葉向群, 王嬌君, 單 巖, 陳豐秋

(浙江大學 能源工程學院, 浙江 杭州 310027)

“理虛實”一體化教學思路實踐

葉向群, 王嬌君, 單 巖, 陳豐秋

(浙江大學 能源工程學院, 浙江 杭州 310027)

以在中國訪學交流的美國學生運用云課堂和虛擬仿真實驗軟件學習化工實驗為案例,探討以結合云課堂和虛擬仿真實驗為代表的“理虛實”一體化教學方式變革的可行性和意義所在。采用了課堂觀察、討論與問卷調查的研究方法,取得了較為滿意的調研效果。實踐證明云課堂和虛擬仿真實驗軟件是對傳統(tǒng)教學方式的有效改進,在節(jié)約教學成本、超越時間空間限制、促進學生自主學習等方面有很大優(yōu)勢。

云課堂; 虛擬仿真; 教育技術; “理虛實”一體化

化工專業(yè)作為一個重視實踐操作、強調理論積累的歷史久遠的專業(yè),一直采用了課堂理論授課和實驗相結合的傳統(tǒng)授課方法。然而很多實驗設備價格昂貴、操作復雜,實驗過程又多涉及有毒、危險的物品,為實驗教學工作的開展增加了難度。在強調理論知識、虛擬仿真練習、實訓操作相結合的“理虛實”一體化教學思路指引下,我院聯(lián)合浙大旭日科技有限公司結合現(xiàn)有技術,開發(fā)了云課堂與虛擬仿真化工實驗軟件相結合的新一代教學工具。與傳統(tǒng)的教學方式相比,云課堂集資源共享、在線學習、教學管理于一體,極大地提高了知識傳播的效率。虛擬仿真實驗軟件同時具備教、練、考3個功能,極大地緩解了實驗室資源短缺的壓力,有助于節(jié)約教學成本,促進學生自主學習。在云課堂中嵌入虛擬仿真實驗軟件,實現(xiàn)云課堂學習平臺和虛擬仿真軟件的無縫對接,并具備從Web頁面啟動軟件、實驗數(shù)據(jù)自動記錄、虛擬操作在線考試、實驗報告上傳等快捷易用的功能,大大降低了將虛擬仿真軟件應用于實際教學的門檻[1-7]。

本次研究從具體的化工實驗教學案例出發(fā),根據(jù)來自美國學生在浙江大學國際交流項目中對云課堂和虛擬仿真化工實驗軟件的使用情況,以問卷調查為主要方式收集其反饋信息并分析總結。主要探討了以云課堂和虛擬仿真實驗軟件為代表的“理虛實”一體化教學思路的意義和發(fā)展方向[8-9]。

1 研究方案

本次研究對象為參加2016年浙江大學暑期訪學交流的美國威斯康辛大學和華盛頓大學化學工程與生物工程專業(yè)大三、大四的16名本科學生。其在浙江大學學習化工實驗課程期間,使用全英文版云課堂和化工實驗仿真軟件輔助完成了化工實驗課程的學習過程。在此過程中,研究人員觀察其學習狀況、交流學習心得,還專門設計調查問卷收集系統(tǒng)性的反饋信息。問卷圍繞基本使用情況、功能評價、建設性意見、前景展望4個方面的內容,在每個方面設計1～4個不等的主觀問答題。本次調查探究了云課堂和虛擬仿真軟件對幫助學生進行化工專業(yè)學習的有效性,以及完善和提升方向,從而試圖進一步探討教學模式的變革方向。本次的研究取得令人滿意的效果。

1.1 化工實驗仿真軟件

美國學生在我校進行化工實驗課程的學習過程是這樣的,教師在云課堂中上傳教學資料并下達學習任務和目標,學生收到通知后自主獲取云課堂中的學習資源和做對應的虛擬仿真化工實驗。虛擬仿真化工實驗軟件集教、練、考3個功能于一體,可幫助學生在進入實驗室操作之前提前熟悉實驗設備并完成相關實驗預習。學生完成虛擬仿真化工實驗軟件的練習和考試后,軟件會自動保存實驗操作過程和實驗數(shù)據(jù),并給出出相關操作步驟的評分,還將數(shù)據(jù)反饋給云課堂管理系統(tǒng)。教師可在云課堂中的教師賬號中進行管理并了解學生的預習、實驗操作情況?；嶒炚n程前后共持續(xù)3個星期,每個星期有2節(jié)課時間專門在教室集中答疑與討論。學生通過云課堂和虛擬仿真化工實驗軟件完成預習之后，再參加實驗室真實的實訓操作。

