虚拟仿真融入课程实施混合式教学改革与实践——以三维激光扫描技术课程为例

谭金石，高照忠，杨忞婧，柴新宇，左筱涵，黄炯荣

（广东工贸职业技术学院测绘遥感信息学院，广东广州 510510）

随着“互联网+”、大数据、云计算、5G 等信息技术的发展和普及，线上教育模式在高等教育领域得到广泛应用[1]。根据《国家职业教育改革实施方案》，高职教育要适应“互联网+职业教育”的需求，运用现代信息技术进行教学改革，建设优质在线课程，提供更灵活、全面的教学资源和环境，促进个性化和终身学习[2]。然而，考虑到高职学生的学情，专业课程中存在高投入、高损耗、高风险及难实施、难观摩、难再现的问题[3]，在传统教学中，教师线下“一对多”的教学模式，存在学生被动学习、缺乏互动与合作、学习积极性不高等问题[4-5]。为此，可在课程中融入虚拟仿真，并结合混合式教学模式，创造更活跃、互动和个性化的学习环境。将虚拟仿真技术融入课程，结合混合式教学模式，已成为教育现代化发展的趋势，也是高职教育的主要教学模式[6-7]。

混合式教学在国内外都获得了广泛关注，已经成为教育领域的研究热点[8]。混合式学习起源于美国[9]，主要关注混合式教学理论基础、混合式教学模式、混合式教学课程设计、混合式教学影响因素及学习分析等方面。国内的研究始于21 世纪初，近年来取得了显著的发展。教育部连续发布了一系列政策文件，强调了混合式教学的重要性，并推动学校和教育机构积极开展混合式教学的研究和实践。特别是在高等教育领域，越来越多的高校将混合式教学作为教学改革的重要抓手，引入了在线学习平台、录播课程、课堂翻转等教学模式[10]。

三维激光扫描技术是20 世纪90 年代中期出现的一项技术，是继GPS 空间定位系统之后又一项测绘技术的革命，是测绘地理信息类专业的核心专业课程。本文将虚拟仿真资源融入课程，并开展混合式教学改革，从课程知识重构与教学设计、整合混合式教学资源以及混合式教学改革实施等方面进行探讨，充分利用网络环境和科学技术来激发学生学习热情和兴趣，扩充高质量的学习资源，通过任务驱动的方式提高教学效率，并培养学生自主学习和创新实践的能力，为新形势下高等教育教学模式的改革与优化奠定基础。

1 传统教学难点分析及解决策略

1.1 传统教学难点分析

三维激光扫描技术是测绘地理信息类专业的一门核心专业课程，面向大二学生开设，共计48 学时，从技术类型上覆盖了机载激光、车载激光以及地面架站式、手持式等内容，从项目化生产流程上覆盖了设备认知与使用、外业激光扫描、内业数据预处理、行业应用等，内容覆盖面广。

课程教学主要包括理论教学和实训教学。理论教学存在原理抽象、难理解、难观摩等问题。实训教学存在设备昂贵、数量少等问题，难以满足实训要求。有些内容抽象，难以理解，存在“三高三难”问题。若采用传统教学模式，存在师生缺少互动与沟通、学生积极性差、实践机会有限、学习进度受限，缺乏灵活性和个性化教学以及无法充分使用现代技术和资源等缺点，无法充分满足学生学习激光扫描技术的需求。

1.2 虚拟仿真与混合式教学结合的策略

虚拟仿真技术是以现实为基础创设虚拟环境，借助现代化传感装置，让体验者在虚拟和现实的交互作用中获得亲临真实环境的感受和体验，从而达到教育的预期效果。虚拟仿真技术具有交互性、沉浸性、时代性和趣味性等特点[11]，通过创设、模仿真实的生活场景，突破现实生活中时间、空间领域的局限，以寓教于乐的方式全面激发学生的学习兴趣。

混合式教学模式是相对于传统教学而言的一种创新教学模式[12]，综合了线上和线下两种不同的教学优势，打破了时间、地点和教师授课方式的限制。通过运用互联网信息技术构建线上教育平台，教师可以直接进行线上授课或上传录制的学习资料供学生自主学习。同时，在线下课堂，教师根据线上课堂内容答疑讲解，重点解决学生在线上学习中遇到的问题，并采用任务教学等方法帮助学生掌握所学内容。这种教学模式将教师讲解的知识与信息技术相结合，实现了线上和线下教学的有机融合，因此，被称为“线上+线下”混合教学模式[13]。这种模式为教师和学生带来了更灵活、丰富的学习体验，并为教育教学带来了新的可能性。同时，混合教学模式颠覆了传统教学流程，使师生能够更方便地进行角色转换。在混合教学模式中，学生能够根据自己的学习情况制定个性化的学习计划。此外，该模式还为学生提供了一个开放的资源共享平台，使他们能够轻松获取优质的教育资源，促进教育的开放性和平等性。通过混合教学模式，学生可以根据自己的兴趣和需求进行学习，获得更丰富的学习体验，同时也激发了学生的学习主动性和自主性[14]。这种模式充分利用了网络和技术的优势，推动了教育的创新和发展。

