基于OBE理念的“焊縫中擴散氫測定”混合實驗教學改革

摘 要 針對材料成型原理課程實驗教學中存在的問題，進行基于OBE理念的“焊縫中擴散氫測定”線上線下混合實驗教學改革，開發(fā)了“焊縫中擴散氫測定”虛擬實驗系統(tǒng)，進行實驗教學設(shè)計。使課程的原理驗證性實驗轉(zhuǎn)變?yōu)閷W習成果獲得性實驗，從明確的學習成果出發(fā)進行的教學設(shè)計可以滿足線上線下教學的自由切換需求，幫助學生獲得預定學習成果。所設(shè)計的虛擬實驗系統(tǒng)可以用于“焊縫中擴散氫測定”線上虛擬實驗教學，也可以作為線下教學的操作練習軟件。

關(guān)鍵詞 OBE理念；材料成型原理；虛擬實驗系統(tǒng)；混合實驗教學；“焊縫中擴散氫測定”實驗

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）20-0-05

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.20.136

0 引言

材料成型原理是一門幫助學生掌握材料成型基本理論的專業(yè)基礎(chǔ)課，是材料成型及控制工程專業(yè)的核心課程，對學生形成材料成型知識體系具有舉足輕重的作用。課程本身所具有的基礎(chǔ)理論特性，導致在教學過程中以教師為中心，注重理論體系完備性、注重知識傳授過程的現(xiàn)象比較突出，忽視對授課內(nèi)容的實際應用注重度不足，對學生分析問題、解決問題的能力和工程實踐能力的培養(yǎng)不夠。特別是其中的實驗教學部分，由于課程所涉及的幾個實驗都是原理性實驗，學生即使進行現(xiàn)場操作，其操作過程也是對教師操作的簡單模仿重復，導致學生學習興趣不高，學習效果比較差。

成果導向教育（Outcomes-based Education，OBE）是指基于學習產(chǎn)出的教育模式，經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，已成為美國、英國、加拿大等國家教育改革的主流理念。自美國工程認證委員會頒布和實施重視成果導向教育的EC2000認證標準后，歐美各國工程教育認證組織都先后改革了認證標準，《華盛頓協(xié)議》各成員國（或地區(qū)）大多采納了成果導向教育的認證標準[1]。OBE理念強調(diào)以學生為中心[2]，以學生取得的最終學習成果為起點，進行反向教學設(shè)計，以構(gòu)建教學體系、確定教學策略，進行自我參照評價而不是橫向比較，從而使學生逐級達到頂峰[3]。進行基于OBE理念的教學改革，正在成為我國高等工程教育改革的大趨勢?；贠BE理念的教學模式形式多種多樣，線上線下混合教學模式改革是諸多形式中被廣泛研究和實踐的一種?；旌辖虒W的形式既有大型開放式網(wǎng)絡課程，即慕課（Massive Open Online Courses，MOOC）[4]和線下教學的結(jié)合，也有小規(guī)模限制性在線課程（Small Private Online Course，SPOC）[5]和線下教學的結(jié)合，還有各種網(wǎng)絡學習平臺和即時通信工具的綜合應用。在線上線下混合教學中充分運用虛擬技術(shù)的優(yōu)勢，可以突破教學的時空限制，實現(xiàn)學習情境遷移，突破材料成型原理課程的教學困境。

虛擬實驗是指借助多媒體、仿真、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)在計算機上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實驗各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，實驗者可以像在真實環(huán)境中一樣完成各種實驗項目，所取得的實驗效果等價于甚至優(yōu)于在真實環(huán)境中所取得的效果[6]。虛擬技術(shù)與教育的融合已經(jīng)開始深度影響我國傳統(tǒng)教學模式和學習方式[7-8]。各高校的教師開展了大量的虛擬實驗課程建設(shè)，并和線上線下混合教學模式充分結(jié)合，取得了非常好的教學效果[9]。充分利用虛擬技術(shù)開展基于OBE理念的材料成型原理線上線下混合實驗教學改革，對OBE理念的全面貫徹也有十分重要的意義。本文以材料成型原理課程中的代表性實驗“焊縫中擴散氫測定”為例，進行線上線下混合實驗教學設(shè)計，開發(fā)虛擬實驗系統(tǒng)，實施基于OBE理念的混合實驗教學改革。

1 基于OBE理念的“焊縫中擴散氫測定”

