張健平，蔡 勇

(西南科技大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院 制造過程測試技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室，四川 綿陽 621010)

工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、中國制造2025等相繼出現(xiàn)，教育部于2016年提出了“新工科”建設(shè)的構(gòu)想，提出了高等工科教育應(yīng)該著重培養(yǎng)6個方面的能力[1-4]：(1)工程和科技創(chuàng)新能力；(2)多學(xué)科和跨界領(lǐng)導(dǎo)力；(3)解決復(fù)雜工程問題的能力；(4)人文和管理能力；(5)對產(chǎn)品、系統(tǒng)和過程全生命周期的系統(tǒng)工程觀；(6)廣闊的國際視野?？傊靶鹿た啤备叩裙た平逃桥囵B(yǎng)一批引領(lǐng)新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新型工程科技人才。因此，為了更好地適應(yīng)以上培養(yǎng)能力的要求，對實踐教學(xué)要求也隨之提升，要求加強(qiáng)學(xué)科間的深度交叉融合，強(qiáng)化實踐經(jīng)驗的積累，減少淺層次的學(xué)習(xí)內(nèi)容，以培養(yǎng)學(xué)生多維度的工程創(chuàng)新能力和相關(guān)素質(zhì)[5-7]。

隨著互聯(lián)網(wǎng)、多媒體等技術(shù)的快速發(fā)展，以及科技進(jìn)步的日新月異，推動著全球教育改革和創(chuàng)新，方便實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、個性化和終身化的教育模式，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才[8]。2018年4月，我國教育部教技[2018]6號文件《教育信息化2.0行動計劃》強(qiáng)調(diào)提出：教育需要智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和泛在化，應(yīng)堅持信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合[9]。

傳統(tǒng)實體工科類專業(yè)性實驗教學(xué)主要存在的教學(xué)瓶頸[10,11]：第一，高溫、高危險、高污染性：工科所涉及的某些領(lǐng)域工作溫度高，伴有粉塵、有害或放射性物質(zhì)，對人體產(chǎn)生危害，也會造成環(huán)境污染，同時有時會發(fā)生爆炸。第二，教學(xué)成本高、周期長：有些實驗參數(shù)測量需較昂貴的分析測量儀器，實驗耗材和加工費(fèi)用高、周期長，學(xué)生通常不能反復(fù)驗證，實驗教學(xué)效果下降。第三，影響因素關(guān)聯(lián)耦合度高：工科類專業(yè)性實驗影響因素多，關(guān)聯(lián)耦合性強(qiáng)，學(xué)生難以在有限時間內(nèi)全面直觀地理解工作機(jī)理和影響因素變化規(guī)律。因此，目前國內(nèi)許多教育學(xué)者針對以上教學(xué)瓶頸，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)和虛擬仿真等技術(shù)對工科類專業(yè)性實驗的教學(xué)方法進(jìn)行探索和研究。宋智等[12]提出通過計算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)可方便增設(shè)設(shè)計型和綜合型實驗，實現(xiàn)了學(xué)分制教學(xué)。孟慶浩等[13]基于互聯(lián)網(wǎng)改進(jìn)了《機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論》和《移動機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》兩門課程IRIE系統(tǒng)，實現(xiàn)了實驗資源的共享。胡今鴻等[14]調(diào)查了首批國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心和部分已開展虛擬仿真實驗教學(xué)的高校，提出了頂層、政策、應(yīng)用三層平臺組織架構(gòu)的管理體制和運(yùn)行機(jī)制。吳志東等[15]根據(jù)“互聯(lián)網(wǎng)+”與傳統(tǒng)實驗室教學(xué)培訓(xùn)模式相融合的培養(yǎng)思路，構(gòu)建了實踐培訓(xùn)的新理念、新結(jié)構(gòu)和新體系。白瑞峰等[16]開發(fā)了控制類多學(xué)科融合虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，構(gòu)建了過程控制系統(tǒng)、DCS網(wǎng)絡(luò)及工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)等虛擬實驗內(nèi)容。周宇等[17]針對土木工程專業(yè)實踐教學(xué)中存在的問題，提出了虛實結(jié)合實踐教學(xué)體系的建設(shè)方法。于萍[18]以動量方程實驗為例，結(jié)合信息、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，構(gòu)建了面向?qū)W生工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)目標(biāo)的教學(xué)模式。吳霞[19]基于布魯姆教學(xué)目標(biāo)分類的設(shè)計思想，設(shè)計了線上、線下相結(jié)合的實驗教學(xué)模式。

