龔成勇 韓偉 王之君 何香如

摘要：文章以《水電站》課程虛擬仿真實驗為例，研究其成績評價方法，通過研究虛擬仿真實驗的特征、評估方法演變及改革思路與模式設計，進行實踐應用。經(jīng)過學生學習效果分析和實踐證明，采用多元評價方法評價虛擬仿真實驗教學成績，不僅符合教學規(guī)律，適應教學模式，滿足課程教學要求，而且在教學各環(huán)節(jié)均能起到提高學生學習主動性的作用，極大地提高了虛擬仿真實驗教學成績評價的客觀性和準確性。

關鍵詞：虛擬仿真實驗;教學效果;多元評價方法;能力培養(yǎng)

中圖分類號：G642.1 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：1673-8454（2020）06-0051-06

一、引言

虛擬仿真實驗是學科專業(yè)與信息技術深度融合的產(chǎn)物，虛擬仿真實驗教學突破了高校傳統(tǒng)的實驗教學模式，是當前實驗教學的發(fā)展方向[1]。虛擬仿真實驗是通過模擬真實的實驗操作環(huán)境和實驗對象，使學生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開展實驗[2]。虛擬仿真實驗教學除了具有重要的技術特征外，還要滿足教學大綱的要求[3]。

筆者認為虛擬仿真實驗教學是利用計算機網(wǎng)絡、多媒體、信息、數(shù)據(jù)可視化、虛擬現(xiàn)實和人機交互等技術，融合相關專業(yè)原理和數(shù)據(jù)信息，派生出來的教學形式，其遵從教學的基本規(guī)律，具有傳統(tǒng)教學的基本屬性，像其他課程教學一樣，由各環(huán)節(jié)構成了一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)的關鍵組成主要包括教學主體、教學內(nèi)容、教學方法、教學載體、實施策略、教學反饋與監(jiān)管、教學評價和教學進化與發(fā)展等。

隨著本科生虛擬仿真實驗的普及，其教學效果如何考核以及學生成果如何評價，成為本科生課程考核的新問題。蘭州理工大學水利水電工程系開設虛擬仿真實驗以來，筆者對其進行了深入研究，結合多年教學考核評價的積累，逐步提出針對虛擬仿真實驗課程相關的考核方法并不斷完善，以便建立一整套適用于虛擬仿真實驗的、操作性較強的、具有指標科學明確的質量評估體系。

課程教學多元化考核方法是高等教育發(fā)展的必然趨勢，虛擬仿真實驗教學作為新型的教學手段，其考核方式較傳統(tǒng)教學模式而言，采用多元的考核方式有良好的先決條件?；诖耍P者對水利水電工程專業(yè)骨干核心課程《水電站》進行了教學改革，通過混合式和項目式教學項目的建設、改革與教學實踐，開設了4學時的課內(nèi)虛擬仿真實驗，并將課程的虛擬仿真實驗作為考核的分項，成績列入課程成績。

白冬松[4]等指出虛擬仿真實驗教學可以有效解決傳統(tǒng)實驗教學缺乏統(tǒng)一、客觀、全面、系統(tǒng)的評價考核實驗操作過程這一弊端。但由于課程特點和教學環(huán)節(jié)存在差異，需要探討如何將多元化的考核方法科學合理地應用于《水電站》課程虛擬仿真實驗的教學。我國高等學校課程教學呈現(xiàn)多樣化的形式，考核方法也逐步采用多元化的方法，因此，構建虛擬仿真實驗教學多元評價體具有極為重要的意義。

二、構建《水電站》課程虛擬仿真實驗教學的多元化評價方法

1.《水電站》課程虛擬仿真實驗教學能力分解

面對現(xiàn)代水電站工程愈來愈呈現(xiàn)出“空間體量巨大、結構類型多樣、施工周期漫長、管理關系復雜”的趨勢，加之《水電站》課程涉及水工建筑物學、水能水利規(guī)劃學、水力機組及其輔助設備、電力與電氣設備、計算機網(wǎng)絡與監(jiān)控、機組運行和工程力學等多學科，知識點繁雜，通過課程虛擬仿真實驗是為了更好地實施“基礎—綜合—系統(tǒng)—創(chuàng)新”的培養(yǎng)體系，提高人才培養(yǎng)質量進而適應社會需求。