本次使用的虛擬仿真化工實驗軟件,根據(jù)浙江大學現(xiàn)有的實驗課程設備建模,其中共包含管道和管件的流體阻力實驗(flow resistance of a pipeline and pipe fitting)、離心泵性能曲線測試實驗(the centrifugal pump characteristics curve)、傳熱膜系數(shù)測定實驗(determining the heat transfer film coefficient)、填料塔中的吸收實驗(absorption process in a packed column)、篩板塔中的精餾實驗(distillation process in sieve-plate column)、轉盤萃取塔和脈沖萃取塔中的傳質實驗(mass transfer in a rotary plate extraction column and a pulsed extraction column)、干燥過程的自動特征實驗(automated characterization of a drying process)和復雜精餾實驗(complex distillation experiment)8個化工實驗。學生在教師授課前,可登錄個人的云課堂賬號,在課程列表中選擇相應的實驗操作,在線運行虛擬仿真軟件完成化工實驗教、練、考3個流程的自主學習。在操作結束之后關閉虛擬仿真軟件,實驗數(shù)據(jù)即可自動傳回云課堂中的服務器,學生可查看具體操作的得分,并進行下載實驗數(shù)據(jù)、上傳實驗報告等操作。另外,學生還可在自己的云課堂帳號中查看作業(yè)任務與教學通知,可進行實驗預約。在線實驗預約具有簡單易用的人性化功能設計,使實驗室使用情況一目了然。學生和教師可根據(jù)實際情況選擇實驗時間,以充分合理利用實驗室資源,完成從虛擬到現(xiàn)實的切換。圖1是云課堂中教師查看學生虛擬仿真實驗成績的情況。

1.2 云課堂

云課堂是在互聯(lián)網技術的發(fā)展之下以云計算技術為基礎的一種在線教學資源。目前各種云課堂網站已遍地開花，比較知名的有:Coursera、可汗學院、網易公開課等。云課堂使開放教育資源OER(open education resources)得到了極大的傳播并受益于更大的群體。各類云課堂產品突破了傳統(tǒng)教學中時間和空間的限制,百花齊放各具特色[10-12]。但與目前絕大多數(shù)僅注重集中教學資源于一處的做法不同,我們所構建的云課堂不僅提供了眾多專業(yè)知識教育資源,而且也更加強調學生自主在線學習與教師監(jiān)管幫助相結合的互動教學模式。在互聯(lián)網+教學平臺的總體架構下,知識從云端被傳播到各個學生所在的移動終端,可隨時隨地輕松獲取。

教師可在云課堂體系中發(fā)布教學任務通知、進行考勤管理、查看學生預習學習進展、統(tǒng)計成績，學生則可線上提交作業(yè)、相互討論并向教師請教，進行在線答疑。學生不僅可通過云課堂下載到包括各類文案、課件、視頻、試題庫等在內齊全的專業(yè)知識教學資源,在資源共享中自主學習,而且可以通過虛擬仿真軟件進行線上練習、測試,加強鞏固對知識的理解掌握。集教、練、考功能于一體的虛擬仿真實驗教學軟件可記錄學生實驗操作過程,并生成相應的報告。云課堂教學是對傳統(tǒng)教學方式的一種改革,打破了時間和空間上的限制,創(chuàng)造更大的自由度,隨時隨地將教與學互聯(lián)[13]。圖2為云課堂中的教師端查看學生學習的進展情況。

圖2 云課堂中的教師端查看學生學習進展情況

以云課堂與虛擬仿真實驗軟件為工具完成實驗課程基本知識的掌握和鞏固,然后再通過真實的線下實驗操作驗證,這個過程詮釋了理論結合虛擬仿真實驗和實際實驗操作的“理虛實”一體化教學思路。云課堂和虛擬仿真實驗軟件的結合使用不僅大大節(jié)約了教學成本,而且提升了資源共享的效率,使學生在家即可反復多次進行練習鞏固,隨時隨地更迅速掌握實驗原理。