綜上所述可知，通過互聯(lián)網(wǎng)、虛擬仿真等技術(shù)，可實現(xiàn)虛擬仿真實驗和工業(yè)級實驗?zāi)M。但在工科類專業(yè)性實驗教學(xué)方面依然存在著一些問題，首先針對一定課程提出相應(yīng)的教學(xué)方式，實驗教學(xué)體系缺乏獨(dú)立性和完整性。再者教學(xué)方式缺少自主性和創(chuàng)新性，教學(xué)內(nèi)容過于基礎(chǔ)、缺乏實踐性等。因此，為了更好地適應(yīng)“新工科”背景下人才培養(yǎng)的需求，提高工科類專業(yè)性實驗教學(xué)質(zhì)量，結(jié)合我校特色學(xué)科，以“窯爐系統(tǒng)開停車與故障處理虛擬仿真實驗”為研究對象，根據(jù)OBE教育理念，詳細(xì)分析教育教學(xué)理論，深入探索其實驗教學(xué)模式，構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)實施及教學(xué)評價，以期為工科類專業(yè)性實驗教學(xué)提供參考和借鑒。

1 虛擬仿真教學(xué)模式的構(gòu)建與實施

1.1 教學(xué)模式的構(gòu)建

基于我校幾十年的教學(xué)和科研成果，根據(jù)窯爐系統(tǒng)工藝參數(shù)控制教學(xué)瓶頸，即資源消耗高、環(huán)境污染嚴(yán)重、操作溫度過高，提出了“2+3+1”虛擬仿真實驗教學(xué)設(shè)計思路：2個教學(xué)內(nèi)容(控制工藝和控制操作)、3個教學(xué)方法(示范教學(xué)、探究教學(xué)和實戰(zhàn)教學(xué))和1個最高平均學(xué)習(xí)保留率，如圖1所示。

圖1 “2+3+1”虛擬仿真教學(xué)模式的整體設(shè)計圖

由圖1可以看出，教學(xué)內(nèi)容采用真實實驗場景、三維立體圖、文字、語音講解、視頻和動畫等多種教學(xué)資料組合構(gòu)建，降低學(xué)生的工作記憶負(fù)荷，便于長時間記憶。通過線上虛擬仿真平臺，結(jié)合競技比賽、答題闖關(guān)、人機(jī)對話交互等多種方式，開放自主地實操控制參數(shù)、故障真實診斷處理、即時地觀察控制變化規(guī)律和操作信息，增強(qiáng)了沉浸式體驗感，充分做了讀、聽、寫、演和練的相互交叉應(yīng)用。同時，在教學(xué)過程，堅持“分層培養(yǎng)、啟發(fā)創(chuàng)新”的基本教學(xué)理念，鼓勵學(xué)有余力的學(xué)生在實戰(zhàn)教學(xué)模塊進(jìn)行相關(guān)實驗，自主優(yōu)化分析控制影響因素和創(chuàng)新設(shè)計。整個教學(xué)過程學(xué)生主動學(xué)習(xí)學(xué)時占70%，充分體現(xiàn)了以學(xué)生為中心，有效地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)動機(jī)和興趣，幫助學(xué)生有效調(diào)控自己的學(xué)習(xí)過程，使學(xué)生獲得成就感，增強(qiáng)自信心，提高平均學(xué)習(xí)保留率。

