職業教育數字化發展下虛擬仿真實驗教學探究
——以“建筑施工組織設計”課程為例

劉 樂 楊華山 張玉杰

(1.貴州師范大學 貴陽 550025; 2.貴州交通職業技術學院 貴陽 550081)

虛擬仿真實驗教學信息技術在教育領域具有重要作用,是教育信息化的重要組成部分[1]。王衛國在“虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議”一文中指出,虛擬仿真實驗教學旨在提升高等教育質量,全面提高學生的創新能力和實踐能力[2]。國外各大高校積極創設虛擬仿真實驗室,取得良好教學成效[3]。國內虛擬仿真教學起步雖晚,但發展迅速:如中國農業大學建立了機械與農業工程虛擬仿真實驗教學中心,中國科技大學利用虛擬仿真技術進行幾何光學實驗平臺的開發,北京郵電大學開發了集網絡、通訊、電子三門學科的虛擬實驗系統,山東農業大學自動化虛擬仿真實驗教學中心構建了較為完善的管理體系等[4]。盡管虛擬仿真實驗教學已取得不少成果,但在教學實踐中,仍存在學生學習興趣低,仿真實訓操作簡單,考核評價欠客觀等問題[5]。為助力職業教育實習實訓,提升學生專項技能操作能力與自主學習能力,文章研究將虛擬仿真技術引入“建筑施工組織設計”課程教學中,以期通過數字化信息技術建構虛擬仿真教學,助推現代職業教育信息化建設發展。

一、職業教育虛擬仿真實驗教學發展必要性

實驗教學對于激發學生的創新意識,拓展學生的創新思維,增長學生的創新技能,涵養學生的創新品格等方面的作用,是其他任何教學形式所不能代替的[6]。同傳統實驗教學相比較,虛擬仿真實驗教學特點更為突出(見表1),其重要作用如下。

表1 傳統實驗教學與虛擬仿真實驗教學特征對比

(一)提高學生動手能力

一是仿真實驗室中的環境和儀器設備等是由圖形模擬軟件和使用相應的編程技術所達到的效果,因此較少受到真實實驗環境制約,實驗儀器設備等不易受到價格影響且不會產生損耗。二是仿真實驗操作下,學生可以完成現實生活中由于政策限制、技術條件缺乏或危險性較高而不易操作的一些實驗。三是虛擬仿真作為線上教學方法,同線下實際教學相比,打破了時空的條件限制,只要教師端開放學生操作的權限,學生就能隨時隨地運用電腦設備實踐線上實驗任務,具備良好的在線學習功能。

(二)提高教學效果

一是根據尹雋等人的研究表明,仿真實驗所模擬出的真實學習場域及其教學系統更便于學生根據相關提示進行實驗操作,一定程度上降低了對學生的專業實踐要求,大部分學生都能夠正確完成,能夠有效提升學生的學習效果[7]。二是葉飛與林彥馨的研究表明,仿真實驗可以擴展學生學習的時空,讓學生從低到高、循序漸進、由淺入深地進行深度學習[8]。除此以外,在確保教學成效的基礎上還可以滿足學生個性化學習的需求,促使學生由以往的被動學習轉變為主動學習[9]。

二、職業教育虛擬仿真實驗教學發展現狀

文章通過兩個視角進行觀察。一是虛擬仿真實驗教學區域發展視角下。根據2021年《關于開展職業教育示范性虛擬仿真實訓基地建設工作的通知》,擬確定職業教育示范性虛擬仿真實訓基地培育項目215個[10]。數據顯示,東部地區(12個省份)、中部地區(9個省份)、西部地區(10個省份)分別平均擁有8.4、6.2及5.7個虛擬仿真實訓基地,所占比值分別為47%、26.5%和26%,可見職業教育虛擬仿真實驗教學地區發展規模存在較大差異,中西部地區職業院校還需加大虛擬仿真實驗教學的建設力度。二是虛擬仿真實驗教學應用研究視角下。通過中國知網縱向比較分析中等職業教育、高等職業教育虛擬仿真教學發展趨勢和研究層次,得出結果:中職院校虛擬仿真教學發展進程和研究層次均低于高職院校;職業教育虛擬仿真教學多聚焦在學科教育教學上,對于虛擬仿真實驗教學應用研究較少且鮮有涉及教學結構和教學體系建構的內容。

