劉曉柳 李樹(shù)立 趙士豪

摘要：本研究旨在探索適用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的“線上+線下”模式，滿足學(xué)生實(shí)踐需求，提升教學(xué)成效。從“發(fā)酵工程設(shè)備實(shí)驗(yàn)”課程實(shí)際出發(fā)，引進(jìn)虛擬仿真平臺(tái)，從平臺(tái)建設(shè)思路、應(yīng)用效果及學(xué)生反饋，探索虛擬仿真技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用的可行性。虛擬仿真平臺(tái)應(yīng)用后，學(xué)生對(duì)“課程易于理解”、“學(xué)習(xí)興趣”、“學(xué)習(xí)效果”以及“課程綜合打分”等項(xiàng)目的打分均有不同程度的提高?？梢?jiàn)其對(duì)于促進(jìn)實(shí)驗(yàn)條件苛刻、設(shè)備要求高、學(xué)生實(shí)操困難課程中的常態(tài)化、高效化運(yùn)行具有積極作用，為提升相關(guān)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)質(zhì)量提供參考。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué);發(fā)酵工程設(shè)備;教學(xué)研究

“線上+線下”混合教學(xué)模式對(duì)新時(shí)代提高教學(xué)能力具有非常重要的意義。然而，在以實(shí)驗(yàn)課程多著稱的生物工程、食品科學(xué)與工程等專(zhuān)業(yè)教學(xué)中，對(duì)設(shè)備、場(chǎng)地以及學(xué)生參與度的要求高，機(jī)械地將實(shí)驗(yàn)類(lèi)課程從線下搬至線上只會(huì)將實(shí)踐變成理論，無(wú)法達(dá)到教學(xué)目的[1]。G W Morgenthater于1961年首次從技術(shù)角度提出仿真的定義，即實(shí)際系統(tǒng)不存在或比較復(fù)雜難以實(shí)現(xiàn)的情況下對(duì)系統(tǒng)或活動(dòng)本質(zhì)上的實(shí)現(xiàn)[2]。1989年，美國(guó)Willom wolf教授提出虛擬實(shí)驗(yàn)室概念[3]。將虛擬仿真技術(shù)引入高等教育，有助于打破儀器套數(shù)、時(shí)間、空間限制，降低教育成本，減少潛在的人身安全及環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，提高學(xué)生參與度和自主學(xué)習(xí)、實(shí)踐的能力[4-6]。我國(guó)也高度重視虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教育應(yīng)用，2018年教育部公布首批105個(gè)國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目[7]，同時(shí)，教育部高等教育司司長(zhǎng)吳巖說(shuō)道：我們想，如果我們把這樣的虛擬仿真項(xiàng)目持續(xù)地推進(jìn)，將對(duì)中國(guó)的高等教育質(zhì)量提高、推進(jìn)公平，將會(huì)在卓越拔尖人才的培養(yǎng)方面取得非常重要的、有效的一個(gè)手段，一個(gè)創(chuàng)新。本文以“發(fā)酵工程設(shè)備實(shí)驗(yàn)”為例，介紹虛擬仿真系統(tǒng)在工科實(shí)驗(yàn)課程中的建設(shè)思路、使用流程及應(yīng)用效果，為工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的高質(zhì)量完成提供參考。

一、 課程現(xiàn)狀

“發(fā)酵工程設(shè)備實(shí)驗(yàn)”是食品科學(xué)與工程、生物工程、生物技術(shù)等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)必修課程，具有鮮明的工程化特色。以筆者所在學(xué)院的“發(fā)酵工程設(shè)備實(shí)驗(yàn)”為例，課程內(nèi)容包括釀酒酵母的發(fā)酵培養(yǎng)（涉及機(jī)械攪拌發(fā)酵系統(tǒng)），菌體富集（涉及離心/壓濾設(shè)備）以及菌劑噴霧干燥（涉及噴霧干燥設(shè)備）。整套設(shè)備價(jià)格昂貴，難以實(shí)現(xiàn)人手一臺(tái)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，學(xué)生參與度和積極性較低[8];另外，操作系統(tǒng)復(fù)雜，學(xué)生難以在短時(shí)間內(nèi)掌握重點(diǎn)難點(diǎn)，教學(xué)效果較差，甚至存在部分學(xué)生為完成考核任務(wù)，抄襲實(shí)驗(yàn)報(bào)告及結(jié)果的現(xiàn)象。

二、 課程設(shè)計(jì)及實(shí)施

（一）課程設(shè)計(jì)

教學(xué)采用線上、線下相結(jié)合的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法[9]，將學(xué)習(xí)通平臺(tái)、虛擬仿真平臺(tái)以及設(shè)備實(shí)操融入課程，注重學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，同時(shí)利用平臺(tái)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能及學(xué)生意見(jiàn)反饋，及時(shí)改進(jìn)教學(xué)方式，提高成效，實(shí)現(xiàn)線上線下教學(xué)虛實(shí)結(jié)合、相輔相成。具體實(shí)施方式見(jiàn)圖1。