1.2 教學(xué)內(nèi)容的構(gòu)建與實施

基于圖1中的“2+3+1”虛擬仿真教學(xué)模式，設(shè)計出相互銜接、循序遞進(jìn)的三個實驗?zāi)K，即示范式教學(xué)模塊、探究式教學(xué)模塊和實戰(zhàn)式教學(xué)模塊，如圖2所示。

圖2 實驗教學(xué)模塊與內(nèi)容

三個教學(xué)模塊分別包括的教學(xué)內(nèi)容為：(1)示范式教學(xué)模塊：工藝流程、工藝參數(shù)、設(shè)備原理、控制方法和實訓(xùn)操作。(2)探究式教學(xué)模塊：開車操作、停車操作、控制參數(shù)整定、控制方法選取和控制穩(wěn)定性判斷。(3)實戰(zhàn)式教學(xué)模塊：故障診斷分析、故障處理方法、控制參數(shù)整定、控制方法選取和控制穩(wěn)定性判斷。

1.2.1 示范式教學(xué)模塊

示范式教學(xué)模塊的教學(xué)內(nèi)容主要為基礎(chǔ)理論知識，可結(jié)合虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，通過線上自主學(xué)習(xí)演示操作視頻、線上實操實訓(xùn)和闖關(guān)考核完成相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容。

在3D仿真環(huán)境下對設(shè)備拆裝、控制操作和故障處理等配上操作演示視頻，即設(shè)備拆裝、窯爐系統(tǒng)工藝流程、開停車操作、故障診斷處理操作，部分演示視頻如圖3所示。

圖3 操作演示視頻

在3D仿真環(huán)境下從任意角度進(jìn)行線上實操實訓(xùn)，包括預(yù)熱器和回轉(zhuǎn)窯拆裝實訓(xùn)、開停車操作實訓(xùn)和故障診斷處理實訓(xùn)，部分實操實訓(xùn)如圖4所示。

圖4 線上實操實訓(xùn)

試題闖關(guān)考核應(yīng)貫穿整個示范式教學(xué)過程，最后緊接試題考核，以便學(xué)生及時檢測對知識的掌握程度，隨時糾正，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力。成績分布如表1所示，包括視頻學(xué)習(xí)(60%)、操作實訓(xùn)(20%)和考試(20%)。在線測試試題題型為選擇題，再根據(jù)題目難易程度設(shè)置相應(yīng)分?jǐn)?shù)(1分、2分和3分)。最終結(jié)構(gòu)評分85分以上，進(jìn)行探究式教學(xué)模塊。

表1 示范式教學(xué)模塊考核成績分布

1.2.2 探究式教學(xué)模塊

遵循可延展性、趣味性和實用性的原則，結(jié)合實驗操作步驟，設(shè)置實驗交互性操作關(guān)卡，以3D數(shù)據(jù)建模的形式完整呈現(xiàn)探究式教學(xué)模塊的教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)沉浸式體驗感。同時即時提供操作正誤信息和相應(yīng)得分情況，隨后對實驗結(jié)果進(jìn)行計算分析、生成實驗報告提交。

學(xué)生可以通過“漫游模式”中的“地圖導(dǎo)航”、“漫游觀察”，身臨其境地在真實企業(yè)場景進(jìn)行實操，如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場設(shè)備投遠(yuǎn)控界面

在DCS界面(圖6)進(jìn)行控制參數(shù)設(shè)置與調(diào)整，并圍繞各個影響因素，在可選參數(shù)范圍內(nèi)探究式選取相關(guān)的控制工藝參數(shù)，自主調(diào)整PID控制參數(shù)，尋找合適的控制方法。

