虛擬實(shí)驗(yàn)+互動(dòng)式教學(xué)法在《汽車試驗(yàn)學(xué)》課程中的應(yīng)用＊

趙立軍，劉清河，李偉，王劍鋒

（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海） 汽車工程學(xué)院，山東 威海 264209；2.中國汽車技術(shù)研究中心汽車工程研究院，天津 300300）

前言

《汽車試驗(yàn)學(xué)》是高校車輛工程專業(yè)學(xué)生的重要課程，其教學(xué)內(nèi)容以汽車整車性能測試、主要總成和重要部件的性能測試為主，按照“在基本理論分析的基礎(chǔ)上，通過主要性能測試來全面掌握技術(shù)性能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能分析方法”的思路，系統(tǒng)介紹試驗(yàn)原理、主要儀器設(shè)備工作原理和測量方法等。教學(xué)過程中設(shè)置有一定學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐內(nèi)容，對課程實(shí)驗(yàn)條件要求較高，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和維護(hù)的經(jīng)費(fèi)投入較大。虛擬實(shí)驗(yàn)的理念于近年來逐漸被車輛工程領(lǐng)域教師所接受，這不僅可以降低對汽車試驗(yàn)硬件條件的要求，且具有很好的教學(xué)效果。購置實(shí)驗(yàn)設(shè)備和虛擬實(shí)驗(yàn)工作并行，可以作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和方式的一種互補(bǔ)。

“互動(dòng)式教學(xué)模式”是指教師“教”和學(xué)生“學(xué)”兩個(gè)過程互相作用的整體性動(dòng)態(tài)過程，具體表現(xiàn)為教師的主導(dǎo)施教和學(xué)生的主體認(rèn)識相輔相成的課堂活動(dòng)過程。堅(jiān)持“自主、合作、探究”的教學(xué)理念，提高教學(xué)效率，既注重“雙基”的落實(shí)，又著眼于學(xué)生的發(fā)展和能力的提高，是素質(zhì)教育的根本所在。對于汽車試驗(yàn)學(xué)這種理論和實(shí)踐能力培養(yǎng)并重的課程來說，互動(dòng)式教學(xué)可以強(qiáng)化學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)意識，提升學(xué)習(xí)質(zhì)量。

可見，虛擬實(shí)驗(yàn)和互動(dòng)式教學(xué)適用于在《汽車試驗(yàn)學(xué)》中，但其應(yīng)用實(shí)踐尚未見文獻(xiàn)報(bào)道，作為有益的嘗試，值得研究與探索。

1　虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)以其低成本、高效能、靈活可靠等特點(diǎn)在現(xiàn)代化教學(xué)中開始得到越來越普遍的應(yīng)用。

國外的虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)起步較早，也有很多著名的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，比如美國加里福尼亞大學(xué)的集成電路模擬程序SPICE[1]，加拿大西北大學(xué)的虛擬物理實(shí)驗(yàn)室[2]等。國內(nèi)于上世紀(jì)九十年代末期開始將虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用在教育領(lǐng)域[3]。在車輛教學(xué)領(lǐng)域中，北京理工大學(xué)開發(fā)的坦克構(gòu)造與設(shè)計(jì)視景仿真教學(xué)平臺[4]與車輛電子控制虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺[5]已成功應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并取得了良好效果。同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院也進(jìn)行了虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在《流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)》課程中應(yīng)用的探討[6]。

虛擬實(shí)驗(yàn)可以在一定程度上緩解實(shí)驗(yàn)資源的不足，而且在設(shè)計(jì)工作過程中，學(xué)生能夠得到更好更全面的學(xué)習(xí)。從實(shí)驗(yàn)構(gòu)思、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)原理，到實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理，有一個(gè)整體的學(xué)習(xí)過程。

