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        基于OBE 理論面向能源動(dòng)力專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的探索

        2021-12-06 00:24:16黃蓉唐守強(qiáng)趙倩湯正成
        魅力中國 2021年50期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念教學(xué)模式

        黃蓉 唐守強(qiáng) 趙倩 湯正成

        (江蘇大學(xué)京江學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

        一、研究背景與意義

        OBE(Outcome based education,OBE)教育理念,又稱為成果導(dǎo)向教育,是一種以成果為目標(biāo)導(dǎo)向,以學(xué)生為中心,采用逆向思維的方式進(jìn)行的課程體系的建設(shè)理念。作為一種先進(jìn)的教育理念,OBE 是以預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出為中心、以畢業(yè)生的預(yù)期培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向,注重教學(xué)體系的改進(jìn)、優(yōu)化相應(yīng)教學(xué)模式,確保學(xué)生符合培養(yǎng)目標(biāo)。在新時(shí)代,新形勢(shì)下,OBE 教育理念在國內(nèi)外各個(gè)高校中已普遍得到重視,受到越來越多的教育工作者的青睞[1][2]。

        基于能源與動(dòng)力工程專業(yè),考慮到專業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)r(jià)格昂貴,造價(jià)高,所占用體積龐大,實(shí)驗(yàn)安全系數(shù)低等因素,專業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容較少,能源動(dòng)力專業(yè)難以全面廣泛地開展大型專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,學(xué)生缺少必要的訓(xùn)練,無法對(duì)能源系統(tǒng)、大型動(dòng)力裝置形成系統(tǒng)的、全面的認(rèn)識(shí)[3],這與培養(yǎng)以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向的畢業(yè)學(xué)生難適應(yīng)。

        針對(duì)上述問題,本文先通過資料查找、文獻(xiàn)檢索等方式獲取了相關(guān)資料和信息,研究分析如今國內(nèi)外高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀和特點(diǎn),探尋虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的改革動(dòng)向和趨勢(shì),提出基于OBE 理論的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的新模式,為開展江蘇大學(xué)京江學(xué)院能源動(dòng)力專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式奠定基礎(chǔ),培養(yǎng)適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的合格工程人才。

        二、國內(nèi)外虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀

        (一)國外虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀

        國外高校對(duì)虛擬仿真技術(shù)的研究起步較早,應(yīng)用較為廣泛。美國新媒體聯(lián)盟(NMC,New Media Consortium)發(fā)布的《國際教育信息化地平線報(bào)告》一度引領(lǐng)了國際教育信息化建設(shè)與發(fā)展的風(fēng)向,報(bào)告中提出,虛擬仿真教學(xué)將在今后國內(nèi)外教育界改革傳統(tǒng)教學(xué)、人才質(zhì)量提升等方面扮演重要角色,將成為現(xiàn)代教育的領(lǐng)頭羊,由此虛擬仿真教學(xué)收到國內(nèi)外教育界的廣泛關(guān)注。[4]

        英國開放大學(xué)實(shí)驗(yàn)室通過網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)開發(fā)了虛擬儀器共享平臺(tái),滿足在線實(shí)現(xiàn)所有實(shí)驗(yàn)室功能,學(xué)生通過下載虛擬儀器軟件即可進(jìn)行在線實(shí)驗(yàn),或借助遙控儀器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)。2006 年,英國開放大學(xué)還構(gòu)建了一個(gè)與課堂平行的三維虛擬環(huán)境,使師生有身臨其境的感覺,可完成學(xué)習(xí)任務(wù),參加集體活動(dòng)等,教師可以通過虛擬世界與異地學(xué)生進(jìn)行“面對(duì)面”的交流和輔導(dǎo)[5]。

        澳大利亞雷德蘭茲大學(xué)早已利用平板電腦取代了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器,包括視頻設(shè)備進(jìn)行野外實(shí)踐教學(xué),拍攝高分辨率的地形圖片資料,收集和分享巖石數(shù)據(jù),快速獲取參考資料并對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析[5]。