（二） 課程實(shí)施

1. 課程理論學(xué)習(xí)

教師利用學(xué)習(xí)通平臺(tái)建立網(wǎng)絡(luò)課堂，將學(xué)習(xí)的相關(guān)資料，包括實(shí)驗(yàn)教案、虛擬仿真平臺(tái)操作手冊(cè)、課程引導(dǎo)微視頻、待討論題目等上傳至平臺(tái)，供學(xué)生課下預(yù)習(xí)和學(xué)習(xí)。學(xué)生實(shí)名建立賬號(hào)后，通過(guò)掃描二維碼加入課程，教師賬號(hào)可后臺(tái)查看學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，包括登錄時(shí)間、學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)等，便于進(jìn)行平時(shí)成績(jī)的管理及理論考核。

2. 學(xué)生仿真模擬操作和實(shí)驗(yàn)室實(shí)操

學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)鏈接進(jìn)入仿真操作平臺(tái)，學(xué)習(xí)相關(guān)操作知識(shí)、熟悉實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。課程平臺(tái)不限次使用，便于學(xué)生反復(fù)操作練習(xí)，熟悉并掌握操作流程。仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，每步操作均有評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，分階段和步驟地對(duì)學(xué)生能力進(jìn)行檢查。最后，如條件允許，學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行操作，虛實(shí)結(jié)合，有效提高學(xué)習(xí)成效。

3.課程考核及答疑

教師通過(guò)平臺(tái)自動(dòng)打分了解學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)操作細(xì)則的掌握情況，并及時(shí)作出反饋，包括調(diào)節(jié)課時(shí)安排及難點(diǎn)問(wèn)題的統(tǒng)一講解，使學(xué)生能夠在虛擬仿真平臺(tái)和教師的雙重指導(dǎo)幫助下查找不足，反思成敗。

虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)用以前，本課程考核由平時(shí)成績(jī)（包括考勤和課堂操作規(guī)范性等，20%），實(shí)驗(yàn)報(bào)告（原始數(shù)據(jù)和課程反思，60%）以及期末筆試成績(jī)（20%）組成。課程改革之后，原有考核方式已不適用。現(xiàn)在的考核包括平時(shí)成績(jī)（學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)30%，仿真操作步驟評(píng)分30%）、實(shí)驗(yàn)報(bào)告（20%）以及期末仿真操作考核（20%）三部分。通過(guò)學(xué)習(xí)通平臺(tái)記錄理論知識(shí)的學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)，仿真軟件對(duì)步驟操作和期末考核進(jìn)行打分，減少主觀因素對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)的影響，學(xué)生接受度更高。

三、應(yīng)用效果分析及課程反思

（一）應(yīng)用效果分析

本課程開(kāi)設(shè)對(duì)象為食品科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)本科三年級(jí)學(xué)生，自虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)用以來(lái)，服務(wù)2018級(jí)41人、2019級(jí)學(xué)生39人。針對(duì)未使用系統(tǒng)的2017級(jí)學(xué)生（31人）、使用過(guò)系統(tǒng)的2018級(jí)、2019級(jí)學(xué)生設(shè)計(jì)課程滿意度問(wèn)卷，考察系統(tǒng)的應(yīng)用效果。共發(fā)放問(wèn)卷111份，收回有效問(wèn)卷97份，其中使用過(guò)和未使用過(guò)虛擬仿真系統(tǒng)的問(wèn)卷數(shù)量分別為69份和28份。

分別對(duì)使用過(guò)和未使用過(guò)該系統(tǒng)的問(wèn)卷結(jié)果進(jìn)行分析匯總，結(jié)果如圖2。虛擬仿真平臺(tái)應(yīng)用后，學(xué)生對(duì)“課程易于理解”項(xiàng)目的打分平均值為94.73，而未應(yīng)用打分值僅80.25，分值的大幅提高主要在于虛擬仿真系統(tǒng)的應(yīng)用提高了實(shí)驗(yàn)的可視化、可參與化程度，且線上平臺(tái)資源長(zhǎng)期開(kāi)放，可供學(xué)生多次重復(fù)學(xué)習(xí)演練，相較于原來(lái)走馬觀花式的觀摩學(xué)習(xí)和小組操作，更有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的熟練掌握，導(dǎo)致學(xué)生主觀認(rèn)為課程難度降低。此外，在“學(xué)習(xí)興趣”、“學(xué)習(xí)效果”以及“課程綜合打分”項(xiàng)目中，虛擬仿真平臺(tái)應(yīng)用后學(xué)生的打分均高于應(yīng)用前學(xué)生打分，表明虛擬仿真平臺(tái)的應(yīng)用，對(duì)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)習(xí)成效具有積極作用，獲得較高的接受和認(rèn)可度。