根據(jù)教學改革的總體思路，我們制定了《水電站》課程虛擬仿真實驗的教學目標?！端娬尽氛n程虛擬仿真實驗教學目標的定位是基于能力培養(yǎng)，即培養(yǎng)分析能力、模型表達能力、提出求解方法的能力、分析求解結果的能力、提出改進方案的能力、編寫實驗報告的能力、答辯匯報的能力。

2.《水電站》課程虛擬仿真實驗平臺與實驗設計

（1）虛擬仿真平臺構建

根據(jù)ADDIE（分析Analysis、設計Design、開發(fā)Develop、實施Implementation、評估Evaluation）的思想，構建基于仿真系統(tǒng)的課程實驗教學執(zhí)行模型，如圖1所示。

模型包含：實驗教學教師和學生兩個主體，由教學大綱、目標、任務和教學過程設計等要素所構成的實驗教學資料，專門仿真實驗平臺系統(tǒng)，基本的軟硬件系統(tǒng)，實驗教學實施管理，實驗成果評價。

（2）仿真實驗內(nèi)容設計

根據(jù)《水電站》教學大綱，基于水電站工程發(fā)展，考慮行業(yè)人才需求，優(yōu)化教學內(nèi)容，構建教學方法，加之分析學生的生理、心理特點以及學習興趣和其學習過程中的情緒變化、知識結構等特征，構建了本課程虛擬仿真實驗項目，通過上機操作完成測試工作，并進行教學資料再組織、再加工，形成最終的實驗項目。具體為：水電站樞紐規(guī)劃布置專題項目、水電站廠房建筑物空間布置、輸水系統(tǒng)建筑物流道數(shù)值模擬、水電站建筑物結構應力分析和安全評估、水電站機組安裝維修、水電站機組運行與故障處理、水電站輔助設備與電氣設備故障排查等。

3.《水電站》課程虛擬仿真實驗考核方法改革思路與多元評價模式設計

虛擬仿真實驗從時間上分為實驗前準備、實驗進行和實驗后整理數(shù)據(jù)、完成報告并答辯，指導教師和學生既有分工又有合作。

（1）課程改革模型的要素構建

由于虛擬仿真實驗關注的是學生實踐應用能力的培養(yǎng)，因此成績考核需要考慮教學內(nèi)容、教學平臺及操作、教學過程與教學成果，還需要考慮學生在成果答辯過程中對實驗內(nèi)容的理解和掌握情況，因此成績評價應滿足教學的全過程、動態(tài)性和多元性等特征。分析本課程由教學團隊、學生、教學環(huán)境、教學素材、教學實施與組織、教學方法、教學評價與反饋等要素構成的教學維度，解析學生的認知規(guī)律，研究教學方法，總結教學經(jīng)驗，查閱大量文獻，針對本課程教學改革，建立其教學實施模型。模型定義為多維度的教學實施模型，將多維度進行直觀表達為“空間”，并重構教學中心任務、教學主體、教學內(nèi)容、教學方法和教學改革等內(nèi)容。

（2）成績考核模型的要素重構

根據(jù)虛擬仿真實驗的特征構建的模型要素，將考核的對象看成有維度的“空間”，并將各維“空間”按照教學過程中各環(huán)節(jié)進行有機整合，并對每一維“空間”定義一個量化指標，將其定義為對應的參數(shù)。由于虛擬仿真實驗過程主要是由學生完成各個階段的操作，引入“操作”的英文單詞“operate”，將“空間”與 “操作”進行有機的耦合構造，將成績考核轉換為評價學生在實驗過程中完成“操作”的表現(xiàn)，即得本課程成績考核模型的雛形，稱之為“多維操作模型”。