2 虚实结合的混合式教学改革

2.1 知识重构与教学设计

对课程进行知识内容重构，开发虚拟仿真资源，辅助理论教学和实训。内容重构分为两个维度，一个是从数据流的维度，沿着空间数据“采集、处理、分析及应用”，另一个是从技术类型维度，包括地面激光、机载激光、车载激光及手持SLAM 等类型。同时，还将教学类型分为理论、实践和应用不同模块。授课形式分为线上、线下以及两者结合。具体的教学内容设计如表1 所示。

表1 课程结构设计

针对三维激光扫描设备的内部构造、使用操作、外业数据采集、实施过程等，以虚拟仿真实训为主，从而解决设备昂贵、数量少、风险性大等问题。

2.2 混合式教学资源整合

三维激光扫描技术课程的混合式教学采用智慧职教（也称为职教云）在线教学平台。智慧职教是一个专门为职业教育设计的教学资源库建设与应用平台系统，基于教育部职业教育专业教学资源库项目“能学、辅教”的功能定位，并按照《职业教育专业教学资源库建设工作手册（2018）》的要求进行一体化设计，以结构化课程和颗粒化资源为基础。该平台顺应了“互联网+”时代下以线上线下混合式教学为主要特征的信息化教学需求，并旨在实现创新的线上线下混合式学习模式，提升学院的教学信息化水平[15]，为院校提供了上传、存储、传播、运行、应用、维护和更新各类专业课程资源的技术服务。

课程教学资源包括在线学习平台、教学视频和讲义、线上课件和资料、实验模拟和虚拟实训、在线讨论和互动工具、案例研究和项目实践、开放教育资源、在线测验和评估工具、社交媒体和学习社群、实时互动和远程教学工具等，其中数字化课程资源包括课件PPT（64 个）、教学视频（120 个）、二维三维动画（15 个）、题库（350 个）、虚拟仿真资源（15个）、学习指南（20 个）以及教学案例（15 个）等。

2.3 混合式教学实施

混合式教学实施可以分为3 个阶段，即课前预习、课中教学和课后巩固，另外，还需要构建混合式教学的考核体系。

2.3.1 课前预习阶段

课前预习在教学中扮演着重要的角色。教师需要提前整合智慧职教在线教学平台的课前任务和要求，并通过平台将其推送给学生。学生可以自主进行课前预习，并将感兴趣的知识点、疑惑点和任务中的难点移至讨论区。该阶段主要是线上预习，不仅能够增强师生之间的交流，也能促进学生之间的互动。此外，该模块提供的数据统计功能便于教师查看学生的预习情况，并从中提炼教学内容。同时，它还有利于教师根据学生的观点、问题和困惑来有针对性地调整教学重难点，提高学生的学习兴趣。

基于线上平台的课前自主学习活动为高效课堂的实施奠定了重要基础。教师能够提前了解学生的学习情况，并根据学生的需求和反馈来调整教学内容和方法。这种活动还能够促进学生之间的互动和合作，为富有活力和高效率的课堂教学创造了良好的氛围。实施的基本流程如图1 所示。

图1 课前预习阶段基本流程

2.3.2 课中教学阶段

学生通过在线教学平台的课件和视频等资源预习知识并完成教师提前设计好的测试题，教师借助教学平台统计分析，了解学生的预习情况和薄弱点，有针对性地开展课堂教学和实训教学，以解决学生在知识应用和内化过程中遇到的困难和疑问。为了帮助学生更好地内化课堂知识，教师可以采取多种学习方法，如小组合作、专题汇报、翻转课堂等，促进学生之间的合作与交流，培养学生的团队合作能力和表达能力，同时也使学生加强了对课堂知识的理解和应用。当然，在教学过程中，仍然需要遵循教师主导、学生主体的原则。教师可以通过“授人以渔”方法推动学生综合能力的提升，这意味着教师需要引导学生主动探究和思考，通过提出问题、引导讨论等方式激发学生的思维和创造力，培养其独立学习的能力。

课中分为任务点评，知识点、技能点讲解，提问，随堂测试，讨论，技能训练等环节。教师首先对学生课前任务完成情况进行点评，然后讲解知识点、技能点，使用云课堂App 对学生知识点、技能点掌握情况进行测验提问、讨论、练习、操作等互动，最后进行教学评价与反馈。实施的基本流程如图2 所示。

图2 课中教学阶段基本流程

2.3.3 课后巩固阶段

在混合式教学中，课后巩固阶段是帮助学生巩固和应用在课堂上所学知识的重要环节。教师通过智慧职教平台提供有针对性的练习题，这些练习题需要根据教学内容，特别是重难点内容布置，具有针对性强、难易程度分布合理的特点，能够帮助学生复习和巩固课堂所学的知识，并通过多次练习对知识加深理解。教师可以使用在线学习平台，将课后练习的作业布置给学生，并及时进行批改和反馈。这样可以提高作业的时效性和效率，同时给予学生及时的指导和纠正。在课后巩固阶段，教师可以鼓励学生参与互动讨论，共同解答问题。这种互动可以促进学生之间的合作学习和知识分享，有助于学生巩固和理解知识。除了布置练习题，教师还可以提供练习题的参考答案和解析，帮助学生检查自己的答案、理解解题思路，并及时纠正错误，深入理解知识点。另外，教师可以设计一些开放性的任务或项目，让学生运用所学知识解决实际问题或完成创新性的作品，促进学生综合能力的发展，拓展知识应用的范围。对于学习能力较弱的学生，教师可以进行个别辅导，提供额外的指导和帮助。对于学习能力较强的学生，可以鼓励小组协作，让他们共同学习和探讨课堂知识，相互促进。实施的基本流程如图3所示。

