交互模式下虛擬仿真教學(xué)的探索和研究

李文華　王景芹　趙靖英

[摘 要] 教學(xué)手段的發(fā)展和教學(xué)方法體系的豐富，是培養(yǎng)新時代高科技人才的必要途徑。將虛擬仿真教學(xué)結(jié)合交互式教學(xué)模式，經(jīng)過在“電器可靠性技術(shù)”課程中的實踐，證明其具有很強的優(yōu)越性。分析了交互式模式下虛擬仿真教學(xué)的構(gòu)成要素，重點探索了其交互設(shè)置的合理性、教師引導(dǎo)的高效性、評價體系的全面性等理論基礎(chǔ)，研究了其在課程實踐中的核心優(yōu)勢和特征。交互式虛擬仿真教學(xué)模式的實現(xiàn)是電器可靠性學(xué)科實驗教學(xué)的極大拓展，對“電器可靠性技術(shù)”課程教學(xué)質(zhì)量的提高具有深遠意義。

[關(guān)鍵詞] 虛擬仿真;交互模式;電器可靠性技術(shù)

[基金項目] 2020年度河北省高等教育學(xué)會高等教育科學(xué)研究規(guī)劃課題“電器可靠性技術(shù)的虛擬仿真實驗教學(xué)研究”（GJXH2019-18）;2019年度國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目“電器可靠性試驗、評價及失效分析虛擬仿真實驗平臺”

[作者簡介] 李文華（1973—），男，河北邢臺人，博士，河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院教授，河北省電工技術(shù)學(xué)會理事，主要從事電器可靠性技術(shù)研究;王景芹（1963—），女，河北衡水人，博士，河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院教授，主要從事電器可靠性與智能電器研究;趙靖英（1974—），女，河北保定人，博士，河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院教授，主要從事電器可靠性與智能電器研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）11-0117-04 [收稿日期] 2021-07-16

根據(jù)教育部對虛擬仿真實驗教學(xué)項目“堅持‘學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進’的原則，突出應(yīng)用驅(qū)動、資源共享，將實驗教學(xué)信息化作為高等教育系統(tǒng)性變革的內(nèi)生變量”的這一要求[1]，依托多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的虛擬仿真教學(xué)模式逐漸凸顯出其優(yōu)越性?！半娖骺煽啃约夹g(shù)”作為我校電氣工程的專業(yè)特色課，其實驗課程難以針對電氣工程專業(yè)的本科生普及開展，一直是制約該學(xué)科發(fā)展的瓶頸。本文以本科生的“電器可靠性技術(shù)”實驗教學(xué)為例，將交互式教學(xué)模式融進虛擬仿真教學(xué)，該模式的運用著力于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力及創(chuàng)新能力，為提高電器可靠性領(lǐng)域?qū)I(yè)人才的綜合素質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。

一、交互模式下虛擬仿真教學(xué)模式的創(chuàng)建背景

“電器可靠性技術(shù)”作為一門統(tǒng)籌考慮電工行業(yè)人才培養(yǎng)和社會應(yīng)用需求而開設(shè)的課程，實踐性很強，并與工程實際聯(lián)系緊密[2]，電器可靠性的研究側(cè)重于電器產(chǎn)品在規(guī)定時間或操作次數(shù)完成規(guī)定功能的能力，試驗周期從幾個月到幾年不等，過程中對樣品具有破壞性，同時設(shè)備昂貴，試樣成本高，操作具有一定的危險性。受教學(xué)學(xué)時的局限，學(xué)生難以完成從實驗方案設(shè)計、操作到失效分析這一完整的閉環(huán)流程[3，4]。作為為本科生開設(shè)的課程，以往的實驗教學(xué)主要以教師課堂授課描述實驗現(xiàn)象為主，難以開展和推廣真實實驗，嚴(yán)重制約了該課程教學(xué)水平的提高和對該方面人才的培養(yǎng)。