由于虛擬仿真實驗過程表現(xiàn)出“觀察力、判斷力、想象力、創(chuàng)造力、控制力、執(zhí)行力和表達力”等七種基本的能力，加之模型用于評價成績，故稱之為基于能力培養(yǎng)的七維操作及評價模型，用英文字母表示為7D-operate，由于實驗平臺開發(fā)以及實驗項目的開發(fā)植入并遵從ADDIE思想，引入5個動詞的首字母來替代單詞operate中的每一個字母，又因為成績考核關注的是實驗過程學生的參與表現(xiàn)及實驗過程中的成果，用operating代替模型中“操作”，表示考核過程與實驗過程的同步連續(xù)。采用代數(shù)中分配原理，將進行時給每一個單詞進行分配，得到五個單詞的進行時態(tài)，分配后 “operating”恢復成原型“operate”，為了與模型雛形相區(qū)分，并用大寫字母來表示模型，至此構建出成績考核模型，即7D-OPERATE（Obeying+Practising + Emphasizing+ Reforming+ Aiming+ Transforming+ Expecting），同樣引入ADDIE思想，每一個現(xiàn)在分詞均引入5個首字母相同的動詞來表示，構造出成績評價模型的多元性，構造過程由于版面的限制進行省略，簡要說明如下：

①遵從教學認知規(guī)律：Obeying（Obeying the Cognitive Law of teaching and learning），核心思想是實驗過程中需要遵循教與學基本規(guī)律的同時，調整并適應虛擬仿真實驗的學習。

②實踐能力培養(yǎng)：Practising（Practising ability）。具體為培養(yǎng)分析能力、模型表達能力、提出求解方法的能力、分析求解結果的能力、提出改進方案的能力、編寫實驗報告的能力、答辯匯報的能力。

③強調虛擬平臺功能：Emphasizing（Emphasizing virtual platform features），虛擬仿真實驗借助流程化、交互性、可視化等特征，有效克服了傳統(tǒng)實驗的缺點，比較適合活潑的年輕學生，備受他們的喜歡，實現(xiàn)了寓教于樂。

④改革實驗學習行為：Reforming（Reforming experimental-learning behavior），更好地形成學習行為循環(huán)推進效果，從虛擬仿真實驗實現(xiàn)過程中，要求學生能培養(yǎng)適應多種教學場景的學習能力，需要在虛擬仿真實驗過程中能夠改變學習習慣，更好地提高知識的學習效果。

⑤瞄準虛擬仿真教學內(nèi)容特征：Aiming（Aiming at the characteristics of virtual simulation teaching and learning），虛擬仿真實驗系統(tǒng)有較強的交互性、可視化、數(shù)字化、形象化、可重復性、拓展性。為了適應基于可視化設計虛擬仿真實驗造成數(shù)據(jù)信息量倍增的環(huán)境變化，實驗過程中對學生嚴格要求。

⑥轉變教與學的基本方法：Transforming（Transforming the basic methods of teaching and learning） ，虛擬仿真實驗不僅依賴搭建的平臺，實驗內(nèi)容的優(yōu)化重構也非常重要，隨著其教與學的不斷改革與實踐即可形成教學自身進化系統(tǒng)，因此教學改革下虛擬仿真實驗教學需要實現(xiàn)教與學方法的轉變，最終形成虛擬仿真實驗自身的教學實施進化路線。

⑦期待最佳的教學效果：Expecting（Expecting best teaching and learning results），虛擬仿真實驗的實施目的是培養(yǎng)學生的知識技能，與此同時此類實驗的開設能拓展學生的視野，激發(fā)學生的積極性，這是實驗設置的又一目標，即美好的期望。

（3）課程成績評價模型系統(tǒng)分析

通過分析虛擬仿真特征，梳理重構模型要素，引入ADDIE思想，考慮教學環(huán)節(jié)中教學內(nèi)容、教學主體、教學方法與認知、教學環(huán)境作用關系、信息傳達與反饋作用等要素，利用系統(tǒng)分析原理對課程改革模型進行系統(tǒng)分析，得到其功能分析關系圖（見圖2）。分析圖2可知，所建立的評價模型涵蓋了實驗教學環(huán)節(jié)的方方面面，不僅涉及實驗前、實驗中、實驗后，也關注學生綜合能力的培育，尤其是學習能力以及處理數(shù)據(jù)的技能培養(yǎng)得到重視，其特征為多元化的特征。