值得注意的是，在“學(xué)時(shí)分配”一項(xiàng)中，項(xiàng)目應(yīng)用前后的打分值分別為87.45和80.10，結(jié)合評(píng)分較低問(wèn)卷中“對(duì)本課程的意見(jiàn)和建議”一項(xiàng)，發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生認(rèn)為平臺(tái)應(yīng)用后，課堂時(shí)間多用于模擬操作演練和答疑，而課程的理論學(xué)習(xí)占用了大量的課外時(shí)間。另外，亦有學(xué)生提出課程教學(xué)項(xiàng)目過(guò)于煩瑣，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)精簡(jiǎn)學(xué)習(xí)任務(wù);實(shí)驗(yàn)操作步驟和原始數(shù)據(jù)均由仿真平臺(tái)記錄，是否可取消實(shí)驗(yàn)報(bào)告，改為提交實(shí)驗(yàn)成敗反思總結(jié);虛擬仿真系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備間存在一定差異，可錄制教師對(duì)真實(shí)設(shè)備的操作視頻，供學(xué)生學(xué)習(xí)等可行性高的意見(jiàn)和建議，為今后“發(fā)酵工程設(shè)備實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)的持續(xù)改進(jìn)提供方向。

（二）課程反思

課程改革旨在激活學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和終身學(xué)習(xí)能力[10]。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)用虛擬仿真軟件，將實(shí)驗(yàn)流程操作以仿真的形式進(jìn)行形象逼真的表現(xiàn)。虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)能模擬工廠的正常生產(chǎn)和各種事故過(guò)程的現(xiàn)象和操作，使受訓(xùn)者能夠如身臨其境地進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，更容易理解和掌握相關(guān)知識(shí)和操作規(guī)程。彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中預(yù)習(xí)、演示、網(wǎng)絡(luò)自主實(shí)驗(yàn)及其效果評(píng)價(jià)、教學(xué)管理等不足。培養(yǎng)社會(huì)實(shí)踐能力，提高綜合素質(zhì)，為畢業(yè)專(zhuān)題實(shí)習(xí)和就業(yè)打下基礎(chǔ)。也為線上線下相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)課程的高效、高質(zhì)量教學(xué)提供參考。最終，本項(xiàng)目獲得2020年度河北省虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流本科課程立項(xiàng)。

但是，“發(fā)酵工程設(shè)備實(shí)驗(yàn)”課程的改革和建設(shè)才剛剛起步，在教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)、學(xué)時(shí)分配、考核形式及標(biāo)準(zhǔn)等方面還存在很多不足，對(duì)教學(xué)團(tuán)隊(duì)自身能力也有更高的要求。今后課程改革措施如下：

1.優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，精簡(jiǎn)教學(xué)任務(wù)，通過(guò)教學(xué)提綱、思維導(dǎo)圖等形式幫助學(xué)生理清課程體系，讓學(xué)生有更多的時(shí)間針對(duì)自身薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行重點(diǎn)擊破，減少時(shí)間和精力消耗，防止學(xué)生出現(xiàn)厭學(xué)情緒;

2.課程考核形式多樣化，跳出傳統(tǒng)考試成績(jī)定江山的模式，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成敗反思報(bào)告占比，注重學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展，有效防止實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)抄襲現(xiàn)象;

3.加強(qiáng)教學(xué)團(tuán)隊(duì)自身素質(zhì)建設(shè)，加強(qiáng)校企合作，開(kāi)發(fā)或引進(jìn)更多教學(xué)平臺(tái)，切實(shí)提高學(xué)習(xí)成效。

四、結(jié)束語(yǔ)

“線上+線下”相結(jié)合的教學(xué)模式對(duì)提升教學(xué)成效具有積極意義，給傳統(tǒng)教學(xué)模式帶來(lái)挑戰(zhàn)的同時(shí)也帶來(lái)新的機(jī)遇，成為教學(xué)模式改革的推動(dòng)力。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于“發(fā)酵工程設(shè)備實(shí)驗(yàn)”教學(xué)中，有效地提高學(xué)生的參與度，激發(fā)學(xué)生的積極性，改善因設(shè)備數(shù)量、場(chǎng)地、時(shí)間的條件限制，切實(shí)提高學(xué)習(xí)成效，成為電化課程改革的有益嘗試。但課程建設(shè)剛剛起步，還存在很大的差距，對(duì)教師自身素質(zhì)提升也有更高要求，以促進(jìn)課程水平的進(jìn)一步提高。

作者單位：劉曉柳? ? 李樹(shù)立? ? 趙士豪? ? 河北經(jīng)貿(mào)大學(xué) 生物科學(xué)與工程學(xué)院

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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