在傳統(tǒng)的以教師為中心的單向傳遞知識的課堂教學(xué)中，學(xué)生全程處于被動接受的狀態(tài)，無法參與教學(xué)內(nèi)容、進度和方法的安排，學(xué)習(xí)的主觀能動性和靈活性不強。近年來，新興的虛擬仿真教學(xué)為學(xué)生提供了開放式的學(xué)習(xí)環(huán)境，但在教學(xué)中產(chǎn)生了師生脫節(jié)、難以把控教學(xué)效果的現(xiàn)象[5，6]。為了解決傳統(tǒng)課堂教學(xué)和虛擬仿真教學(xué)中不同程度的教學(xué)主體重心偏離的問題，本文提出了一種交互模式下的虛擬仿真教學(xué)，該模式考慮了符合學(xué)生認知規(guī)律和知識體系構(gòu)建的交互性教學(xué)因素，協(xié)同運用靈活多樣的交互手段，最大限度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，調(diào)動學(xué)生探求知識的興趣和欲望[7-9]，促進了“電器可靠性技術(shù)”課程的教學(xué)水平和人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高。

二、交互式虛擬仿真教學(xué)的構(gòu)成要素

虛擬仿真教學(xué)作為教學(xué)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化發(fā)展的產(chǎn)物，在可靠性教學(xué)中體現(xiàn)出了巨大的優(yōu)越性。在融合交互式教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，該種教學(xué)方式既實現(xiàn)了“線上+線下”教學(xué)的優(yōu)勢互補，又實現(xiàn)了現(xiàn)實教學(xué)和虛擬教學(xué)的有序銜接。應(yīng)用于“電器可靠性技術(shù)”課程中的交互式虛擬仿真教學(xué)模式的構(gòu)成要素包括以下幾個方面。

（一）交互設(shè)置的合理性

交互活動在教學(xué)中應(yīng)進行符合學(xué)生認知規(guī)律的合理分配，在教學(xué)的不同階段和流程中進行優(yōu)化和設(shè)計，以適用于不同的交互主體，從而保證教學(xué)資源的最優(yōu)配置[10]。在應(yīng)用于“電器可靠性技術(shù)”課程中時，交互教學(xué)模式根據(jù)互動主體的不同，可分為師生交互、學(xué)生與虛擬仿真系統(tǒng)間的交互及學(xué)生間的交互。師生互動主要體現(xiàn)在課前預(yù)習(xí)任務(wù)的布置、課堂中疑難點答疑、虛擬實驗過程中疑難點的求助等。學(xué)生與虛擬仿真系統(tǒng)間的交互主要體現(xiàn)在通過人機互動進行典型電器產(chǎn)品的拆裝，以及通過系統(tǒng)的引導(dǎo)和提示獨立完成學(xué)習(xí)任務(wù)等。學(xué)生間的交流互動是在小組討論及分組完成實驗的過程中進行的，該種交互行為有助于互動雙方深化對討論點的理解，以及對疏漏和疑點盲區(qū)的查漏補缺。交互環(huán)節(jié)的合理設(shè)置是該教學(xué)模式的基礎(chǔ)要素。

（二）教師引導(dǎo)的高效性

教學(xué)活動的本質(zhì)是促進學(xué)生掌握客觀世界的運動變化規(guī)律，并使自身的基本素質(zhì)得到全面的培養(yǎng)，促進各方面能力和諧發(fā)展的過程，因此教學(xué)活動以學(xué)生為主體的觀點是毋庸置疑的。研究“教學(xué)”中“教”的含義，究其本質(zhì)是引導(dǎo)，引導(dǎo)的特征是含而不露、指而不明，即重在思路的引導(dǎo)，杜絕“填鴨式”的教學(xué)方式，給學(xué)生充分思考的余地和思維發(fā)散的空間。學(xué)生的主體地位以教師引導(dǎo)作用為實現(xiàn)條件，教師的引導(dǎo)作用是以實現(xiàn)學(xué)生的主體地位為出發(fā)點和最終歸宿。無論何種教學(xué)方式，教師在教學(xué)活動中都處于不可或缺的地位，在交互式虛擬仿真教學(xué)模式應(yīng)用于“電器可靠性技術(shù)”課程中，從課前布置預(yù)習(xí)任務(wù)、預(yù)習(xí)測試，到課堂疑難點和重點的講解，以及在學(xué)生獨立進行實驗操作時，教師通過虛擬仿真平臺進行的糾錯和提示，教師的科學(xué)引導(dǎo)具有強烈的標(biāo)志性和指引性。與此同時，教師憑借多年對電器可靠性的研究和教學(xué)經(jīng)驗，使其對學(xué)生的引導(dǎo)具有高效性，使學(xué)生在教學(xué)活動開始時就對主要的知識點有了清晰的認知和思路，能夠促使學(xué)生快速獲取課程目標(biāo)中的重點和難點，從而整體提高教學(xué)效率。

