模式按照固定的思路开展教学，已经不适应新时代学生的理念，课堂上填鸭式的教学方法也不能起到最好的教学效果。基于虚拟仿真技术的多元混合线上教学模式可以充分调动线上资源、增强学生的主动性、提高教师的引导作用。同时，构建混合式育人模式，以国家需求为牵引，结合工程实践开展教学内容，针对实际问题探索解决方法和思路，对于培养学生的求真信念、求实态度、求严决心，激发干事创业、务求实效的责任感和使命感至关重要，进一步促进学生牢固树立实事求是的科学态度和科研作风。

但是在教学过程中也存在了网络环境不佳影响教学效果的情况，特别是一些偏远山区网络覆盖程度不高、信号较差，对于线上资源的使用存在困难，无法及时有效的实现交互讨论。同时线上教学对教学资源和线上平台技术保障也提出比较高的要求，需要任课教师与网络技术人员协调解决相关问题。老师需要不断的更新教学内容，网络技术人员对更新的内容进行审核和调整，最大限度的保证线上资源的消耗量最小，保证多人同时上线时的稳定性。同时，线上教学过程中也出现了个别学生不认真研讨的问题，这就需要任课老师针对学生的素质和能力给出层次化的教学内容，引起不同层次学生的学习兴趣。H

参考文献

[1]刘志鹏.民族预科大学物理多元混合线上教学模式探索[J].大学教育，2022（1）：8-12.

[2]田静.大学英语线上教学探索与反思[J].课程教学，2022，5（2）：94-96.

[3]穆肃.传统大学需要创新变革：HyFlex 课程引领未来——访美国旧金山州立大学布莱恩·贝迪博士[J].开放教育研究，2013（1）：4-8.

[4]孟香惠.基于网络课程的融合式教学模式设计与实践探索[J].中国远程教育，2013（6）：56-60.

[5]朱静.基于线上教学模式对大学生思想政治教育模式的创新研究[J].大众文艺，2022（10）：112-114.

[6]王丽，崔金玉.“大学物理"课程线上教学案例分享[J].大学物理，2021，40（2）：52-54.

[7]徐柏权.线上教学质量评价方法探析[J].大学教育，2022（03）：228-230.

基金项目：教育部产学合作协同育人项目：探究式教学模式在“核动力装置与设备”课程中的研究与实践（编号：202102135009）