职业教育数字化发展下虚拟仿真实验教学探究——以“建筑施工组织设计”课程为例

刘 乐 杨华山 张玉杰

(1.贵州师范大学 贵阳 550025; 2.贵州交通职业技术学院 贵阳 550081)

虚拟仿真实验教学信息技术在教育领域具有重要作用,是教育信息化的重要组成部分[1]。王卫国在“虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议”一文中指出,虚拟仿真实验教学旨在提升高等教育质量,全面提高学生的创新能力和实践能力[2]。国外各大高校积极创设虚拟仿真实验室,取得良好教学成效[3]。国内虚拟仿真教学起步虽晚,但发展迅速:如中国农业大学建立了机械与农业工程虚拟仿真实验教学中心,中国科技大学利用虚拟仿真技术进行几何光学实验平台的开发,北京邮电大学开发了集网络、通讯、电子三门学科的虚拟实验系统,山东农业大学自动化虚拟仿真实验教学中心构建了较为完善的管理体系等[4]。尽管虚拟仿真实验教学已取得不少成果,但在教学实践中,仍存在学生学习兴趣低,仿真实训操作简单,考核评价欠客观等问题[5]。为助力职业教育实习实训,提升学生专项技能操作能力与自主学习能力,文章研究将虚拟仿真技术引入“建筑施工组织设计”课程教学中,以期通过数字化信息技术建构虚拟仿真教学,助推现代职业教育信息化建设发展。

一、职业教育虚拟仿真实验教学发展必要性

实验教学对于激发学生的创新意识,拓展学生的创新思维,增长学生的创新技能,涵养学生的创新品格等方面的作用,是其他任何教学形式所不能代替的[6]。同传统实验教学相比较,虚拟仿真实验教学特点更为突出(见表1),其重要作用如下。

表1 传统实验教学与虚拟仿真实验教学特征对比

(一)提高学生动手能力

一是仿真实验室中的环境和仪器设备等是由图形模拟软件和使用相应的编程技术所达到的效果,因此较少受到真实实验环境制约,实验仪器设备等不易受到价格影响且不会产生损耗。二是仿真实验操作下,学生可以完成现实生活中由于政策限制、技术条件缺乏或危险性较高而不易操作的一些实验。三是虚拟仿真作为线上教学方法,同线下实际教学相比,打破了时空的条件限制,只要教师端开放学生操作的权限,学生就能随时随地运用电脑设备实践线上实验任务,具备良好的在线学习功能。

(二)提高教学效果

一是根据尹隽等人的研究表明,仿真实验所模拟出的真实学习场域及其教学系统更便于学生根据相关提示进行实验操作,一定程度上降低了对学生的专业实践要求,大部分学生都能够正确完成,能够有效提升学生的学习效果[7]。二是叶飞与林彦馨的研究表明,仿真实验可以扩展学生学习的时空,让学生从低到高、循序渐进、由浅入深地进行深度学习[8]。除此以外,在确保教学成效的基础上还可以满足学生个性化学习的需求,促使学生由以往的被动学习转变为主动学习[9]。

二、职业教育虚拟仿真实验教学发展现状

文章通过两个视角进行观察。一是虚拟仿真实验教学区域发展视角下。根据2021年《关于开展职业教育示范性虚拟仿真实训基地建设工作的通知》,拟确定职业教育示范性虚拟仿真实训基地培育项目215个[10]。数据显示,东部地区(12个省份)、中部地区(9个省份)、西部地区(10个省份)分别平均拥有8.4、6.2及5.7个虚拟仿真实训基地,所占比值分别为47%、26.5%和26%,可见职业教育虚拟仿真实验教学地区发展规模存在较大差异,中西部地区职业院校还需加大虚拟仿真实验教学的建设力度。二是虚拟仿真实验教学应用研究视角下。通过中国知网纵向比较分析中等职业教育、高等职业教育虚拟仿真教学发展趋势和研究层次,得出结果:中职院校虚拟仿真教学发展进程和研究层次均低于高职院校;职业教育虚拟仿真教学多聚焦在学科教育教学上,对于虚拟仿真实验教学应用研究较少且鲜有涉及教学结构和教学体系建构的内容。