將教學能力目標作為評定依據(jù)，量化虛擬仿真實驗各階段的成果、過程表現(xiàn)、操作熟練程度、交流積極性、實驗報告質量和答辯效果等內(nèi)容，進行評定成績。經(jīng)過分析研究，對考核的成績進行了設計，得到相應的成績結構關系，如表1所示。

綜上所述，《水電站》課程虛擬仿真實驗的評價是基于上述多元化評定體系，符合課程教學內(nèi)容，滿足了教學改革的基本構想，不僅具有易操作性、可量化性和持續(xù)性等特點，其改革思路充分采用多元化考核方式、注重過程管理，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新性思維能力，達到了課程大綱的要求。

三、多元化評價方法在課程改革的成效分析

1.選題分析

本課程以《水電站》壓力管道水錘知識點的虛擬仿真實驗為例，為了對比分析學生的學習成效，在2019年春季學期完成該實驗的班級中，以人數(shù)較為接近的兩個班級為研究對象， 一個為2016級水利水電工程（以下簡稱水工），人數(shù)57人;另一個為2017級給排水科學與工程（以下簡稱給排水），人數(shù)53人。按照專業(yè)進行對比，研究教學成效。

2.基于實驗前期準備的教學效果分析

整理兩個班級實驗前準備信息統(tǒng)計及比較成果，分析成果如表2所示。根據(jù)數(shù)據(jù)可知，兩個班的學生在實驗前準備較積極主動，途徑、方法和利用的資料呈現(xiàn)多樣性，學生對實驗相關資料進行不同程度的整理，通過多種手段進行不同側重面的學習準備，并提出相關問題。雖然實驗前準備階段關注的內(nèi)容各不相同，學習的掌握程度存在差異，但是證明了虛擬仿真實驗在實驗項目方面滿足了大綱要求，符合教學目標，教學素材合理，實驗前預習環(huán)節(jié)設計有效，各方面改革是有成效的。基于此，我們得出虛擬仿真實驗教學環(huán)節(jié)采用多元考核方法的設計思路符合教學規(guī)律，考核方法將實驗成績的25%分配給前期準備階段是合理的。

3.基于虛擬仿真實驗過程的教學效果分析

教學過程評價是《水電站》課程虛擬仿真實驗多元評價方法的重要組成部分。朱定局[5]在文獻中指出，也有少數(shù)教學過程評價的研究和嘗試。學生在虛擬仿真實驗教學平臺上不受實際條件限制反復進行虛擬操作，彌補了實驗條件的不足[6]。因此，本課程實驗過程的落實主要采用以教師評價學生的方式，利用的是虛擬仿真實驗與傳統(tǒng)實驗方法的差異，實驗實施過程也是多元評價方法的關鍵環(huán)節(jié)，其效果關系到教學質量的達成與否。

本課程考慮到實驗過程對能力培養(yǎng)的評價，主要從實驗內(nèi)容及原理、軟件操作和成果展示與分析等三個方面展開，數(shù)據(jù)分析如表3所示。分析數(shù)據(jù)可知，教學過程是一個教與學相互作用的動態(tài)過程，分析學生在《水電站》課程虛擬仿真實驗過程中的信息可知，實驗實施過程作為課程考核評價的重要環(huán)節(jié)和內(nèi)容，關注學生學習過程的參與。實驗環(huán)節(jié)中除了培養(yǎng)學生的建模能力之外，還注重培養(yǎng)其設置求解的能力、分析模擬結果的能力、報告編輯能力。此外，還以實驗為載體培養(yǎng)了學生的分析、交流和接觸新事物的能力，且教學效果良好，滿足了教學要求。因此，本課程將虛擬仿真實驗過程作為成績評價的主要內(nèi)容，占50%比例，符合工程教育認證評價體系的基本要求。