當(dāng)然，這要求授課教師通過收集資料、理論儲備，在課上講授虛擬實(shí)驗(yàn)知識，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并得出有意義的結(jié)論，解決以往學(xué)生對實(shí)驗(yàn)全過程認(rèn)知和理解不足的問題。這可以大大加強(qiáng)課程的學(xué)習(xí)效果，促進(jìn)學(xué)生綜合能力的鍛煉和提升，為畢業(yè)后從事該領(lǐng)域工作打下良好的基礎(chǔ)。

為此，筆者在此次教學(xué)研究過程中，將授課的學(xué)生分成12組，每組 8-10人。虛擬實(shí)驗(yàn)題目主要來源于中國汽車技術(shù)研究中心（天津）汽車工程研究院現(xiàn)有的科研試驗(yàn)設(shè)備，這樣有基本方案可供設(shè)計(jì)參考，利于制定可行的設(shè)計(jì)目標(biāo)，不至于太過盲目。當(dāng)然，虛擬實(shí)驗(yàn)過程是不能對已有設(shè)備進(jìn)行模仿甚至抄襲的，否則就失去了研究的意義。題目包括整車軸耦合疲勞耐久試驗(yàn)、四立柱輪耦合疲勞耐久試驗(yàn)室、六自由度疲勞耐久試驗(yàn)室、排氣系統(tǒng)疲勞耐久試驗(yàn)室、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)疲勞耐久試驗(yàn)室、制動(dòng)系統(tǒng)疲勞耐久試驗(yàn)臺架、開閉件疲勞耐久試驗(yàn)室、金屬件高頻疲勞耐久試驗(yàn)室、載荷譜采集及傳感器系統(tǒng)、白車身/零部件剛度試驗(yàn)室、汽車零部件材料試驗(yàn)室、減振器臺架試驗(yàn)室等。

虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)工作主要分為六個(gè)過程：功能及設(shè)計(jì)任務(wù)分析、方案論證、主體參數(shù)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)計(jì)算及分析、實(shí)驗(yàn)過程及試驗(yàn)數(shù)據(jù)模擬、經(jīng)濟(jì)性分析。在此過程中，要求每個(gè)小組內(nèi)部協(xié)作完成所有任務(wù)，這也是對協(xié)作和溝通能力的培養(yǎng)及鍛煉。

2　“互動(dòng)式”教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

經(jīng)過近年的發(fā)展，在教育界達(dá)成共識的互動(dòng)式教學(xué)模式，其關(guān)鍵環(huán)節(jié)概括為：教師的啟動(dòng)-互動(dòng)的前提、學(xué)生感悟-互動(dòng)的基礎(chǔ)、小組活動(dòng)-互動(dòng)的主體、組際交流-互動(dòng)的關(guān)鍵、成果展示-互動(dòng)的檢測和評價(jià)。通過“互動(dòng)式”教學(xué)模式可以不斷推動(dòng)師生之間的交流，更使得學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情高漲，為實(shí)現(xiàn)個(gè)性發(fā)展、發(fā)揮內(nèi)在潛能、培養(yǎng)綜合創(chuàng)新能力提供有利條件[7]。Pugsley研究發(fā)現(xiàn)，互動(dòng)式教學(xué)的成效顯著優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)方式[8]。Zakrzewska發(fā)現(xiàn)，互動(dòng)性教學(xué)方式顯著提高學(xué)習(xí)者溝通能力[9]。北京大學(xué)“世界課堂”[10]、中國醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院[11]、華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院[12]、廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院[13]等都已經(jīng)在課程中嘗試采用互動(dòng)式教學(xué)模式，重視學(xué)生探索思維的鍛煉，注重培養(yǎng)學(xué)生知識的學(xué)科交叉性，更注重高層次創(chuàng)新思維的鍛煉，增強(qiáng)了學(xué)生主體間的交往活動(dòng)，有利于促進(jìn)高校教學(xué)模式的創(chuàng)新及人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高。

