虚实结合的工程训练线上线下融合教学模式的研究与实践

一、引言2020年,《关于推动公共实训基地共建共享的指导意见》鼓励在公共实训基地运用虚拟现实、虚拟仿真平台、工作过程模拟软件等,用于全面提升实验教学质量,缩短高素质人才培养周期。该项目提出开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设,是推进现代信息技术与实验教学项目深度融合、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措。[1-2]工程训练是一门技术性、综合性的实践类课程,主要目标是使大学生了解工业制造、体验工程文化、培养工程实践能力和科技创新能力等,作为工程类专业本科阶段必修的实践类课程,具有不可替代的作用。[3-5]近年来,教育部大力推进信息技术与教育教学的深度融合,以信息技术应用为本质特征的虚拟仿真教学得到了各高校的广泛重视。虚拟仿真技术在工程训练中的应用解决了很多难题。工程实训中心推出了工程训练系列实践课程“线上线下、虚实结合”新模式,这种模式不仅锻炼学生的操作能力,还保证了教学效果。[6]但由于工程训练实践教学的课程资源较少,如何进行线上教学成为全国高校面临的问题。本研究基于传统的工程训练教学模式存在的问题,探讨构建虚实结合的实践教学平台的意义,推进工程训练课程“线上线下、虚实结合”新模式,打破时间、空间限制,为学生提供更便捷、直观的学习环境,激发学生的学习热情。二、存在的问题传统的工程训练教学是在实训室里,一名教师带5—10名学生,一般按以下过程进行:下达实训任务—安全教育—项目理论讲解—操作演示—自主练习—考核。传统的工程训练教学模式主要通过教师的反复讲解和示范开展教学,学生再进行练习,但传统工程训练教学模式存在以下缺点。(一)缺乏个性化在传统工程训练教学模式中,教师通常按照固定的教学计划和时间表进行教学。由于工程训练性质的特殊性,每个学生都有着不同的专业基础、能力水平和学习需求,而传统的工程训练教学往往为了保持统一的授课效果,只能针对全班学生进行统一教学,这显然限制了学生思维的发散性和参与课堂学习的积极性。此外,对一些已经掌握数控编程与操控、具备实践经验的学生来说,学习重复的知识明显不利于其自身发展。这就导致基础较好的学生掌握过快,而基础较差的学生无法跟上授课进度。因此,传统的工程训练教学模式无法满足每个学生的个性化需求。[7](二)缺乏互动传统的工程训练教学模式通常以讲解为主,教师在传授知识的过程中缺乏对实际应用场景的详细讲解和演示,导致学生在实际应用场景中难以理解与运用所学知识和技能。同时,由于实训学生数量的不确定性,教师很难与每个学生充分互动,难以培养学生的团队合作能力和解决实际问题的能力,导致学生不能灵活地运用所学知识和技能解决实际难题。(三)实践机会少传统的工程训练教学模式注重理论知识的传授。学生掌握一定理论知识就参加考试,缺乏项目实践经验,无法将理论知识转化为实际应用能力。而工程领域不仅需要学生具备扎实的专业理论知识,还要具备项目实践经验。只注重理论知识的传授会造成学生的实践能力不足,无法适应未来工作需求。三、意义虚拟仿真实验是一种利用计算机技术和先进仿真技术,通过构建真实的实训仿真环境,模拟工程实训过程与结果的技术和方法。[8]虚拟仿真实验可以在平台上构建真实的实训环境,提供工程实训所需的各种工具并实时提示学生的实训结果,提升了实验的可视化及互动性,其界面如图1所示。图1虚拟仿真实验界面虚拟仿真实验与线下实机操作相结合,将极大地提升学生实训技能掌握的熟练度。在工程实践教学中,建立虚实结合教学平台,具有以下优势。第一,降低成本。采用虚实结合技术,可以避免因为设备、材料、设施等资源缺乏而提高实验成本,而且会减少物流成本、设备维护和更新补充等费用。第二,安全性高。虚实结合技术可以有效减少实验中存在的危险因素,比如高温、高压等对学生、设备和环境安全的威胁,增强学生的安全保障。第三,便于管理。虚实结合技术可以在无需额外庞大空间和设施的情况下,满足大量学生的实验需求,实现实验资源的合理分配和管理。第四,难度可控。虚实结合技术可以控制实验的难度和环境,使学生从低到高,逐步掌握实验技巧和应对技能,防止学生实验时面临过多的复杂操作,导致较高错误率。第五,反馈及时。虚实结合技术可以及时提供实验结果和反馈,帮助学生及时纠正和规范实验行为,提高学生的实验能力,使学生可以循序渐进地摸索到恰当的解决方案。第六,操作灵活。虚实结合技术可以按照学生的需要进行个性化的班级安排,提供不同难度的实验题和仿真实验环境,便于学生进行有针对性的选择。