三、職業教育虛擬仿真實驗教學構建

基于職業教育虛擬仿真實驗教學發展不平衡及教學體系建構不完善等難題,遵循職業院校人才培養規律并結合學校辦學特色,堅持“虛實結合,互相補充,能實不虛”的原則,以“建筑施工組織設計”課程為實驗,從構建目標、構建思路、實驗教學體系構建三個角度,設計多層次、模塊化、多元評價的虛擬仿真實驗教學。

(一)構建目標

職業院校虛擬仿真實驗教學構建目標需考慮以下因素:一是企業職業崗位能力需求?！秶衣殬I教育改革實施方案》(“職教20條”)提出,堅持以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導,把職業教育擺在教育改革創新和經濟社會發展中更加突出的位置。推動職業教育對接科技發展趨勢和市場需求,以促進就業和適應產業發展需求為導向,引領職業教育服務發展、促進就業創業[11]。二是學校人才培養方案。虛擬仿真實驗教學應結合學校辦學特色,以重點學科為引領,突出人才培養特點。三是堅持虛實結合、能實不虛的原則。虛擬仿真實驗教學應以“實”為目標、“虛”為手段,揚長避短,以“虛”來加強理論知識與實踐動手操作的聯系,以“實”來提高學生解決實際問題的能力[12]。結合上述要求,“建筑施工組織設計”課程教學目標設置為知識目標、技能目標和思政目標。

(二)構建思路

1.學校網絡基礎建設

結合校園網絡技術和仿真交互多媒體技術,使學生可通過校內仿真實驗室和移動設備進行在線學習。

2.虛擬仿真實驗平臺創設

職業院?？蓱{借移動實驗室(M-Lab)、網絡實驗室(W-Lab)、虛擬仿真實驗室(V-Lab)、i-Lab云平臺等為載體進行專業實驗空間的創建,利用網絡多媒體仿真技術,根據所設專業開設相應模塊。在平臺搭建中可以運用校園網絡控制學生端權限的使用,也可以根據密匙方便校外學生的技能操作訓練,使學生逐步實現專項技能的熟練運用。

3.企業實踐整合

虛擬仿真實驗教學能夠有效改變傳統實驗教學手段單一、實驗資源不足、空間受限等問題[13]。但與現場實踐相比存在差異性,有必要引入企業實踐,幫助學生整合線上線下技能操作訓練內容。

(三)職業教育虛擬仿真實驗教學構建體系

結合上述研究目標及思路建構多層次、模塊化、多元評價的職業教育虛擬仿真實驗教學體系。虛擬仿真實驗教學體系包含專業理論認知、線上技能操作、線下企業實踐三個層次,專業理論學習、專業技能訓練、專業技能考核、專業自主實踐四個模塊,專業課程理論成績、線上技能操作表現、企業實踐鑒定結果三維評價。

四、職業教育虛擬仿真實驗教學的實施

以“建筑施工組織設計”課程“雙代號網絡計劃繪制”項目為例,按照職業教育虛擬仿真實驗教學體系要求進行教學實踐,檢驗教學效果,具體實施路徑見圖1。

圖1 職業教育虛擬仿真實驗教學實施路徑

(一)三層次教學

三層次教學是按照企業人才需求和學校培養目標,將教學任務劃分為專業理論認知、線上技能操作、線下企業實踐三個內容依次進行,其目的在于帶領學生逐步拓展仿真實驗教學模塊并由淺入深進行學習。以“雙代號網絡圖的繪制”項目為例,教學層次包含以下三點。

1.專業理論認知教學

針對學生學習經驗和積極性不足的現狀,教師通過專業理論學習虛擬仿真實驗平臺模塊引導學生進行線上專業理論知識學習。具體教學活動內容如下:首先,教師通過i-Lab云平臺上傳網絡圖的基本知識和實踐操作所涉及的理論資料,如網絡計劃技術概念、繪圖規則及相關參數計算公式(節點計算、標號法)等。網絡圖的繪制與識讀包括間接法繪制、直接法繪制。通過上述教學活動,能夠使學生熟悉網絡圖的基本知識與圖形繪制方法。其次,學生登錄虛擬實驗平臺,觀看教師上傳的網絡圖視頻和文稿資料,學習專業實踐技能點所對應的理論知識,還可通過云平臺在線交流功能實時與教師進行交流。在線學習與交互答疑功能在實現學生自主學習的同時還能滿足真實課堂互動教學,能有效提高學生的學習積極性和課堂質量。再次,教師利用云平臺后臺監控功能可查看學生是否完成了專業技能點所對應的理論知識任務,并根據教學進度發布相關理論測試。例如在“雙代號網絡圖”的基礎知識部分,教師發布任務后,系統開始自動跟蹤檢查學生完成情況,并記錄學生學習時長與學習次數,幫助教師有效掌握與調節教學進度,并根據學生學習情況隨時進行理論檢測。最后,對學生進行理論檢測,測試結果自動保存并作為理論成績評價依據。教師利用云平臺不僅可以查看學生學習節點,還能調取學生學習時長、學習次數,使線上理論檢測成績更加合理。

