虛實結合的工程訓練線上線下融合教學模式的研究與實踐

萬 泉,蔡向龍,徐雯雯,劉一鳴,吳 桐

(哈爾濱理工大學機械動力工程學院,黑龍江哈爾濱,150000)

一、引言

2020年,《關于推動公共實訓基地共建共享的指導意見》鼓勵在公共實訓基地運用虛擬現實、虛擬仿真平臺、工作過程模擬軟件等,用于全面提升實驗教學質量,縮短高素質人才培養周期。該項目提出開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設,是推進現代信息技術與實驗教學項目深度融合、拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平的重要舉措。[1-2]工程訓練是一門技術性、綜合性的實踐類課程,主要目標是使大學生了解工業制造、體驗工程文化、培養工程實踐能力和科技創新能力等,作為工程類專業本科階段必修的實踐類課程,具有不可替代的作用。[3-5]

近年來,教育部大力推進信息技術與教育教學的深度融合,以信息技術應用為本質特征的虛擬仿真教學得到了各高校的廣泛重視。虛擬仿真技術在工程訓練中的應用解決了很多難題。工程實訓中心推出了工程訓練系列實踐課程“線上線下、虛實結合”新模式,這種模式不僅鍛煉學生的操作能力,還保證了教學效果。[6]但由于工程訓練實踐教學的課程資源較少,如何進行線上教學成為全國高校面臨的問題。本研究基于傳統的工程訓練教學模式存在的問題,探討構建虛實結合的實踐教學平臺的意義,推進工程訓練課程“線上線下、虛實結合”新模式,打破時間、空間限制,為學生提供更便捷、直觀的學習環境,激發學生的學習熱情。

二、存在的問題

傳統的工程訓練教學是在實訓室里,一名教師帶5—10名學生,一般按以下過程進行:下達實訓任務—安全教育—項目理論講解—操作演示—自主練習—考核。傳統的工程訓練教學模式主要通過教師的反復講解和示范開展教學,學生再進行練習,但傳統工程訓練教學模式存在以下缺點。

(一)缺乏個性化

在傳統工程訓練教學模式中,教師通常按照固定的教學計劃和時間表進行教學。由于工程訓練性質的特殊性,每個學生都有著不同的專業基礎、能力水平和學習需求,而傳統的工程訓練教學往往為了保持統一的授課效果,只能針對全班學生進行統一教學,這顯然限制了學生思維的發散性和參與課堂學習的積極性。此外,對一些已經掌握數控編程與操控、具備實踐經驗的學生來說,學習重復的知識明顯不利于其自身發展。這就導致基礎較好的學生掌握過快,而基礎較差的學生無法跟上授課進度。因此,傳統的工程訓練教學模式無法滿足每個學生的個性化需求。[7]

(二)缺乏互動

傳統的工程訓練教學模式通常以講解為主,教師在傳授知識的過程中缺乏對實際應用場景的詳細講解和演示,導致學生在實際應用場景中難以理解與運用所學知識和技能。同時,由于實訓學生數量的不確定性,教師很難與每個學生充分互動,難以培養學生的團隊合作能力和解決實際問題的能力,導致學生不能靈活地運用所學知識和技能解決實際難題。

(三)實踐機會少

傳統的工程訓練教學模式注重理論知識的傳授。學生掌握一定理論知識就參加考試,缺乏項目實踐經驗,無法將理論知識轉化為實際應用能力。而工程領域不僅需要學生具備扎實的專業理論知識,還要具備項目實踐經驗。只注重理論知識的傳授會造成學生的實踐能力不足,無法適應未來工作需求。

三、意義

虛擬仿真實驗是一種利用計算機技術和先進仿真技術,通過構建真實的實訓仿真環境,模擬工程實訓過程與結果的技術和方法。[8]虛擬仿真實驗可以在平臺上構建真實的實訓環境,提供工程實訓所需的各種工具并實時提示學生的實訓結果,提升了實驗的可視化及互動性,其界面如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實驗界面

虛擬仿真實驗與線下實機操作相結合,將極大地提升學生實訓技能掌握的熟練度。在工程實踐教學中,建立虛實結合教學平臺,具有以下優勢。

第一,降低成本。采用虛實結合技術,可以避免因為設備、材料、設施等資源缺乏而提高實驗成本,而且會減少物流成本、設備維護和更新補充等費用。

第二,安全性高。虛實結合技術可以有效減少實驗中存在的危險因素,比如高溫、高壓等對學生、設備和環境安全的威脅,增強學生的安全保障。

第三,便于管理。虛實結合技術可以在無需額外龐大空間和設施的情況下,滿足大量學生的實驗需求,實現實驗資源的合理分配和管理。

第四,難度可控。虛實結合技術可以控制實驗的難度和環境,使學生從低到高,逐步掌握實驗技巧和應對技能,防止學生實驗時面臨過多的復雜操作,導致較高錯誤率。

第五,反饋及時。虛實結合技術可以及時提供實驗結果和反饋,幫助學生及時糾正和規范實驗行為,提高學生的實驗能力,使學生可以循序漸進地摸索到恰當的解決方案。

第六,操作靈活。虛實結合技術可以按照學生的需要進行個性化的班級安排,提供不同難度的實驗題和仿真實驗環境,便于學生進行有針對性的選擇。

虛實結合的工程訓練線上線下融合教學模式,可以利用互聯網、計算機、模擬仿真、三維建模等技術進行資源的整合和平臺的構建,建立一套完善的工程訓練課程線上線下融合教學體系,從而實現工程訓練課程直播講授、設備展示、設備結構及原理展示、模擬仿真、操作演示、在線互動答疑和考核反饋等功能。在虛實結合的工程訓練線上線下融合教學模式中,學生能夠進行在線自主學習,了解實習過程中涉及工種的安全防護、基本工藝理論和設備使用等知識,了解實訓環節和設備操作,樹立工程意識。學生可以充分利用互聯網技術實現自我拓展,更好地掌握相關知識。教師可以通過大數據技術對學生的學習和互動過程進行考核評價。