2 研究與分析過程

本研究主要通過實際的課堂情況考察和最后的問卷調查相結合的方法對本次云課堂結合虛擬仿真教學軟件的使用情況進行評估,既有教師視角的觀察,也有來自學生群體的真實反饋。問卷設計和調查是這一過程中的重要環(huán)節(jié),采用的調查卷以問答題的形式,從基本情況、功能評價、建設性意見、前景展望4個方面對被調查學生進行采訪,最終共回收12份反饋問卷,取得了非常寶貴的第一手研究資料。問卷見表1。

表1 問卷主要內容

表1(續(xù))

3 問卷結果分析

3.1 “基本情況”的問卷結果分析

9人表示喜歡虛擬仿真化工實驗軟件,3人持中立態(tài)度。虛擬仿真化工軟件能幫助學生做好充足的課前準備、完成自主預習,短視頻教學中展示的實驗操作幫助學生在實驗前做好預習工作、熟悉實驗設備，它不僅是很好的自學工具,甚至還可以為對實驗原理的理解提供靈感和洞見,解決一些疑惑。加上其逼真的畫面和三維漫游用戶體驗,是其在被訪學生中受歡迎的主要原因。

3.2 “功能評價”的問卷結果分析

虛擬仿真軟件最大的功用在于能幫助學生自主學習,在無人指導的情況下完成課前預習,可部分替代真實的實驗操作,為沒有實驗條件設備的學生提供替代性教學資源。7人表示虛擬仿真軟件并不會扼殺學生的創(chuàng)造力，但現(xiàn)有的軟件沒有充分考慮其他可能出現(xiàn)的各種意外操作情況,因此缺乏可自由操作的空間是目前的軟件面臨的主要問題。

3.3 “建設性意見”的問卷結果分析

首先從用戶體驗上來說,操作不靈敏、反應慢,尤其是考試的部分經常會出現(xiàn)一些故障、難控制、等待時間長,甚至中途失靈。另外在排印、翻譯上也存在錯誤,需要作進一步的修改。這些問題是短期內可以解決的技術性問題。此外,也有人認為目前的虛擬仿真軟件不是很有效的教學工具。目前軟件存在的最大缺陷是操作步驟太過單一化,不能靈活應變其他的操作情況,更沒有容許學生錯誤操作的自由空間和相關反饋。在軟件考試部分,有時需要提前記錄筆記才能想起下一步的正確操作,這反應出軟件存在模擬不夠真實的缺陷,學生需要憑借記憶力而不是理解力來找到正確的操作步驟。他們提出讓學生在實驗室中自主探索實驗操作將更有意義,更能發(fā)揮學生的主觀能動性。另外,真實實驗出現(xiàn)情況的可能性遠遠超出了軟件所能應對的情況,因而虛擬仿真與真實情況的接近程度也是一個迫切有待提升的問題。因此,就目前水平而言,虛擬仿真實驗軟件或許是很好的課前預習,但是不能完全取代真實的實驗操作,也不能完全取代在實驗室的實地示范。

3.4 “前景展望”的問卷結果分析

借助虛擬現(xiàn)實頭盔增強沉浸式的真實感體驗會是一個很大的創(chuàng)新和突破,但是為了實現(xiàn)理想的效果還是有很長的一段路程要走。在實現(xiàn)沉浸式用戶交互體驗的設想之前,因長時間配戴虛擬現(xiàn)實頭盔而造成暈眩感是一個必須要解決的問題。

4 討論與體會

本次研究通過對云課堂和虛擬仿真軟件對幫助本科生進行化工專業(yè)學習的有效性的調查分析,探討了“理虛實”一體化教學思路的可行性和現(xiàn)實意義,及其改進方向和未來展望。本次研究對于如何充分發(fā)揮現(xiàn)代信息技術在教育領域中的作用,創(chuàng)新教育模式和方法,提升教學效率,從而真正落實“理虛實”一體化教學思路的構想具有切實可行的指導意義。