（三）評價體系的全面性

由于教學(xué)形式和內(nèi)容的豐富性，教學(xué)模式的評價內(nèi)容、評價角度和評價方式需要更為全面和多元。教學(xué)評價的環(huán)節(jié)包括對教師線下教學(xué)設(shè)計、組織實施的評價，對線上教學(xué)流程中教師的引導(dǎo)職能的評價，對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評價，以及對虛擬仿真系統(tǒng)中流程環(huán)節(jié)設(shè)置的評價，等等。在以學(xué)生為評價主體的評價體系里，要避免傳統(tǒng)的以卷面成績?yōu)閷?dǎo)向的評價方式，要注重在教學(xué)的過程中，學(xué)生的具體學(xué)習(xí)動作、實驗操作等體現(xiàn)其認知水平的具體行為，關(guān)注其整體的參與度、規(guī)范性及投入度。這種過程性的評價能夠更直觀、更立體地反映學(xué)生學(xué)習(xí)的真實效果。建立全面多元的評價體系是衡量交互式教學(xué)模式教學(xué)質(zhì)量的重要因素。

三、交互式虛擬仿真教學(xué)模式在課程實踐中的核心優(yōu)勢

本文探究的交互式虛擬仿真教學(xué)，是根據(jù)“電器可靠性技術(shù)”的課程特征、教學(xué)需求和工程實際等提出的一種新型教學(xué)模式，并依據(jù)此搭建了電器可靠性試驗、評價及失效分析虛擬仿真實驗平臺，系統(tǒng)界面見圖1。

在虛擬仿真實驗教學(xué)過程中，虛擬實驗的流程、實驗結(jié)果的呈現(xiàn)與真實場景完全一致。實驗中，在設(shè)置典型電器產(chǎn)品實驗參數(shù)后，以前期大量的可靠性數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源構(gòu)建的結(jié)果庫為依據(jù)，幾分鐘內(nèi)即可展示試驗周期為幾個月甚至幾年的結(jié)果，使電器可靠性試驗的完整呈現(xiàn)具有了可實現(xiàn)性?？煽啃栽囼灥臉悠烦闃印嶒灢僮?、可靠性設(shè)計等均由學(xué)生自主完成，實驗結(jié)束后即以仿真情景形式呈現(xiàn)出結(jié)果和數(shù)據(jù)，以便于進行相關(guān)的失效分析。

在交互式虛擬仿真教學(xué)模式的教學(xué)實踐中，設(shè)置了虛擬實驗的基礎(chǔ)元件庫、實驗課程庫、典型實驗庫、標(biāo)準(zhǔn)答案庫、規(guī)則庫、實驗數(shù)據(jù)、用戶信息庫等，實現(xiàn)對相應(yīng)數(shù)據(jù)的存放和管理，使該平臺的使用不受時間和空間的限制。豐富的資源和教學(xué)形式不僅可供在校生使用，也可面向社會開放運行，打破了真實實驗的地點局限性，為整體提升專業(yè)人才的實驗技能提供了平臺，其功能架構(gòu)見圖2。

