董桂偉，趙國(guó)群，鄭 超，宋立彬，王孝海

（1.山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250061；2.山東京博中聚新材料有限公司，山東濱州 256500）

0 引言

在高等教育特別是高等工程教育中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論聯(lián)系實(shí)際的重要組成部分，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力具有不可替代的作用［1-2］。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展和信息時(shí)代的來(lái)臨，高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)正發(fā)生著深刻變革［3］。2017 年以來(lái)，為深入推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目、拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間，各高校在教育部的指導(dǎo)下，積極探索信息技術(shù)與高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合與應(yīng)用，開(kāi)發(fā)建設(shè)了一批優(yōu)質(zhì)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，初步形成了效果優(yōu)良、開(kāi)放共享的高等教育信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目示范新體系，有力助推高等教育教學(xué)質(zhì)量的全面提高［4-6］。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目以相關(guān)專業(yè)急需的實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化內(nèi)容為指向，有效解決了真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中條件不具備或?qū)嶋H運(yùn)行困難，涉及高?；驑O端環(huán)境以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓(xùn)練等一系列問(wèn)題［7-8］，極大地豐富了信息化條件下的高等教育教學(xué)資源。但需要指出的是，作為依托于現(xiàn)代信息技術(shù)的新興教學(xué)資源，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的教學(xué)模式也必然要求與現(xiàn)代信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)等緊密相聯(lián)，對(duì)此傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式相對(duì)難以實(shí)現(xiàn)［9］。因此，針對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，利用現(xiàn)代信息化教學(xué)工具，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)線上線下相結(jié)合的個(gè)性化、智能化實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，對(duì)于充分發(fā)揮其良好教學(xué)效果具有重要意義。

雨課堂是“學(xué)堂在線”與清華大學(xué)共同研發(fā)的一款基于微信和PowerPoint 的智慧教學(xué)工具［10］。通過(guò)雨課堂，教師可在課前、課上以及課后通過(guò)現(xiàn)代信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)與學(xué)生進(jìn)行方便和快捷地互動(dòng)，可及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況并進(jìn)行有針對(duì)性地教學(xué)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的教學(xué)有效融合［11-12］。目前，雨課堂已經(jīng)在全國(guó)多所高校的教學(xué)中進(jìn)行了成功應(yīng)用［13-15］，但在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面應(yīng)用還相對(duì)較少，這主要是由于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中師生在教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)建立了良好的教學(xué)互動(dòng)。而對(duì)于依托網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，基于雨課堂的互動(dòng)教學(xué)模式設(shè)計(jì)則具有明顯的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

為此，本文以開(kāi)發(fā)的鍛造缺陷分析及工藝過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目為例，進(jìn)行了基于雨課堂的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)“雨課件”和“雨試卷”，通過(guò)課前、課上和課后“三位一體”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐，創(chuàng)新了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的教學(xué)呈現(xiàn)方式，取得了良好的教學(xué)效果。

1 基于雨課堂的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式設(shè)計(jì)

鍛造缺陷分析及工藝過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目是我校開(kāi)發(fā)的一個(gè)面向材料成形及控制工程專業(yè)本科生的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。鍛造工藝是材料成形工藝中重要的工藝之一，但真實(shí)鍛造工藝過(guò)程往往具有高溫（一般高于800 ℃）、高噪聲、高能耗，且易發(fā)生機(jī)械傷、燙傷、火災(zāi)、爆炸等安全事故等問(wèn)題，為此開(kāi)發(fā)了鍛造缺陷分析及工藝過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，旨在通過(guò)在線沉浸式交互方式，培養(yǎng)學(xué)生掌握鍛件主要缺陷類型、形成原因和抑制方法，提高學(xué)生鍛造工藝和模具的設(shè)計(jì)水平，為畢業(yè)后繼續(xù)深造和開(kāi)展相關(guān)工作打下基礎(chǔ)。

鍛造缺陷分析及工藝過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目涉及本專業(yè)模鍛工藝、鍛模設(shè)計(jì)以及相關(guān)鍛造缺陷等8 個(gè)方面的知識(shí)點(diǎn)，包含場(chǎng)景認(rèn)知、缺陷認(rèn)知、缺陷分析、齒輪毛坯鍛造等4 個(gè)板塊的教學(xué)內(nèi)容。盡管鍛造缺陷分析及工藝過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，但受整體實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排的限制，本項(xiàng)目實(shí)際僅有4 學(xué)時(shí)，同時(shí)本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完全采用線上學(xué)習(xí)操作，如學(xué)生不能全程認(rèn)真參與，極易流于形式，學(xué)習(xí)效果難以保證。這就要求虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教師必須進(jìn)行科學(xué)的課前預(yù)習(xí)、課堂學(xué)習(xí)和課后考核環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，在教學(xué)過(guò)程中建立良好的教學(xué)互動(dòng)，通過(guò)全過(guò)程教與學(xué)交互融合，才能充分發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到預(yù)設(shè)的教學(xué)目的和效果。