混合實驗教學設(shè)計

基于OBE理念進行教學設(shè)計，要從學生取得的最終學習成果出發(fā)，進行反向教學設(shè)計：根據(jù)國家、社會、行業(yè)需求確定培養(yǎng)目標；根據(jù)培養(yǎng)目標確定畢業(yè)要求；根據(jù)畢業(yè)要求確定畢業(yè)要求指標點；根據(jù)指標點確定課程體系；根據(jù)課程體系確定教學要求；根據(jù)教學要求確定教學內(nèi)容[10]。基于OBE理念的材料成型原理課程教學目標已在前期的教學改革階段制訂完成。

根據(jù)沈陽理工大學“材料成型及控制工程專業(yè)培養(yǎng)方案2021版”，畢業(yè)指標與材料成型原理課程之間的高相關(guān)度指標為1.3“掌握解決材料成型及控制工程領(lǐng)域問題所需的專業(yè)基礎(chǔ)知識，用于分析復雜工程問題”和2.1“能夠根據(jù)所學的科學知識的基本原理識別和判斷材料成型及控制工程中復雜工程問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和參數(shù)”；中相關(guān)度指標為2.3“能夠正確表述一個材料成型及控制工程中的復雜工程問題的解決方案，并能運用基本原理分析方案的合理性”和2.4“能運用基本原理，借助文獻研究，分析本領(lǐng)域復雜工程問題解決過程中的影響因素，獲得有效結(jié)論”。

以此為根據(jù)，充分發(fā)揮線上線下教學各自優(yōu)勢，展開線上線下混合實驗教學過程設(shè)計。線上線下混合實驗教學過程流程圖如圖1所示。整個實驗教學過程分為三個階段：預習階段、實驗階段、總結(jié)階段。

1.1 預習階段

預習階段的任務是明確要取得的學習成果：識別影響焊縫中擴散氫含量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和參數(shù)，對應前文所述高相關(guān)度指標2.1。在預習階段，由實驗教師或?qū)W生建立網(wǎng)絡交流群，全體實驗相關(guān)人員進入網(wǎng)絡交流群，包括學生、實驗教師、理論課教師。由實驗教師在群里發(fā)布實驗預習材料、虛擬實驗軟件或者網(wǎng)絡版虛擬實驗網(wǎng)址。學生花少量時間預習實驗原理和實驗操作要求及注意事項，明確要取得的學習成果。教師可以在群里給學生答疑解惑。

1.2 實驗階段

實驗階段的任務是通過反復探索性操作取得學習成果。實驗階段教學流程包括兩個分支，分別對應線下教學和線上教學。

如果進行線下教學，則虛擬實驗軟件作為實驗操作練習軟件，學生在進行實驗操作之前必須進行一定次數(shù)的練習，以解決實際設(shè)備臺套數(shù)難以滿足每個學生全流程操作需求的問題。虛擬實驗軟件根據(jù)學生的練習情況進行計分，作為實驗成績的一部分。學生通過軟件熟悉實驗操作后進行分組實際操作，記錄實驗數(shù)據(jù)。

如果進行線上教學，則虛擬實驗軟件作為實驗操作軟件，對應線下實驗前的練習由學生自由進行，不作硬性要求。學生登錄軟件后，操作成功，即可記錄實驗數(shù)據(jù)。如果實驗操作失敗，可以進入軟件操作學習模式，跟隨軟件操作提示進行實驗操作學習，軟件記錄學習過程并計分，直到實驗操作成功。

1.3 總結(jié)階段

總結(jié)階段的任務是確認已取得的學習成果?？偨Y(jié)階段學生對實驗數(shù)據(jù)進行分析、歸納，總結(jié)實驗規(guī)律，撰寫實驗報告，提出對實驗進一步改進的意見和建議。學生提交實驗報告后，實驗教師根據(jù)學生的預習情況、實驗練習情況、實驗過程情況、虛擬實驗學習和操作情況、實驗數(shù)據(jù)分析情況、實驗報告撰寫情況進行考核打分，并對學生提出改進

建議。

2 基于OBE理念的“焊縫中擴散氫測定”

線上線下混合虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)

要實施基于OBE理念的線上線下混合實驗教學改革，開發(fā)適用的虛擬實驗系統(tǒng)是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)流程如圖2所示。首先對要開展的虛擬實驗所用儀器、設(shè)備進行簡化，提取關(guān)鍵要素；然后采用三維建模軟件進行儀器、設(shè)備、實驗樣品、試件建模；最后設(shè)計操作界面和操作流程，實現(xiàn)實驗的虛擬操作。