三、职业教育虚拟仿真实验教学构建

基于职业教育虚拟仿真实验教学发展不平衡及教学体系建构不完善等难题,遵循职业院校人才培养规律并结合学校办学特色,坚持“虚实结合,互相补充,能实不虚”的原则,以“建筑施工组织设计”课程为实验,从构建目标、构建思路、实验教学体系构建三个角度,设计多层次、模块化、多元评价的虚拟仿真实验教学。

(一)构建目标

职业院校虚拟仿真实验教学构建目标需考虑以下因素:一是企业职业岗位能力需求。《国家职业教育改革实施方案》(“职教20条”)提出,坚持以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导,把职业教育摆在教育改革创新和经济社会发展中更加突出的位置。推动职业教育对接科技发展趋势和市场需求,以促进就业和适应产业发展需求为导向,引领职业教育服务发展、促进就业创业[11]。二是学校人才培养方案。虚拟仿真实验教学应结合学校办学特色,以重点学科为引领,突出人才培养特点。三是坚持虚实结合、能实不虚的原则。虚拟仿真实验教学应以“实”为目标、“虚”为手段,扬长避短,以“虚”来加强理论知识与实践动手操作的联系,以“实”来提高学生解决实际问题的能力[12]。结合上述要求,“建筑施工组织设计”课程教学目标设置为知识目标、技能目标和思政目标。

(二)构建思路

1.学校网络基础建设

结合校园网络技术和仿真交互多媒体技术,使学生可通过校内仿真实验室和移动设备进行在线学习。

2.虚拟仿真实验平台创设

职业院校可凭借移动实验室(M-Lab)、网络实验室(W-Lab)、虚拟仿真实验室(V-Lab)、i-Lab云平台等为载体进行专业实验空间的创建,利用网络多媒体仿真技术,根据所设专业开设相应模块。在平台搭建中可以运用校园网络控制学生端权限的使用,也可以根据密匙方便校外学生的技能操作训练,使学生逐步实现专项技能的熟练运用。

3.企业实践整合

虚拟仿真实验教学能够有效改变传统实验教学手段单一、实验资源不足、空间受限等问题[13]。但与现场实践相比存在差异性,有必要引入企业实践,帮助学生整合线上线下技能操作训练内容。

(三)职业教育虚拟仿真实验教学构建体系

结合上述研究目标及思路建构多层次、模块化、多元评价的职业教育虚拟仿真实验教学体系。虚拟仿真实验教学体系包含专业理论认知、线上技能操作、线下企业实践三个层次,专业理论学习、专业技能训练、专业技能考核、专业自主实践四个模块,专业课程理论成绩、线上技能操作表现、企业实践鉴定结果三维评价。

四、职业教育虚拟仿真实验教学的实施

以“建筑施工组织设计”课程“双代号网络计划绘制”项目为例,按照职业教育虚拟仿真实验教学体系要求进行教学实践,检验教学效果,具体实施路径见图1。

图1 职业教育虚拟仿真实验教学实施路径

(一)三层次教学

三层次教学是按照企业人才需求和学校培养目标,将教学任务划分为专业理论认知、线上技能操作、线下企业实践三个内容依次进行,其目的在于带领学生逐步拓展仿真实验教学模块并由浅入深进行学习。以“双代号网络图的绘制”项目为例,教学层次包含以下三点。

1.专业理论认知教学

针对学生学习经验和积极性不足的现状,教师通过专业理论学习虚拟仿真实验平台模块引导学生进行线上专业理论知识学习。具体教学活动内容如下:首先,教师通过i-Lab云平台上传网络图的基本知识和实践操作所涉及的理论资料,如网络计划技术概念、绘图规则及相关参数计算公式(节点计算、标号法)等。网络图的绘制与识读包括间接法绘制、直接法绘制。通过上述教学活动,能够使学生熟悉网络图的基本知识与图形绘制方法。其次,学生登录虚拟实验平台,观看教师上传的网络图视频和文稿资料,学习专业实践技能点所对应的理论知识,还可通过云平台在线交流功能实时与教师进行交流。在线学习与交互答疑功能在实现学生自主学习的同时还能满足真实课堂互动教学,能有效提高学生的学习积极性和课堂质量。再次,教师利用云平台后台监控功能可查看学生是否完成了专业技能点所对应的理论知识任务,并根据教学进度发布相关理论测试。例如在“双代号网络图”的基础知识部分,教师发布任务后,系统开始自动跟踪检查学生完成情况,并记录学生学习时长与学习次数,帮助教师有效掌握与调节教学进度,并根据学生学习情况随时进行理论检测。最后,对学生进行理论检测,测试结果自动保存并作为理论成绩评价依据。教师利用云平台不仅可以查看学生学习节点,还能调取学生学习时长、学习次数,使线上理论检测成绩更加合理。