為此，基于雨課堂智慧教學(xué)工具，以突出教學(xué)過(guò)程中的線上線下教學(xué)互動(dòng)和學(xué)生的全方位參與為重點(diǎn)，設(shè)計(jì)了鍛造缺陷分析及工藝過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，如圖1 所示。

圖1 基于雨課堂的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

2 基于雨課堂的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件開(kāi)發(fā)

基于雨課堂的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是一個(gè)涵蓋課前、課上和課后的全過(guò)程教學(xué)互動(dòng)過(guò)程。鑒于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可線上運(yùn)行、線上線下混合教學(xué)的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)以雨課堂智慧教學(xué)工具為支撐的教學(xué)“雨課件”和“雨試卷”是實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的重點(diǎn)和核心。在設(shè)計(jì)的基于雨課堂的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用雨課堂智慧教學(xué)工具和Powerpoint軟件，研究開(kāi)發(fā)了鍛造缺陷分析及工藝過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課前預(yù)習(xí)“雨課件”、課上教學(xué)“雨課件”和課后考核實(shí)驗(yàn)報(bào)告“雨試卷”，如圖2所示。

圖2 基于雨課堂的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)“雨課件”和“雨試卷”

鍛造缺陷分析及工藝過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課前預(yù)習(xí)“雨課件”的開(kāi)發(fā)主要考量項(xiàng)目涉及的理論知識(shí)點(diǎn)，并結(jié)合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)書和實(shí)驗(yàn)相關(guān)基礎(chǔ)理論課程教材，圍繞虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的理論知識(shí)點(diǎn)、原理簡(jiǎn)介、設(shè)備簡(jiǎn)介、實(shí)驗(yàn)概況、實(shí)驗(yàn)操作注意事項(xiàng)等內(nèi)容制作而成。在開(kāi)發(fā)“雨課件”的同時(shí)，進(jìn)一步搜集整理實(shí)驗(yàn)相關(guān)音視頻內(nèi)容和參考資料作為附件，同步發(fā)送學(xué)生，給學(xué)生豐富的課前預(yù)習(xí)資料。

鍛造缺陷分析及工藝過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課上學(xué)習(xí)“雨課件”的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)考慮課上教學(xué)過(guò)程中教師與學(xué)生的線上線下全方位互動(dòng)，改變傳統(tǒng)的教師單一講解實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的方式，將實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)分組、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等內(nèi)容開(kāi)發(fā)制作適合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課堂使用的、以學(xué)生為中心的課堂教學(xué)“雨課件”，建立討論式、互動(dòng)性強(qiáng)的線上線下實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)內(nèi)容。

鍛造缺陷分析及工藝過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課后考核實(shí)驗(yàn)報(bào)告“雨試卷”的開(kāi)發(fā)則針對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的教學(xué)特點(diǎn)，打破以往學(xué)生簡(jiǎn)單撰寫實(shí)驗(yàn)過(guò)程和記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果的形式，系統(tǒng)將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的理論知識(shí)、工藝知識(shí)、設(shè)備知識(shí)、材料知識(shí)以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程、數(shù)據(jù)整理、結(jié)果分析討論和實(shí)驗(yàn)反思等內(nèi)容開(kāi)發(fā)制作主客觀題相結(jié)合、以知識(shí)綜合運(yùn)用為考核重點(diǎn)的“雨試卷”，并注重學(xué)生個(gè)人完成和小組協(xié)作，構(gòu)建個(gè)人考卷與小組拓展報(bào)告相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)報(bào)告“雨試卷”。

3 基于雨課堂的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

在深刻總結(jié)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)等方面存在的弊端和不足等基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究分析依托于現(xiàn)代信息技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目特點(diǎn)，重點(diǎn)圍繞開(kāi)發(fā)的鍛造缺陷分析及工藝過(guò)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目課前預(yù)習(xí)“雨課件”、課上教學(xué)“雨課件”以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告“雨試卷”，在材料成形及控制工程專業(yè)2016級(jí)本科生中進(jìn)行了基于雨課堂的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐。改革原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)中以教師講解演示為中心的教學(xué)模式，突出以學(xué)生為中心，設(shè)計(jì)構(gòu)建了基于雨課堂的鍛造缺陷分析及工藝過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)式、探究式教學(xué)流程，該教學(xué)流程框架如圖3 所示。