對《汽車試驗(yàn)學(xué)》課程進(jìn)行全新的教學(xué)設(shè)計(jì)，在保證該課程理論知識能夠按照培養(yǎng)要求進(jìn)行傳授的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)更好的課上/課下教學(xué)內(nèi)容，高效地解決有限學(xué)時(shí)下的教學(xué)內(nèi)容講授和學(xué)習(xí)問題。將互動(dòng)式教學(xué)模式引入課堂之后，教師需要調(diào)整教學(xué)內(nèi)容的學(xué)時(shí)分配，傳統(tǒng)的純教學(xué)學(xué)時(shí)要有所壓縮。教師加強(qiáng)指導(dǎo)，根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)任務(wù)和進(jìn)度要求，為學(xué)生安排課下學(xué)習(xí)任務(wù)和虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)任務(wù)。這樣一來，課上既有教師的重點(diǎn)講授、難點(diǎn)分析和對虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)，也有學(xué)生小組講述分享自己的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。同學(xué)們帶著自己所在學(xué)習(xí)小組的任務(wù)進(jìn)行主動(dòng)學(xué)習(xí)，在教師指導(dǎo)下進(jìn)行完善和修正，最終將完成的工作以科學(xué)和直觀的形式展示。

為了提高學(xué)生的表達(dá)和展示能力，每周安排一次學(xué)生的虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)工作進(jìn)度匯報(bào)。限時(shí)5分鐘，利用PPT進(jìn)行展示，合理安排時(shí)間分配和內(nèi)容組織，在講臺上客串“主講人”，為大家介紹設(shè)計(jì)過程和成果。教師現(xiàn)場點(diǎn)評，以利于下一步的工作更加合理和順利。這對于新時(shí)代教與學(xué)的關(guān)系來說，是一種更新更有效的大學(xué)課堂教學(xué)方式。

3　“累加式”課程考核設(shè)計(jì)

累加式考核就是將包括出勤率、課堂的投入程度、回答問題的主觀能動(dòng)性、作業(yè)的完成情況、實(shí)驗(yàn)的表現(xiàn)等等教學(xué)的全過程都納入考核的范圍，并通過權(quán)重調(diào)節(jié)這些環(huán)節(jié)之間的輕重關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生做好每一個(gè)環(huán)節(jié)。推行累加式考核方法的核心和目標(biāo)是引導(dǎo)教師采用啟發(fā)式、探究式、互動(dòng)式的課堂教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)激發(fā)創(chuàng)新意識，提升創(chuàng)新能力。哈爾濱工業(yè)大學(xué)[14]、湖北工業(yè)大學(xué)[15]等在教學(xué)中采用了累加式考核體系，實(shí)踐效果出色。課程采用累加式考核是科學(xué)的，但是更加合理地體現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，是其關(guān)鍵所在。將這種虛擬實(shí)驗(yàn)考核納入課程考核中，能夠更加準(zhǔn)確地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果、知識的全面性和掌握程度，這會(huì)是一種更加科學(xué)和公平的處理方式。經(jīng)過與學(xué)生充分溝通，協(xié)商后確定課程考核方案，分為以下三部分。

（1）出勤和課上表現(xiàn)環(huán)節(jié)

滿分10分；每缺勤1學(xué)時(shí)，扣0.5分；課程對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)必須參加，實(shí)驗(yàn)報(bào)告必須認(rèn)真撰寫和按時(shí)提交；虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的匯報(bào)和考核環(huán)節(jié)必須參加。