2.線上技能操作教學

專業理論測試結束后,教師通過專業技能訓練虛擬仿真實驗平臺和專業技能考核虛擬仿真實驗平臺,按照專業理論學習順序,依次發布實驗操作任務,學生通過前期理論學習與系統指導進行虛擬實踐訓練與實踐考核。以“雙代號網絡圖”為例,具體操作流程如下。首先,教師通過技能訓練實驗平臺發布與理論學習所對應的實踐技能訓練任務并計算參數時間(最早開始時間、最早完成時間、最遲開始時間、最遲完成時間、自由時差、總時差),參數計算結束后系統根據技能任務節點引導學生利用軟件繪制網絡圖,以此培養學生的計算能力與繪圖能力。其次,學生在技能訓練平臺內根據任務節點提示進行技能操作訓練,按照實驗流程依次計算參數后利用軟件繪制網絡圖。仿真實驗系統會根據學生操作指令進行相關提示和錯誤預警,確保學生按照合理的實驗操作流程進行操作。操作結束后,系統對任務節點內學生違規操作、練習時間及實驗結果進行實時跟蹤記錄,相關數據上傳至專業技能訓練模塊并作為學生技能操作成績依據。最后,教師根據教學進度和學生線上技能操作訓練熟練程度,在專業技能考核虛擬仿真實驗平臺發布專業技能考核任務,學生根據考核任務進行線上技能測試,測試結果由系統自動上傳至專業技能考核平臺模塊并作為學生技能操作成績依據。

3.線下企業實踐教學

企業實踐是虛擬仿真實驗教學必不可少的環節。學生在企業實踐前期,通過專業自主實踐虛擬仿真實驗平臺了解企業工程項目進度實踐技能需求,包括計算能力、繪圖能力、圖表能力、思維邏輯能力等,通過線上技能操作學習為現實實踐工作奠定基礎。學生進入企業開展實踐,將專業自主實踐平臺上的技能點與實際工作對應,由校外導師進行工作考核,以企業實踐鑒定結果作為學生考核依據。以“雙代號網絡圖”為例,線下企業不僅需要利用軟件計算出工期,還需掌握手工繪制圖例的能力,根據施工現場環境合理地對進度、造價、安全管理等進行實時調整,以此培養學生嚴謹的工作作風,提升學生的職業素養與工程倫理。通過虛擬仿真實驗教學理論認知、線上技能操作、企業實踐三者的不斷交織,學生的理論認知水平、專業技能掌握程度不斷提高。學生完成雙代號網絡圖基本知識學習與技能操作訓練后,還需進行平臺技能測試考核和企業實踐考核?？己酥笜思骖櫺热瞬排囵B方案和校外企業崗位技能需求,這樣有利于形成可持續發展的仿真實驗教學體系。

(二)四模塊平臺搭建

除了網絡軟件基礎的建設,虛擬仿真實驗教學資源建設也很重要。胡金鴻等人研究指出,虛擬仿真實驗教學資源的來源有市場購買、自行開發、校企合作開發以及共享其他高?；蛏鐣Y源[14]。四模塊平臺搭建是在政府政策支持下,運用云計算等先進技術,充分聯合社會及校內外各種資源,與企業進行合作,構建開放、智慧型的實驗云平臺。專業理論學習虛擬仿真實驗平臺負責接收與發放教師上傳的學習資料,并監控學生學習進度。例如“雙代號網絡圖”的繪制,教師上傳資料至平臺后,學生可及時接收材料進行學習。專業技能訓練虛擬仿真實驗平臺根據學生所學任務節點,依次開放對應的技能操作,使理論與實踐實時融合。學生在學習完網絡圖“節點計算法”后,可立即對此知識點進行技能操作,以此實時檢驗對知識點的吸收掌握程度。專業技能考核平臺權限由教師掌控,當教學進度和學生學習程度達到課程目標后,教師利用密鑰開放學生考核權限。專業自主實踐虛擬仿真實驗平臺是為對接學校合作企業所設置的,平臺實時更新企業崗位需求,學生可自主查詢相關資料。學生通過雙代號網絡圖技能考核后,可以根據云平臺發布的企業實踐信息進行實踐項目的選擇,到線下企業進行專業技能的操作訓練。