“理虛實”一體化教學思路主張將“理論知識”“虛擬仿真練習”“實訓操作”三者相結合能幫助學生更好地學習知識并獲得實操技能[14]。

云課堂提供了資源共享的有效途徑。它將現(xiàn)實中的教室搬到了網絡的空間課堂。教師可以在云課堂中發(fā)布通知、監(jiān)督學生的學習情況；學生可在云課堂中下載學習資源,上傳作業(yè)、實驗報告。以此實現(xiàn)師生互動、在線交流，而且用戶可隨時隨地對云課堂進行操作,更具有靈活性,更方便快捷。

虛擬仿真實驗軟件集“教”“練”“考”3個功能于一體。“教”的部分通過視頻演示實驗操作流程,讓學生初步了解正確的實驗操作步驟?！熬殹钡牟糠衷试S學生反復練習實驗的流程,加強鞏固。“考”的部分是對學生掌握實驗程度的一個測驗,它會自動記錄學生在這個過程中產生的操作信息并對操作步驟的正確與否做出評價,有利于學生對自己的知識掌握情況進行查漏補缺；它還能自動記錄實驗數(shù)據(jù),生成相應的Excel表格,清晰整潔準確,便于學生收集實驗數(shù)據(jù),完成實驗分析和報告。

傳統(tǒng)的教學方式缺乏虛擬仿真實驗操作的環(huán)節(jié),通常是在教師完成理論授課后直接為學生安排實驗。在一些操作復雜、設備不足、學生人數(shù)又多的情況下,學生往往會因為對實驗沒有充足的理解和準備而在現(xiàn)場實驗中手足無措,導致學習效率低下、浪費時間和資源,甚至會增加學生的心理負擔。而虛擬仿真軟件作為實驗前的準備和演練,為學生搭建了從理論到實際的橋梁,易學易用,是“理虛實”一體化教學思路的亮點所在。云課堂不僅是對傳統(tǒng)的教學方式的一種突破,也是互聯(lián)網時代隨時隨地、人人都可參與的資源共享精神的一種表達。虛擬仿真實驗軟件具有“好看、好玩、好用”的特點。把現(xiàn)實中的實驗操作搬到計算機上進行仿真訓練,不僅可以起到很好的課前預習效果,還能降低一些有毒、有害的化工實驗操作的危險性,節(jié)省成本。虛擬仿真實驗軟件增加了實驗操作的趣味性,達到了寓學于樂的目的。

5 結語

本次研究以較小的樣本群體為調查對象,初步探討了在“理虛實”一體化教學思路的指導之下,以云課堂和虛擬仿真實驗軟件形式并存的創(chuàng)新型教學思路改革在實際操作中的現(xiàn)有成果和改進方向。云課堂和虛擬仿真實驗教學軟件對推動教學變革、提升教學效率所能產生的影響及其本身所需要的優(yōu)化設計還需進一步實驗深入探究。融入沉浸式體驗的虛擬現(xiàn)實技術的教學方式充滿吸引力,將帶來比虛擬仿真教學實驗軟件更進一步的真實感。然而在實現(xiàn)的道路上還有很長的路程要走。

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Practice on teaching thought with “Theoretical-Virtual-Real”integration

Ye Xiangqun, Wang Jiaojun， Shan Yan, Chen Fengqiu

(College of Chemical and Biological Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027, China)

The feasibility and practical meaning of the teaching method with “Theoretical-Virtual-Real” integration practice are carefully discussed during the process of a group of American students doing chemical engineering experiment by using the online cloud class with virtual simulation software. The research method mainlyincludes observation and discussion in the classroom as well as questionnaire survey. It’s proven that the way of teaching by cloud class with virtual simulation software is a creative and effective improvement from traditional teaching method. It has a big advantage in saving educational costs and helping students to learn by themselves anywhere anytime.

cloud class; virtual simulation; educational technology; “Theoretical-Virtual-Real” integration

2016-10-14

葉向群(1965—)，女，上海，工學碩士，高級工程師，化工實驗室主任，研究方向為化學工程與實驗教學

王嬌君(1992—)，女，浙江仙居，碩士生，研究方向為虛擬仿真，動力工程.

E-mail：sunnysherry@foxmail.com

TP391.9;G642.0

A

1002-4956(2017)5-0001-04