2.线上技能操作教学

专业理论测试结束后,教师通过专业技能训练虚拟仿真实验平台和专业技能考核虚拟仿真实验平台,按照专业理论学习顺序,依次发布实验操作任务,学生通过前期理论学习与系统指导进行虚拟实践训练与实践考核。以“双代号网络图”为例,具体操作流程如下。首先,教师通过技能训练实验平台发布与理论学习所对应的实践技能训练任务并计算参数时间(最早开始时间、最早完成时间、最迟开始时间、最迟完成时间、自由时差、总时差),参数计算结束后系统根据技能任务节点引导学生利用软件绘制网络图,以此培养学生的计算能力与绘图能力。其次,学生在技能训练平台内根据任务节点提示进行技能操作训练,按照实验流程依次计算参数后利用软件绘制网络图。仿真实验系统会根据学生操作指令进行相关提示和错误预警,确保学生按照合理的实验操作流程进行操作。操作结束后,系统对任务节点内学生违规操作、练习时间及实验结果进行实时跟踪记录,相关数据上传至专业技能训练模块并作为学生技能操作成绩依据。最后,教师根据教学进度和学生线上技能操作训练熟练程度,在专业技能考核虚拟仿真实验平台发布专业技能考核任务,学生根据考核任务进行线上技能测试,测试结果由系统自动上传至专业技能考核平台模块并作为学生技能操作成绩依据。

3.线下企业实践教学

企业实践是虚拟仿真实验教学必不可少的环节。学生在企业实践前期,通过专业自主实践虚拟仿真实验平台了解企业工程项目进度实践技能需求,包括计算能力、绘图能力、图表能力、思维逻辑能力等,通过线上技能操作学习为现实实践工作奠定基础。学生进入企业开展实践,将专业自主实践平台上的技能点与实际工作对应,由校外导师进行工作考核,以企业实践鉴定结果作为学生考核依据。以“双代号网络图”为例,线下企业不仅需要利用软件计算出工期,还需掌握手工绘制图例的能力,根据施工现场环境合理地对进度、造价、安全管理等进行实时调整,以此培养学生严谨的工作作风,提升学生的职业素养与工程伦理。通过虚拟仿真实验教学理论认知、线上技能操作、企业实践三者的不断交织,学生的理论认知水平、专业技能掌握程度不断提高。学生完成双代号网络图基本知识学习与技能操作训练后,还需进行平台技能测试考核和企业实践考核。考核指标兼顾校内人才培养方案和校外企业岗位技能需求,这样有利于形成可持续发展的仿真实验教学体系。

(二)四模块平台搭建

除了网络软件基础的建设,虚拟仿真实验教学资源建设也很重要。胡金鸿等人研究指出,虚拟仿真实验教学资源的来源有市场购买、自行开发、校企合作开发以及共享其他高校或社会资源[14]。四模块平台搭建是在政府政策支持下,运用云计算等先进技术,充分联合社会及校内外各种资源,与企业进行合作,构建开放、智慧型的实验云平台。专业理论学习虚拟仿真实验平台负责接收与发放教师上传的学习资料,并监控学生学习进度。例如“双代号网络图”的绘制,教师上传资料至平台后,学生可及时接收材料进行学习。专业技能训练虚拟仿真实验平台根据学生所学任务节点,依次开放对应的技能操作,使理论与实践实时融合。学生在学习完网络图“节点计算法”后,可立即对此知识点进行技能操作,以此实时检验对知识点的吸收掌握程度。专业技能考核平台权限由教师掌控,当教学进度和学生学习程度达到课程目标后,教师利用密钥开放学生考核权限。专业自主实践虚拟仿真实验平台是为对接学校合作企业所设置的,平台实时更新企业岗位需求,学生可自主查询相关资料。学生通过双代号网络图技能考核后,可以根据云平台发布的企业实践信息进行实践项目的选择,到线下企业进行专业技能的操作训练。