(三)三維評價

基于虛擬仿真實驗教學體系的內涵,以專業課程理論成績、線上技能操作表現、企業實踐鑒定結果為依據對學生進行綜合考核。專業課程理論考核主要以學生的專業理論學習和測試結果為主,數據來源于理論學習實驗平臺模塊。線上技能操作考核主要以學生的技能操作熟練度、技能考核結果、有無違規操作為主,評定數據來源于技能訓練實驗平臺模塊。企業實踐鑒定結果主要以企業對學生職業崗位能力的考核為主,考核指標具體參見企業要求。以“雙代號網絡圖”繪制為例,專業課程理論考核由專業理論學習虛擬仿真實驗平臺負責,考核的知識目標為學生是否熟悉網絡計劃基本知識與圖形繪制規則。線上技能操作表現成績由專業技能訓練、專業技能考核兩大虛擬仿真實驗平臺負責,考核的技能目標主要為正確認識雙代號網絡圖并計算時間參數、根據時間參數繪制雙代號網絡圖。企業實踐鑒定結果由專業自助實踐虛擬仿真實驗平臺負責,考核的素質指標包含學生的工作作風、計算能力、圖表能力、邏輯思維能力、繪圖能力等。綜上,學生評價由專業理論、專業技能、專業實踐三部分組成,加上學生理論知識、專業技能、職業素養三大內容,使學生考核評價兼具合理性與多樣化。

五、教學成效

以貴州省交通職業技術學院“建筑施工組織設計”課的虛擬仿真實驗教學“雙代號網絡圖”實踐為例,經過數據統計,虛擬仿真實驗教學成果見表2和表3。

表2 虛擬仿真實驗教學現狀調查結果

表3 虛擬仿真實驗教學考核得分獨立樣本T檢驗結果

(一)提升了學生認知、情感、技能三維目標

虛擬仿真實驗教學為學生提供了專業技能實踐的平臺,在這個實驗教學體系內,學生可以很快掌握專業基本技能的操作要領,通過練習,從理論認知到技能操作訓練再到企業實踐,有效提升了學生專項技能操作的熟練度,豐富了學生對于真實操作的感受,并從中學會團隊合作,通過虛擬仿真實驗操作流程有效提升學生從事基本專業工作的職業素養,間接培養了學生的道德素養。

(二)增進了學生自主學習能力

虛擬仿真實驗教學打破了傳統實驗教學中教師講授、學生聆聽的傳統模式,通過鼓勵學生線上實驗操作,使其在實驗操作中發現問題、分析問題、解決問題。虛擬仿真實驗教學提供的反復學習和反復實驗的技術更為學生積極主動學習提供了強有力的平臺支持,激發了學生自主學習的意識與實踐能力。

(三)考核評價更加多元化

同傳統實驗教學相比,三維評價打破了以教師為主導的評價模式。具體體現在以下三個方面:社會實踐方面,考量職業崗位能力需求,將學生所學技能與工作崗位需求對接,能夠促進學生就業;學校人才培養方面,三維綜合評價兼顧了以就業為導向、以能力為本位的課程教學理念,能夠拓寬學生專業知識成長空間;技能考核方面,將線下企業實踐考核納入學生學習評價指標,有利于促進專業理論與專業實踐的緊密聯系。

六、經驗與反思

職業院校采用虛擬仿真實驗教學具有提升學生認知、情感、技能三維目標,增進學生自主學習能力,考核評價更加多元等優勢。但就目前而言,文章認為仍需在以下方面進行反思與改進。一是虛擬仿真實驗教學普遍運用于普通高等學校,在職業院校的普及率并不高,只有少部分職業院校開設了虛擬實驗室。二是虛擬仿真實驗教學并不適合所有學科教學,需要根據課程實踐內容比重、操作難度、危險性等適時采用。三是在信息化教學下,學生學習隨意性加強,各職業院校應結合自身實際對教學管理以及實驗教學體系建設進行不懈探索,助力現代化職業教育的高質量發展和我國2035年建成技能型社會目標的實現。四是全國開展職業教育示范性虛擬仿真實訓基地存在地域差異,中西部地區職業院校還需加快虛擬仿真實驗教學的建設進程,努力縮小與東部地區的差距。