        美國耶魯大學(xué)利用平板電腦進(jìn)行分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)等實(shí)驗(yàn)課程,通過移動(dòng)應(yīng)用程序?qū)W生可分享到從中心實(shí)驗(yàn)室數(shù)字顯微鏡中獲取的數(shù)據(jù)和圖像資源[6]。

        美國科羅拉多大學(xué)在學(xué)校內(nèi)進(jìn)行了PhET 交互式虛擬仿真實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生在虛擬仿真環(huán)境中,自主實(shí)驗(yàn)、啟迪創(chuàng)新思維,從而驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案和技術(shù)構(gòu)想[5]。

        加拿大大學(xué)通過開設(shè)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室,同時(shí)配備3D 掃描儀和打印機(jī)等高科技設(shè)備,體現(xiàn)了“虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛”的教育體系[5]。

        通過調(diào)查國外高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)體系的應(yīng)用可知,運(yùn)用電子信息技術(shù)開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),極大地滿足了現(xiàn)代化時(shí)代高等教育開放辦學(xué)、資源共享的變革要求,為實(shí)現(xiàn)學(xué)生自主性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實(shí)踐提供了有利資源,為培養(yǎng)自主性、創(chuàng)新型人才提供了有利渠道。

        (二)國內(nèi)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀

        與國外相比,我國的虛擬仿真技術(shù)起步比較晚。自2013 年起,教育部已開展國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)工作,在2013-2015 年期間,前后共建設(shè)了300 個(gè)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,分別分布在26 個(gè)省市自治區(qū),其中理工類211 個(gè),農(nóng)林醫(yī)藥類53 個(gè),人文社科類36 個(gè)[6]。

        中國農(nóng)業(yè)大學(xué)成立了機(jī)械與農(nóng)業(yè)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,以“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充”為原則,創(chuàng)新性地提出了一套虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,即“三平臺(tái)、九模塊”[7]。

        山東農(nóng)業(yè)大學(xué)國家級(jí)農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建立了“現(xiàn)代農(nóng)場(chǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)”等四個(gè)虛擬仿真教學(xué)模塊。其中2018 年的“家禽病毒性傳染病疫苗的生產(chǎn)應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”入選當(dāng)年國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目,呈現(xiàn)了較好的應(yīng)用前景[8]。

        哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院在2014 年開發(fā)出船舶動(dòng)力專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),以“頂層設(shè)計(jì)、虛實(shí)結(jié)合、開放創(chuàng)新”為教學(xué)理念,并成功獲批國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心[3]。

        西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院開發(fā)了液態(tài)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的吸引力、推動(dòng)了該領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)工作,使得仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具備了深刻的應(yīng)用意義。

        三、基于OBE 理念虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的建設(shè)目標(biāo)

        他山之石,可以攻玉。我校能源動(dòng)力專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程依舊采用的是傳統(tǒng)模式,為以成果為導(dǎo)向,提高創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的質(zhì)量,在OBE 教育理念的背景下,開始探索能源動(dòng)力類實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)的新道路。

        傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是以教師教學(xué)為主體,學(xué)生在教師的推動(dòng)下接受知識(shí),很顯然,這已經(jīng)明顯不滿足現(xiàn)代化高教教育理念的方針。OBE 教育理念倡導(dǎo)學(xué)生作為教學(xué)活動(dòng)的主體,以成果導(dǎo)向教育為目標(biāo),在新形勢(shì)下,以能源動(dòng)力專業(yè)為例,探索提出了基于OBE 理念虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式(如圖1 所示)。

        圖1 基于OBE 理念虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

        在實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)之前,首先確定預(yù)期的學(xué)習(xí)成果即設(shè)立培養(yǎng)目標(biāo)。根據(jù)預(yù)期的培養(yǎng)目標(biāo)和人才培養(yǎng)的教學(xué)方案,分為兩部分展開:虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的自主性和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的創(chuàng)新性。