图3 课后巩固阶段基本流程

2.3.4 混合式教学的考核体系

在采用线上线下混合式教学的课程中，对学生的考核是贯穿线上线下的，并且从课堂延伸至课后。因此，需要设计相应的线上线下多维度考核体系。考核类型包括过程性评价和结果性评价。考核体系主要考虑以下几个方面：（1）期末考试成绩，期末考试仍然是一种重要的考核方式，用于评估学生对整个学期所学知识的掌握程度，考试的形式可以包括选择题、填空题、解答题等，以全面评估学生的知识水平；（2）学习过程表现，除了期末考试成绩，还需要重视学生在学习过程中的表现，包括学生出勤、参与课堂讨论的积极性、作业的完成情况、实训完成情况及报告、参与小组活动的贡献等；（3）课后作业和报告，学生的课后作业和报告也可以成为考核的一部分，用于评估学生在课堂之外的学习和实践能力，教师可以布置一些探究性的作业或实践项目，由学生独立思考并完成报告，教师通过评估作业和报告，了解学生在课堂之外的学习和研究能力；（4）解决问题的综合能力，教师设计案例分析、实践项目或开放性问题，让学生运用所学知识分析与解决，教师通过评估学生解决问题的能力，了解学生对知识的理解和应用程度。

通过综合以上考核内容，可以更全面地评估学生的学习情况和综合能力，多维度的考核方式可以调动和培养学生的主动性和创造性，促进教学过程中知识输入和产出的平衡。重视学生的学习过程表现和解决问题的综合能力，可以激发学生的学习兴趣，培养学生的实际应用能力和创新能力，从而提高教学效果和学生的综合素质。具体的考核体系如表2 所示。

表2 混合式考核体系

3 实施效果与反馈

3.1 学生反馈与满意度调查

为了评估混合式教学效果，开展学生反馈和满意度调查。设计一份包含多个维度的学生评价问卷，对课程内容、在线教学资源、教学方法、教学进度、测试难度、提升教学效果、激发学生学习兴趣以及个人学习能力、团队协作能务提升等方面进行调查与分析，具体的调查内容与结果如图4 所示。根据调查结果分析，学生对在线教学资源、混合教学方法、考核方式、提升教学效果和提升个人协作能力方面满意度达95%以上。教学内容和测试难度的满意度分别为90%、81%，主要是因为教学内容相对较多，知识量较大，直接影响测试的难易程度。

图4 混合式教学满意度调查分析表

3.2 学生学业成绩的比较与分析

课程从2020 年建立数字化在线课程，2021 年开始对测绘地理信息技术专业群学生实施混合式教学，从单一的线下教学到线上线下混合教学，考核方式从单一的理论考核到多维度综合考核，在提升学生课程成绩的同时提升了学生的自学能力、团队协作能力以及解决问题的综合分析能力。针对近5 年的学生成绩统计分析（如表3 所示）得知，实施混合式教学改革以来，学生的优秀率明率提升，不及格率明显降低。同时，通过对学生学业成绩的比较与分析，教师可以更好地了解学生的学习状况和进步情况，为他们提供个性化的教学辅导和支持。同时，这也有助于教师调整教学策略和课程设置，以提高整体教学质量和学生综合能力。

表3 近5 年三维激光扫描技术课程学生成绩统计表

4 结束语

针对高职院校课程教学过程存在的问题，本文引入虚拟仿真技术，结合混合式教学改革与实践，通过建设数字化在线课程，充分发挥线上线下教学的优势；对知识内容重构，进行教学设计，建立数字化颗粒化资源，建设精品在线开放课程，并实施混合式教学改革研究与实践；在虚拟仿真教学资源的基础上，借助智慧职教在线教学平台，实施混合式教学，包括课前预习、课中教学以及课后巩固，并设计混合式教学的考核体系。根据学生反馈和满意度调查，学生对混合式教学改革满意度较高，学生的课程成绩明显提升，激发了学生的学习兴趣，提升了学生的自学能力和团队协作能力。混合式教学作为一种创新教学模式，具有重要的教育意义和发展潜力。通过深入研究和不断探索，不断改进和提升混合式教学的效果，能够为学生提供更好的学习体验和发展机会。

同时，建议学校积极支持和推广混合式教学，在教师培训和教学资源方面提供支持。教师应该更加重视学生的学习过程表现和解决问题的能力，通过鼓励学生主动参与，提高学生的学习效果和综合能力。学校和教育机构应该建立完善的评估和反馈机制，定期收集和分析学生的反馈意见，不断改进和优化混合式教学的实施。