（2）虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)給分標(biāo)準(zhǔn)說明

本環(huán)節(jié)滿分50分。按照授課教師提出的設(shè)計(jì)題目，學(xué)生設(shè)計(jì)小組內(nèi)部協(xié)作完成設(shè)計(jì)任務(wù)。六周時(shí)間內(nèi)，根據(jù)前期工作安排進(jìn)行合作學(xué)習(xí)，完成各階段的課題任務(wù)。期間各小組每周均需進(jìn)行一次進(jìn)度匯報(bào)，根據(jù)教師點(diǎn)評內(nèi)容進(jìn)行修改完善。最終進(jìn)行結(jié)題匯報(bào)和提交虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)工作報(bào)告，所有同學(xué)按照教師設(shè)計(jì)的打分表和打分要求，根據(jù)課程設(shè)計(jì)完成情況及展示效果進(jìn)行評分。在最終匯報(bào)展示后，根據(jù)本環(huán)節(jié)打分統(tǒng)計(jì)結(jié)果，將各小組分為 A、B、C三檔，各檔比例為20%、50%、30%，各檔對應(yīng)不同的成績計(jì)算權(quán)重。

小組組員的得分，由組長組織本小組成員共同商定具體的給分辦法：可以由組長根據(jù)平時(shí)表現(xiàn)和付出來初步給定，再經(jīng)組內(nèi)公示無異議之后確定；也可以在組長組織下組內(nèi)評議決定。給分標(biāo)準(zhǔn)主要參照兩個(gè)方面，組員上臺進(jìn)行進(jìn)度匯報(bào)時(shí)的展示效果，意在鼓勵(lì)組員上臺展示，此項(xiàng)為實(shí)際得分的重要參考；組員在整個(gè)課程設(shè)計(jì)任務(wù)周期內(nèi)對小組任務(wù)的貢獻(xiàn)量，根據(jù)小組各成員對課程設(shè)計(jì)任務(wù)貢獻(xiàn)度的大小進(jìn)行給分。建議組員實(shí)際得分分為50、48、45三檔。后續(xù)由授課教師組織進(jìn)行計(jì)算調(diào)節(jié)的處理工作。

（3）試卷考核環(huán)節(jié)

以閉卷和筆試試題形式進(jìn)行；試題主要考核學(xué)生對試驗(yàn)過程的分析處理能力和計(jì)算分析能力，題型以分析說明和計(jì)算說明為主。滿分為40分。

4　問卷調(diào)查及結(jié)果統(tǒng)計(jì)

按照上述教學(xué)方案和內(nèi)容實(shí)施教學(xué)過程，經(jīng)過本輪授課后，對本課程104名同學(xué)進(jìn)行課堂教學(xué)情況調(diào)查問卷，匯總后得出分析結(jié)果。

對本次采取的累加式考核方法滿意程度調(diào)查，“滿意”占53.8%，“比較滿意”占 44.2%，“比較不滿意”占 1.9%；對這種互動(dòng)式的教學(xué)方法的滿意程度調(diào)查，“滿意”占55.8%，“比較滿意”占43.3%，“比較不滿意”占1.0%；對自己主要得到的提高和收獲調(diào)查，“專業(yè)知識”占17.4%，“文獻(xiàn)查閱”占27%，“軟件應(yīng)用”占16.3%，“團(tuán)隊(duì)合作”占26.3%，“語言表達(dá)”占 13%；對在設(shè)計(jì)小組里感受到團(tuán)隊(duì)協(xié)作的重要性調(diào)查，“總是”占43.3%，“經(jīng)常”占48.1%，“偶爾”占 7.7%，“沒有”占 1.0%；對設(shè)計(jì)小組團(tuán)隊(duì)合作進(jìn)行學(xué)習(xí)認(rèn)可程度調(diào)查，“認(rèn)可”占56.7%，“比較認(rèn)可”占38.5%，“比較不認(rèn)可”占2.9%，“不認(rèn)可”占1.9%；認(rèn)為這種虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)+互動(dòng)式教學(xué)的方式還可以加強(qiáng)的方面的調(diào)查，“試驗(yàn)題目設(shè)計(jì)”占30%，“課堂教學(xué)方式”占21.5%，“小組合作方式”占50%；認(rèn)為這種教學(xué)的方式是否有繼續(xù)實(shí)踐或推廣價(jià)值的調(diào)查，“有價(jià)值”占47.6%，“比較有價(jià)值”占45.6%，“比較沒有價(jià)值”占 6.8%，“沒有價(jià)值”為0；對《汽車試驗(yàn)學(xué)》課程的學(xué)習(xí)效果和表現(xiàn)的滿意程度調(diào)查，“滿意”占34%，“比較滿意”占58.3%，“比較不滿意”占7.8%，“不滿意”為0。