2.1 虛擬實驗儀器設(shè)備建模

“焊縫中擴散氫測定”實驗要用到的儀器、設(shè)備包括測氫儀、交流手工電弧焊機、直流手工電弧焊機、焊條烘干箱、集氣管以及卡具、吹風機、鉗子、錘子、鋼絲刷、瓷盤、絨布、丙酮、酒精、秒表、引弧板、收弧板等輔助器材。另外還要用到碳鋼試板、J422焊條、J507焊條等材料。在設(shè)計虛擬實驗前期首先要進行儀器設(shè)備建模。本文中采用UG進行儀器設(shè)備建模，然后導入Unity3D使用。圖3所示為電焊機模型。

2.2 操作界面和操作流程設(shè)計

實驗的操作界面分為三個部分：登錄界面、實驗操作界面、結(jié)果顯示界面。圖4所示為實驗操作界面，是虛擬實驗系統(tǒng)的主要工作界面。

學生要進行虛擬實驗操作，首先要通過登錄界面登錄虛擬實驗系統(tǒng)。登錄界面用于記錄操作學生的學號、姓名信息，以便于統(tǒng)計學生的練習和學習情況，并進行計分。練習和學習情況及分數(shù)記錄到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。

虛擬實驗操作流程如圖5所示。登錄到系統(tǒng)后，首先要選擇焊縫擴散氫的測量方法，這樣可以讓學生了解各種測量方法的異同，而不是只進行一種方法的操作。例如，學生選擇了甘油法，但在線上教學時不能使用，因為甘油法測量精度不夠，無法滿足高精度測量要求，國標中已經(jīng)改為水銀法測量，而水銀法不適合于線下教學使用，因為水銀毒性大，學生實驗安全性差。

實驗界面包括多個操作環(huán)節(jié)，學生需要按流程順序進行操作。在操作過程中，學生要正確識別出影響焊縫擴散氫含量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和參數(shù)，并在這些環(huán)節(jié)選擇正確的設(shè)備、工具，設(shè)定正確的工藝參數(shù)，進行正確的工藝操作。這些環(huán)節(jié)包括焊條選擇、電焊機選擇、焊條烘干、母材除油、母材除水、母材除銹、焊接工藝參數(shù)選擇。本實驗中未完全囊括所有的影響環(huán)節(jié)，如預熱、后熱、焊后熱處理等，這些環(huán)節(jié)將作為實驗后思考題留給學生進行補充。遺漏操作步驟、工具選擇錯誤、參數(shù)設(shè)定錯誤都會收到系統(tǒng)的提示，并被記錄到系統(tǒng)中。

3 教學改革效果

“焊縫中擴散氫測定”虛擬實驗系統(tǒng)設(shè)計制作完成后，于2023年春季學期在20050103、20050104兩個班級進行試用。實驗教學過程中學生反饋，預習階段學習興趣明顯提高，實驗操作更加熟練，實驗教學效果比未采用虛擬實驗系統(tǒng)前

更好。

圖6所示為“焊縫中擴散氫測定”實驗2023年春季學期學生平均成績和2022年秋季學期學生平均成績的對比情況。可以看出，使用虛擬實驗系統(tǒng)后，學生的各項平均成績都有所提高，特別是預習成績提高更加明顯。虛擬實驗系統(tǒng)的使用，讓學生在預習階段身臨其境，在虛擬世界中進行操作，對實驗過程有更直觀的感受，可以有效提高學習興趣，提高預習積極性。這種方式下學生對實驗操作過程掌握更熟練，間接提高了實驗實操能力和實驗報告撰寫質(zhì)量。

4 結(jié)束語

基于OBE理念的“焊縫中擴散氫測定”線上線下混合實驗教學改革使課程的原理驗證性實驗轉(zhuǎn)變?yōu)閷W習成果獲得性實驗，從明確的學習成果出發(fā)進行教學設(shè)計，所設(shè)計教學方案可滿足線上線下教學的自由切換需要，幫助學生獲得預定學習成果。開發(fā)了“焊縫中擴散氫測定”線上線下混合虛擬實驗系統(tǒng)，所設(shè)計的虛擬實驗系統(tǒng)可以用于“焊縫中擴散氫測定”線上虛擬實驗教學，也可以作為線下教學的操作練習軟件。

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*項目來源：2021年遼寧省普通高等教育本科教學改革研究項目“基于OBE理念的‘材料成型原理’線上線下混合教學模式改革”（基金編號：SBKJGYB-2021-06）。

作者簡介：劉愛國，博士，教授。