交互式虛擬仿真教學(xué)模式經(jīng)過在電器可靠性課程中的實踐，與傳統(tǒng)的教學(xué)方式相比呈現(xiàn)出了明顯的優(yōu)越性，能夠有效解決制約電器可靠性相關(guān)實驗教學(xué)開展的瓶頸問題，取得了良好的教學(xué)成果。通過對學(xué)生進行問卷調(diào)查可知，該教學(xué)模式的教學(xué)流程設(shè)置合理，引導(dǎo)功能翔實豐富，為學(xué)生對電器可靠性的學(xué)習(xí)提供了直觀有效的途徑。

在科技不斷發(fā)展和進步的今天，先進的教學(xué)技術(shù)手段和豐富的教學(xué)方法體系是培養(yǎng)新時代高科技人才的必要途徑。河北工業(yè)大學(xué)電器可靠性研究團隊通過實踐發(fā)現(xiàn)，虛擬仿真教學(xué)極大地增強了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、參與性和自覺性，結(jié)合了交互式教學(xué)方法，使教學(xué)流程更符合學(xué)生的認知規(guī)律，可引導(dǎo)學(xué)生進行主動分析和思考，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，顯著提高了該課程的教學(xué)質(zhì)量。但是，該教學(xué)模式的推廣應(yīng)用要充分考慮不同基礎(chǔ)的學(xué)生的接受能力，科學(xué)合理安排教學(xué)內(nèi)容和進度，杜絕“形式大于內(nèi)容”的面子工程，著力于從實際出發(fā)，為電器可靠性行業(yè)培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)人才。

參考文獻

[1]左景武.產(chǎn)品造型設(shè)計虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)研究[J].機械設(shè)計與制造工程，2020，49（11）：121-124.

[2]王海濤，王景芹.《電器可靠性技術(shù)》開設(shè)實驗課程的研究[J].教育教學(xué)論壇，2013（4）：141-142.

[3]陸儉國.國內(nèi)外低壓電器可靠性概況及其發(fā)展前景[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，38（1）：1-5.

[4]王曉旭，李奎，李維濤，等.遠程控制技術(shù)在低壓電器可靠性試驗中的應(yīng)用[J].低壓電器，2010（3）：61-63.

[5]劉亞豐，余龍江，盧群偉，等.教育信息化背景下虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2018，16（2）：195-198.

[6]徐進.2013年國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作小結(jié)及2014年申報建議[J].實驗室研究與探索，2014，33（8）：1-5+25.

[7]李震彪.本科教學(xué)虛擬仿真實驗之思考[J].實驗技術(shù)與管理，2019，36（9）：5-7.

[8]劉珍芳.從教學(xué)媒體的變化看課堂交互式教學(xué)的發(fā)展[J].電化教育研究，2009（7）：103-105.

[9]張熊飛.對教師“主導(dǎo)作用”的再批判——再論教師的引導(dǎo)作用[J].中國教育學(xué)刊，2015（6）：10-14+37.

[10]楊民生，李建奇，梅彬運，等.新工科背景下信息與控制工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)與實踐[J].創(chuàng)新教育研究，2020（2）：140-146.

Exploration and Research on Virtual Simulation Teaching under Interactive Mode： Taking the

Course of? Electrical Reliability Technology as an Example

LI Wen-hua， WANG Jing-qin， ZHAO Jing-ying

（College of Electrical Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China）

Abstract： The development of teaching means and the enrichment of teaching method system are the necessary ways to cultivate high-tech talents in the new era. We combine virtual simulation teaching with interactive teaching mode. Through the practice in the course of Electrical Reliability Technology， it is proved to have some advantages. This paper analyzes the constituent elements of virtual simulation teaching in interactive mode， focuses on the theoretical basis of the rationality of its interactive setting， the efficiency of teachers’ guidance and the comprehensiveness of the evaluation system， and studies its core advantages and characteristics in curriculum practice. The realization of interactive virtual simulation teaching mode is a great expansion of the experimental teaching of electrical reliability， and has far-reaching significance for the improvement of the teaching quality of Electrical Reliability Technology.

Key words： virtual simulation; interactive mode; Electrical Reliability Technology