可以看出，學(xué)生對本輪授課方式的滿意程度令人欣慰，同時(shí)也提出了更高的要求，這有助于教師在以后教學(xué)過程中不斷完善。

5　結(jié)論

（1）通過對《汽車試驗(yàn)學(xué)》課程進(jìn)行全新的教學(xué)設(shè)計(jì)（課上/課下環(huán)節(jié)），可以在保證講授該課程理論知識的基礎(chǔ)上，完成虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)過程，提高有限學(xué)時(shí)內(nèi)的教學(xué)質(zhì)量。

（2）學(xué)生通過收集資料、理論學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)計(jì)算分析和講解展示，完成一個(gè)完整的虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)全過程，得到知識寬度和高度提升，學(xué)習(xí)效果令人滿意。

（3）本文提出的教學(xué)方式，實(shí)現(xiàn)一定程度的課堂翻轉(zhuǎn)，活躍課堂氛圍，獲得了真正意義上的累加式考核方案，可按此理念繼續(xù)探索和研究提高教學(xué)效果和培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的教學(xué)方法。

[1] Nagel L, Pederson D. A Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis[EB/OL].(1973-4-12).http://www.eecs. berkeley.edu/ Pubs/TechRpts/1973/22871.html.

[2] 文福安.虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].中國教育信息化,2008(21):37-39.

[3] 洪洲.虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2014(6): 111-113.

[4] 姚壽文,陳巖.坦克構(gòu)造與設(shè)計(jì)的視景仿真虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2013,30(2): 86-89.

[5] 席軍強(qiáng),宗瑩,王文碩.車輛電子控制虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2015,34(1):79-83.

[6] 張智明,張娟楠,李昌昊,等.關(guān)于虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在汽車《流體力學(xué)與液壓傳動(dòng)》課程中應(yīng)用的探討[J]. 教育教學(xué)論壇, 2017(10): 265-267.

[7] 趙爾楊,孟琰,王姍.“互動(dòng)式”教學(xué)模式教學(xué)效果評估體系的構(gòu)建[J].黑龍江高教研究, 2014(10):162-164.

[8] Pugsley K, Clayton L. Traditional lecture or experiential learning:changing student attitudes[J].The Journal of Nursing Education,2003,42(11):520-523.

[9] Zakrzewska J M, Fry H, Larkin K E. A case study of methods used to tackle a common pedagogic problem in medical and dental educa tion: time pressure[J]. Medical Teacher, 2003,25(4):391-397.

[10] 顧佳峰.高等教育中的互動(dòng)式教學(xué)——以北京大學(xué)“世界課堂”為例[J].黑龍江高教研究, 2013,31(2):24-27.

[11] 杜莉莉,呂潤瀟,許靜,等.高?；?dòng)式教學(xué)模式探討[J].微生物學(xué)雜志, 2016,36(3):109-112.

[12] 魯平,廖浩,劉德明,等.基于云平臺的互動(dòng)式教學(xué)方法研究與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇, 2017(48):118-122.

[13] 曾凡.互動(dòng)式教學(xué)的意義.方法及要求論析[J].大學(xué)教育, 2017(10):180-182.

[14] 蘇小紅,趙玲玲,王甜甜,等.以機(jī)試為主.分階段多重累加式的 C程序設(shè)計(jì)課程考核體系[J].計(jì)算機(jī)教育, 2014(3):36-40.

[15] 謝海濤,王春枝,柯敏毅,等.以考評模式改革促教學(xué)模式改革--計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程漸進(jìn)式考核初探[J].卷宗, 2015(2):78-78.