虚实结合的工程训练线上线下融合教学模式,可以利用互联网、计算机、模拟仿真、三维建模等技术进行资源的整合和平台的构建,建立一套完善的工程训练课程线上线下融合教学体系,从而实现工程训练课程直播讲授、设备展示、设备结构及原理展示、模拟仿真、操作演示、在线互动答疑和考核反馈等功能。在虚实结合的工程训练线上线下融合教学模式中,学生能够进行在线自主学习,了解实习过程中涉及工种的安全防护、基本工艺理论和设备使用等知识,了解实训环节和设备操作,树立工程意识。学生可以充分利用互联网技术实现自我拓展,更好地掌握相关知识。教师可以通过大数据技术对学生的学习和互动过程进行考核评价。四、模式构建(一)教学实施过程设计虚实结合的工程训练线上线下融合教学是将“线上直播教学+线上自主学习+线下实践操作”结合起来的一种教学新模式(图2,见延伸阅读),打破原有的线下理论课程讲授和实操训练方式,整个线上线下教学过程实现数字化、网络化管理,利用大数据和互联网技术实现实践教学的全过程考核,并利用互联网实现实践操作过程的虚拟仿真,使学生学习工程训练各个模块课程。在了解车、铣、钳工、铸造、数控、3D打印、机器人等工业知识的同时,宛如身临其境的实操过程、生动的动画让每个学生感受到了工业的魅力、工学并举的底蕴,激发了学生学习的热情。(二)线上教学网络平台建设工程训练中心着手搭建线上教学网络平台,如图3所示。线上教学活动依据教学大纲,打破传统教学模式,尝试将安全教育培训、优质数字化的教学资源以教师线上直播授课、动画、视频等网络流媒体方式呈现出来,提高教学效率、提升教学效果。图3线上教学网络平台工程训练引导课模块:学生进入网络平台后,首先要熟悉训练环境,包括了解网络平台的使用界面和功能,并熟悉各种实训工具和材料的使用方法。学生可以通过观看教学视频、阅读操作手册或参与互动教程学习这些内容。同时,学生也需要掌握必备的安全知识,以确保在实训过程中能够保障自身安全。这包括学习有关实验室和工作场所的安全规定,熟悉各种实验设备的正确使用方法,以及了解常见安全事故的防范措施。为了确保学生掌握必要的安全知识,教师需要进行安全知识考核,例如,在线答题或模拟实验操作等。一旦学生通过了安全知识考核,他们将被授权进入下一步实训项目课程的学习。这意味着学生已经具备了基本的工程训练能力和安全意识,可以开始进行更具挑战性和复杂性的实训任务。在实训项目课程中,学生将有机会运用所学的理论知识和实践技能,解决实际的工程问题和完成实际的工程任务。直播模块:教师将优质的视频、图片、课件等资源,通过视频直播软件,图文并茂地呈现给学生,并通过社交软件、直播软件等实现课堂的互动交流和答疑。设备操作模块:教师介绍机床的使用注意事项、安全须知,设备的组成、结构及操作方法,设备的维护及保养方法。思政教育模块:在网络平台中设置思政教育内容,将工程实践和思政教育融合在一起,弘扬劳模精神和工匠精神,弘扬劳动光荣的社会风尚和精益求精的敬业风气,赞颂普通劳动者在平凡岗位上坚守执着、甘于奉献的品格。线上考核模块:制定具有一定挑战性的可执行的考核标准,以鼓励学生深度学习。(三)虚拟实训场景平台搭建工程训练是一门以实践为主的课程,借助虚拟仿真技术、大数据、三维建模等相关专业技术,在面向对象动态建模技术的基础上,通过虚拟仿真技术,使学生可以运用各种逼真的虚拟仪器和设备完成相关的实训项目。借助动态建模技术实现虚拟机床建模装配、虚拟毛坯、虚拟刀具、虚拟工装及多系统操作界面仿真,基本实现跟真实实验一样的效果。抽象实现数控系统的运动控制系统和逻辑控制系统,构建出真实的数控硬面板操作系统,在单一硬件平台实现多系统操作。(四)线上线下一体化考核评价体系构建通过上述各模块的学习后,学生将进行线下实践操作,从而完成工程训练课程的基本学习任务。教师将线上的结果考核和线下的过程考核结合起来,让学生在工程训练产品设计制造过程中将各模块的知识进行整合,培养知识能力并达成教学目标。同时,教师通过汇总学生学习成果的达成情况,建立教学资源库反哺教学。教师在制定评价标准时,提高对学生学习的预期,制定具有一定挑战性的可执行的标准,以鼓励学生深度学习。在评价过程中,教师适当分离基础内容和创新性内容的考核,注意学生的个体和专业差异,在时间和资源上保障每个学生都有取得学习成果的机会。本研究拟采用过程评价与结果评价相结合的方式,对学生的学习成果进行综合评价。其中,过程评价包括理论评价与实操评价,结果评价包括课程模块学习成果评价与知识能力学习成果评价。教师对实训学生各专业知识的掌握程度、应用相关知识分析问题和解决工程问题的能力及创新创业能力进行综合评分,给出