        第一部分,教學(xué)活動(dòng)不再是以老師教為主體,而是以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主體,在課堂前10 分鐘,借助視頻讓學(xué)生回顧已學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí),為本節(jié)課程內(nèi)容做鋪墊;熟悉本節(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容、目的。以傳熱學(xué)平板的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)為例,可先通過視頻回顧下什么是熱傳導(dǎo),導(dǎo)熱系數(shù)具有哪些特性,為后續(xù)實(shí)驗(yàn)步驟埋下伏筆。然后進(jìn)入課堂的中心環(huán)節(jié),聽從教師或視頻的語音講解,介紹實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)平臺(tái)的操作步驟、注意事項(xiàng)等方面,學(xué)生自主性進(jìn)行實(shí)驗(yàn),對(duì)于虛擬實(shí)驗(yàn)中遇到的問題,可以選擇向老師提問或與同學(xué)交流,觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否達(dá)到預(yù)期的目的,分析相關(guān)現(xiàn)象并學(xué)會(huì)解釋其中的原理。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,進(jìn)行課后反思,舉一反三,能否開展同類型的其他的材料的實(shí)驗(yàn),更深入的探究實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,探索其中的奧秘。第二部分,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的創(chuàng)新性,如何將學(xué)生在書本所接觸的實(shí)際環(huán)境,工作條件在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)出來是一大難點(diǎn),只憑借書本的圖片,視頻難以發(fā)現(xiàn)其中的樂趣,于是,可借助虛擬實(shí)驗(yàn)達(dá)到“身臨其境”的效果,將我們?cè)诠こ躺纤牭竭^的、難以實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)景通過虛擬平臺(tái)呈現(xiàn)出來。我們可以舉個(gè)流體力學(xué)的例子,我們可以借助FLUENT 模擬軟件仿真模擬出圓柱繞流現(xiàn)象,通過自己動(dòng)手實(shí)際操作,得到這樣一個(gè)三維動(dòng)態(tài)結(jié)果。借助CFD 軟件,學(xué)生可以分析每一個(gè)工程實(shí)際問題,提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。該課程建設(shè)體現(xiàn)了以學(xué)生為中心,靈活式的培養(yǎng)專業(yè)型人才。最后,這一新型模式的提出,離不開后期教學(xué)質(zhì)量體系的監(jiān)督,通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),實(shí)時(shí)監(jiān)控課堂過程中產(chǎn)生的課堂信息,及時(shí)反饋學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,不僅僅是監(jiān)測(cè)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中所產(chǎn)生的問題,也是對(duì)教師教學(xué)質(zhì)量效果的評(píng)價(jià),學(xué)生可借助網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),及時(shí)反饋學(xué)習(xí)效果,對(duì)存在的問題可提出自己的修改意見,從而教師可更好地建立優(yōu)秀的教學(xué)環(huán)節(jié),樹立良好的教學(xué)氛圍。

        實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)平臺(tái)的建立豐富了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容,通過共享平臺(tái)學(xué)生可自主性的,開放性的開展虛擬平臺(tái)所能開展的實(shí)驗(yàn);但是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也存在幾個(gè)問題:1.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)雖不存在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性、不可控性,但也有可能削弱、淡化學(xué)生對(duì)工程中相關(guān)注意事項(xiàng)的警惕度,這也要求教師應(yīng)不斷改良、優(yōu)化自己的教學(xué)設(shè)計(jì);2.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包含大量創(chuàng)新型、專業(yè)型項(xiàng)目,這也要求專業(yè)化的教師隊(duì)伍需不斷擴(kuò)大;3.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的教學(xué)質(zhì)量效果需真實(shí)經(jīng)歷才能發(fā)現(xiàn)其中的問題,對(duì)此,后續(xù)本文將開展學(xué)生的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)真實(shí)體驗(yàn),觀察教學(xué)過程中所存在的問題,為更好地建設(shè)基于OBE 理論面向能源動(dòng)力專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系奠定基礎(chǔ)。

        結(jié)語

        OBE 教育理念以成果導(dǎo)向?yàn)榻逃繕?biāo),基于OBE 教育理念,更能培養(yǎng)出適合這個(gè)社會(huì),這個(gè)專業(yè)更優(yōu)秀的人才??v觀國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)的發(fā)展,實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)體系已成為大勢(shì)所趨,在OBE 教育理念的背景下,如何借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),優(yōu)化我們的教學(xué)模式,以預(yù)期培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向,培養(yǎng)出更專業(yè)型的人才是我們奮斗的目標(biāo)。

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