四、模式構建

(一)教學實施過程設計

虛實結合的工程訓練線上線下融合教學是將“線上直播教學+線上自主學習+線下實踐操作”結合起來的一種教學新模式(圖2,見延伸閱讀),打破原有的線下理論課程講授和實操訓練方式,整個線上線下教學過程實現數字化、網絡化管理,利用大數據和互聯網技術實現實踐教學的全過程考核,并利用互聯網實現實踐操作過程的虛擬仿真,使學生學習工程訓練各個模塊課程。在了解車、銑、鉗工、鑄造、數控、3D打印、機器人等工業知識的同時,宛如身臨其境的實操過程、生動的動畫讓每個學生感受到了工業的魅力、工學并舉的底蘊,激發了學生學習的熱情。

(二)線上教學網絡平臺建設

工程訓練中心著手搭建線上教學網絡平臺,如圖3所示。線上教學活動依據教學大綱,打破傳統教學模式,嘗試將安全教育培訓、優質數字化的教學資源以教師線上直播授課、動畫、視頻等網絡流媒體方式呈現出來,提高教學效率、提升教學效果。

圖3 線上教學網絡平臺

工程訓練引導課模塊:學生進入網絡平臺后,首先要熟悉訓練環境,包括了解網絡平臺的使用界面和功能,并熟悉各種實訓工具和材料的使用方法。學生可以通過觀看教學視頻、閱讀操作手冊或參與互動教程學習這些內容。同時,學生也需要掌握必備的安全知識,以確保在實訓過程中能夠保障自身安全。這包括學習有關實驗室和工作場所的安全規定,熟悉各種實驗設備的正確使用方法,以及了解常見安全事故的防范措施。為了確保學生掌握必要的安全知識,教師需要進行安全知識考核,例如,在線答題或模擬實驗操作等。一旦學生通過了安全知識考核,他們將被授權進入下一步實訓項目課程的學習。這意味著學生已經具備了基本的工程訓練能力和安全意識,可以開始進行更具挑戰性和復雜性的實訓任務。在實訓項目課程中,學生將有機會運用所學的理論知識和實踐技能,解決實際的工程問題和完成實際的工程任務。

直播模塊:教師將優質的視頻、圖片、課件等資源,通過視頻直播軟件,圖文并茂地呈現給學生,并通過社交軟件、直播軟件等實現課堂的互動交流和答疑。

設備操作模塊:教師介紹機床的使用注意事項、安全須知,設備的組成、結構及操作方法,設備的維護及保養方法。

思政教育模塊:在網絡平臺中設置思政教育內容,將工程實踐和思政教育融合在一起,弘揚勞模精神和工匠精神,弘揚勞動光榮的社會風尚和精益求精的敬業風氣,贊頌普通勞動者在平凡崗位上堅守執著、甘于奉獻的品格。

線上考核模塊:制定具有一定挑戰性的可執行的考核標準,以鼓勵學生深度學習。

(三)虛擬實訓場景平臺搭建

工程訓練是一門以實踐為主的課程,借助虛擬仿真技術、大數據、三維建模等相關專業技術,在面向對象動態建模技術的基礎上,通過虛擬仿真技術,使學生可以運用各種逼真的虛擬儀器和設備完成相關的實訓項目。借助動態建模技術實現虛擬機床建模裝配、虛擬毛坯、虛擬刀具、虛擬工裝及多系統操作界面仿真,基本實現跟真實實驗一樣的效果。抽象實現數控系統的運動控制系統和邏輯控制系統,構建出真實的數控硬面板操作系統,在單一硬件平臺實現多系統操作。

(四)線上線下一體化考核評價體系構建

通過上述各模塊的學習后,學生將進行線下實踐操作,從而完成工程訓練課程的基本學習任務。教師將線上的結果考核和線下的過程考核結合起來,讓學生在工程訓練產品設計制造過程中將各模塊的知識進行整合,培養知識能力并達成教學目標。同時,教師通過匯總學生學習成果的達成情況,建立教學資源庫反哺教學。教師在制定評價標準時,提高對學生學習的預期,制定具有一定挑戰性的可執行的標準,以鼓勵學生深度學習。在評價過程中,教師適當分離基礎內容和創新性內容的考核,注意學生的個體和專業差異,在時間和資源上保障每個學生都有取得學習成果的機會。本研究擬采用過程評價與結果評價相結合的方式,對學生的學習成果進行綜合評價。其中,過程評價包括理論評價與實操評價,結果評價包括課程模塊學習成果評價與知識能力學習成果評價。教師對實訓學生各專業知識的掌握程度、應用相關知識分析問題和解決工程問題的能力及創新創業能力進行綜合評分,給出學生成績。

五、結語

將虛實技術與線上線下教學模式融合在一起,以“教、學、研、用”為教學理念,引導學生充分利用虛擬仿真平臺進行探索性學習,發揮主觀能動性。學生不再只是生搬硬套地將理論基礎知識背熟,而是切實地將設計、制造、技術分析、實際操作等與基礎理論知識融合,以實現在工程實訓方面的成長性發展。線上線下融合教學模式提高了學生學習的積極性、個人的創新能力和團隊精神,可以更加有效地為培養工程應用型人才服務。

《虛實結合的工程訓練線上線下融合教學模式的研究與實踐》延伸閱讀