4.基于虛擬仿真實驗答辯環(huán)節(jié)教學效果分析

向福[7]等認為，通過改革傳統(tǒng)的實驗報告和實驗考試，可以鍛煉和提高學生在文獻分析、數(shù)據(jù)處理、問題討論、成果總結以及語言表達等多方面的能力，讓學生體驗科研的系統(tǒng)過程，培養(yǎng)學生的科研素養(yǎng)。林麗惠[8]等指出對于實踐教學考核， 除了提交實驗報告， 增設課程答辯環(huán)節(jié)。 孟佳娜[9]等提出，實踐教學考核增設課程答辯環(huán)節(jié)后， 部分偷懶的學生就不能再依靠抄襲實驗報告來應付實踐環(huán)節(jié)的考核， 激發(fā)了他們必須通過努力扎實掌握實驗內(nèi)容，切實保障實踐教學應有的教學效果。陶潔[10]等以“水資源規(guī)劃與利用”為例，提出課程結束的答辯—總結點評，引發(fā)后續(xù)興趣和思索空間。為了督促學生學習，達到培養(yǎng)學生能力的目的，需要設置答辯環(huán)節(jié)。并提出了課設啟動之初的思維引導、課設過程中的答疑指導、課設結束的答辯、總結、指導的全過程指導方法以及答辯準備、答辯過程、成績判定標準的課程設計答辯方式。因此，《水電站》課程虛擬仿真實驗也設置了答辯環(huán)節(jié)。

下面筆者以兩個班為例，分析虛擬仿真實驗答辯情況，揭示采用多元評價方法的《水電站》課程虛擬仿真實驗成績的效果。比較兩個班級學生的答辯情況、實驗報告的完整性和所回答問題與本實驗內(nèi)容的相關性等項目，學生的能力得到展示，其余各項相對較低，雖然由于答辯成績只占總成績的25%，答辯成績在一定程度上影響了學生成績的分級，也對教學效果的分級有明顯的影響。因此《水電站》課程實驗成績考核辦法采用多元評價方法是符合學習效果的，即能以成績差異來評價學生能力的分級，這也證明了本課程采用多元評價方法的合理有效性。

為了改善答辯環(huán)節(jié)的效果，還需要進一步進行調整：第一，合理安排答辯環(huán)節(jié)，給學生足夠的時間去準備答辯。第二，為學生下發(fā)相關的學習資料，尤其要下發(fā)針對答辯環(huán)節(jié)有較強指導性的資料。第三，優(yōu)化答辯模式，利用答辯環(huán)節(jié)，更好地培養(yǎng)學生的綜合能力。第四，為了本課程后續(xù)更好地開展，調整評價體系的分值分配系數(shù)，增強對答辯環(huán)節(jié)的考核。

四、結束語

《水電站》課程虛擬仿真實驗內(nèi)容既包括多學科基礎知識，也涵蓋了虛擬仿真實驗的基本型。針對該虛擬仿真實驗的特點，展開改革實踐，主要有以下四個方面成果：

（1）成績的評價應該貫穿實驗實施的各個環(huán)節(jié)，建立一套考核成績多元評價方法，該方法基于多元考核理論，具有操作性強、比重分配合理、構思符合教學基本規(guī)律，能夠滿足工程教育認證的理念要求和以能力培養(yǎng)為主的教學改革需要。

（2）進行了基于多元化考核方法理論分析，提出了本課程考核方法改革的思路，設計了多元化考核模式，并進行了探索性實踐研究，分析了學生學習效果。

（3）教學實踐表明，基于本課程的多元化考核方式有利于引導學生自主學習、深度學習，能培養(yǎng)學生分析、模型表達、提出求解方法、分析求解結果、提出改進方案、編寫實驗報告、答辯匯報等多方面的能力，并提高了學習成效。

（4）本課程虛擬仿真實驗成績采用多元評價方法，效果良好，值得參考借鑒。

總之，在目前教育教學改革的要求下，尤其為落實“以學生為中心，以學生學習與發(fā)展成效為驅動”的教育理念，更好地貫徹“以產(chǎn)出為導向、以學生為中心、持續(xù)改進”的工程教育認證評價體系的要求下，隨著本科生虛擬仿真實驗的普及，本課程率先進行了教學改革與實踐，效果良好尤其針對虛擬仿真實驗成績，采用了多元評價方法，值得參考與借鑒。

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