(三)三维评价

基于虚拟仿真实验教学体系的内涵,以专业课程理论成绩、线上技能操作表现、企业实践鉴定结果为依据对学生进行综合考核。专业课程理论考核主要以学生的专业理论学习和测试结果为主,数据来源于理论学习实验平台模块。线上技能操作考核主要以学生的技能操作熟练度、技能考核结果、有无违规操作为主,评定数据来源于技能训练实验平台模块。企业实践鉴定结果主要以企业对学生职业岗位能力的考核为主,考核指标具体参见企业要求。以“双代号网络图”绘制为例,专业课程理论考核由专业理论学习虚拟仿真实验平台负责,考核的知识目标为学生是否熟悉网络计划基本知识与图形绘制规则。线上技能操作表现成绩由专业技能训练、专业技能考核两大虚拟仿真实验平台负责,考核的技能目标主要为正确认识双代号网络图并计算时间参数、根据时间参数绘制双代号网络图。企业实践鉴定结果由专业自助实践虚拟仿真实验平台负责,考核的素质指标包含学生的工作作风、计算能力、图表能力、逻辑思维能力、绘图能力等。综上,学生评价由专业理论、专业技能、专业实践三部分组成,加上学生理论知识、专业技能、职业素养三大内容,使学生考核评价兼具合理性与多样化。

五、教学成效

以贵州省交通职业技术学院“建筑施工组织设计”课的虚拟仿真实验教学“双代号网络图”实践为例,经过数据统计,虚拟仿真实验教学成果见表2和表3。

表2 虚拟仿真实验教学现状调查结果

表3 虚拟仿真实验教学考核得分独立样本T检验结果

(一)提升了学生认知、情感、技能三维目标

虚拟仿真实验教学为学生提供了专业技能实践的平台,在这个实验教学体系内,学生可以很快掌握专业基本技能的操作要领,通过练习,从理论认知到技能操作训练再到企业实践,有效提升了学生专项技能操作的熟练度,丰富了学生对于真实操作的感受,并从中学会团队合作,通过虚拟仿真实验操作流程有效提升学生从事基本专业工作的职业素养,间接培养了学生的道德素养。

(二)增进了学生自主学习能力

虚拟仿真实验教学打破了传统实验教学中教师讲授、学生聆听的传统模式,通过鼓励学生线上实验操作,使其在实验操作中发现问题、分析问题、解决问题。虚拟仿真实验教学提供的反复学习和反复实验的技术更为学生积极主动学习提供了强有力的平台支持,激发了学生自主学习的意识与实践能力。

(三)考核评价更加多元化

同传统实验教学相比,三维评价打破了以教师为主导的评价模式。具体体现在以下三个方面:社会实践方面,考量职业岗位能力需求,将学生所学技能与工作岗位需求对接,能够促进学生就业;学校人才培养方面,三维综合评价兼顾了以就业为导向、以能力为本位的课程教学理念,能够拓宽学生专业知识成长空间;技能考核方面,将线下企业实践考核纳入学生学习评价指标,有利于促进专业理论与专业实践的紧密联系。

六、经验与反思

职业院校采用虚拟仿真实验教学具有提升学生认知、情感、技能三维目标,增进学生自主学习能力,考核评价更加多元等优势。但就目前而言,文章认为仍需在以下方面进行反思与改进。一是虚拟仿真实验教学普遍运用于普通高等学校,在职业院校的普及率并不高,只有少部分职业院校开设了虚拟实验室。二是虚拟仿真实验教学并不适合所有学科教学,需要根据课程实践内容比重、操作难度、危险性等适时采用。三是在信息化教学下,学生学习随意性加强,各职业院校应结合自身实际对教学管理以及实验教学体系建设进行不懈探索,助力现代化职业教育的高质量发展和我国2035年建成技能型社会目标的实现。四是全国开展职业教育示范性虚拟仿真实训基地存在地域差异,中西部地区职业院校还需加快虚拟仿真实验教学的建设进程,努力缩小与东部地区的差距。