圖3 基于雨課堂的鍛造缺陷分析及工藝過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程框架

根據(jù)上述教學(xué)流程，在課前3～5 天，利用微信的雨課堂插件，組建實(shí)驗(yàn)課程班級(jí)，發(fā)布實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)“雨課件”以及相應(yīng)的預(yù)習(xí)要求，確保學(xué)生在上課實(shí)驗(yàn)之前對(duì)實(shí)驗(yàn)相關(guān)理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及操作注意事項(xiàng)等有充分的認(rèn)知和了解，預(yù)習(xí)“雨課件”同時(shí)含有限時(shí)完成的預(yù)習(xí)習(xí)題，在課前1 天對(duì)學(xué)生的預(yù)習(xí)效果進(jìn)行檢查；在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課上教學(xué)過(guò)程中，實(shí)時(shí)通過(guò)微信雨課堂插件，向?qū)W生推送課上教學(xué)“雨課件”，深入講解實(shí)驗(yàn)的原理和步驟以及注意事項(xiàng)等，指導(dǎo)學(xué)習(xí)獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，教學(xué)過(guò)程中充分利用課件中設(shè)計(jì)的投票題、單選題、多選題等內(nèi)容及時(shí)考查學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的掌握情況，利用隨機(jī)點(diǎn)名、彈幕、討論區(qū)等形式與學(xué)生開(kāi)展積極互動(dòng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課上教學(xué)環(huán)節(jié)的活躍和積極性；課上教學(xué)結(jié)束，及時(shí)通過(guò)微信雨課堂插件在班級(jí)中發(fā)布個(gè)人完成的實(shí)驗(yàn)報(bào)告“雨試卷”和小組完成的實(shí)驗(yàn)拓展思考“雨試卷”，設(shè)置學(xué)生完成時(shí)間限制，并在學(xué)生提交“雨試卷”后及時(shí)推送客觀題答案解析以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的批改情況。

對(duì)于基于雨課堂的鍛造缺陷分析及工藝過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的考核方式，在新的教學(xué)流程框架下，也進(jìn)行了相應(yīng)的改革。以工程專業(yè)認(rèn)證、“新工科”建設(shè)等對(duì)新時(shí)期工程人才培養(yǎng)的能力要求為指導(dǎo)，打破傳統(tǒng)的以實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主的單一實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核方式，統(tǒng)籌考查學(xué)生的預(yù)習(xí)情況、課上表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告“雨試卷”完成質(zhì)量以及互動(dòng)參與程度等方面，構(gòu)建了基于雨課堂的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)全過(guò)程考核方式。結(jié)合雨課堂提供的試卷分析資料，對(duì)學(xué)生的預(yù)習(xí)情況、課堂教學(xué)參與情況、“雨試卷”完成質(zhì)量等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，適當(dāng)弱化實(shí)驗(yàn)報(bào)告的結(jié)果打分，建立以過(guò)程考核為主的考核模式，同時(shí)突出學(xué)生的自主權(quán)，建立個(gè)人自評(píng)、小組互評(píng)、班級(jí)答辯等以學(xué)習(xí)者為中心的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)多元考核機(jī)制，如圖4 所示。

圖4 以學(xué)習(xí)者為中心的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)多元考核機(jī)制

4 教學(xué)效果

目前，基于雨課堂的鍛造缺陷分析及工藝過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目已經(jīng)在本專業(yè)3 個(gè)方向的本科生中進(jìn)行了兩個(gè)學(xué)年的教學(xué)實(shí)踐。通過(guò)隨堂交流、線上反饋以及課后訪談，學(xué)生廣泛認(rèn)可鍛造缺陷分析及工藝過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的雨課堂教學(xué)模式，實(shí)驗(yàn)效果良好，達(dá)到了預(yù)期教學(xué)目標(biāo)。學(xué)生認(rèn)為，利用雨課堂智慧教學(xué)工具，改變了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)授課模式，延伸了實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐和空間，學(xué)生能夠在更加自由的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)和操作，同時(shí)，課前、課堂和課后3 個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)也進(jìn)一步拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，通過(guò)一次虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以學(xué)習(xí)到更多的實(shí)驗(yàn)延伸知識(shí)和內(nèi)容，另外，雨課堂基于微信的在線互動(dòng)教學(xué)方式更貼近現(xiàn)代大學(xué)生的日常學(xué)習(xí)習(xí)慣，是一種交互性更佳的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目是近年來(lái)國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源，突出應(yīng)用驅(qū)動(dòng)和資源共享，對(duì)以高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)助推高等教育教學(xué)質(zhì)量變軌超車具有重要意義?；谟暾n堂的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式設(shè)計(jì)更加契合和適用這一依托于現(xiàn)代信息技術(shù)的新興教學(xué)資源，能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與現(xiàn)代信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)等的緊密相聯(lián)，對(duì)充分和全面發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的良好教學(xué)效果具有重要意義，同時(shí)對(duì)于探索建立線上線下相結(jié)合的個(gè)性化、智能化以及泛在化實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式也有一定的參考價(jià)值。