圖6 DCS操作界面

在整個實驗過程即時查看實驗結(jié)果和操作記錄(圖7)，方便學(xué)生隨時進(jìn)行實驗分析，調(diào)整控制方法和控制參數(shù)。

圖7 實驗結(jié)果和操作記錄

同時設(shè)置了實驗提示和實時報錯等信息(圖8)，方便學(xué)生隨時了解自己實驗操作步驟、操作用時和得分等情況。

圖8 即時操作提示界面

1.2.3 實戰(zhàn)式教學(xué)模塊

采用競技比賽、答題闖關(guān)、人機(jī)對話交互等多種方式設(shè)置實戰(zhàn)式教學(xué)模塊的教學(xué)內(nèi)容。根據(jù)窯爐系統(tǒng)常見故障建立相應(yīng)的專家?guī)旌驮\斷處理程序，并在虛擬現(xiàn)場配上3D直觀的現(xiàn)象，以方便學(xué)生自主診斷分析，提出處理方法。如學(xué)生在操作過程中，遇到紅窯，在現(xiàn)場明顯看到了“紅窯”現(xiàn)象，如圖9所示。

圖9 發(fā)生紅窯故障的現(xiàn)場

及時返回到DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行控制參數(shù)的調(diào)整和處理，如圖10所示。

圖10 紅窯故障DCS系統(tǒng)處理界面

1.3 教學(xué)方法的構(gòu)建與實施

遵循“虛實結(jié)合、先虛后實、先獨(dú)立后合作、先模擬后驗證”的原則。堅持“分層培養(yǎng)、啟發(fā)創(chuàng)新”的基本教學(xué)理念，采用情景體驗、比較分析，以及自主探究與趣味性的教學(xué)方式，結(jié)合動畫、視頻演示、競技比賽等教學(xué)手段，使整個實驗步驟環(huán)環(huán)相扣、層層深入，通過答題闖關(guān)、人機(jī)對話交互等多種方式，極大地調(diào)動了學(xué)生的積極性和主動性。

1.3.1 情境體驗

通過Unity3D和Visual Studio等虛擬仿真開發(fā)工具，為學(xué)生提供一個與真實水泥生產(chǎn)工藝流程和操作設(shè)備相似的人機(jī)交互環(huán)境(圖5、圖6和圖9)。學(xué)生通過該虛擬環(huán)境，真實地進(jìn)行開停車操作和故障診斷處理，清晰地了解實驗過程的控制操作步驟，“親身”操作真實環(huán)境下具有高溫、高污染的PID控制調(diào)節(jié)器和觀察控制結(jié)果的變化規(guī)律，增強(qiáng)了沉浸式體驗感，豐富了實習(xí)體驗。

1.3.2 比較分析

本實驗圍繞三次風(fēng)壓、窯尾負(fù)壓、主排風(fēng)機(jī)風(fēng)速、入窯物料分解率等因素，以窯爐喂煤量最小、分解爐溫度和窯尾溫度等為目標(biāo)，建模仿真控制窯爐系統(tǒng)開停車操作，如圖11所示。

圖11 建模分析圖

此過程是一個多目標(biāo)多影響因素的系統(tǒng)，方便學(xué)生對控制參數(shù)整定結(jié)果進(jìn)行對比分析。除此之外，建立了8種故障診斷處理方案的專家?guī)?，大約100種工況，學(xué)生可自由操作，多角度對比分析不同工況下窯爐系統(tǒng)故障診斷處理方法。

1.3.3 自主探究與趣味性相結(jié)合

實驗考核給出一個直觀、可視化的虛擬水泥生產(chǎn)環(huán)境，如圖5、圖6和圖9所示。學(xué)生在此虛擬現(xiàn)場通過競技比賽、答題闖關(guān)、人機(jī)對話交互等多種方式進(jìn)行窯爐系統(tǒng)開停車操作和故障診斷處理，即時實戰(zhàn)檢驗所選擇控制方法的合理性和穩(wěn)定性，依據(jù)控制穩(wěn)定性即時給出得分，使整個實驗步驟環(huán)環(huán)相扣、層層深入，如同參加競技比賽，增強(qiáng)了實驗的趣味性，提高實驗教學(xué)效果。

1.4 教學(xué)評價的構(gòu)建

根據(jù)OBE教學(xué)模式，遵循發(fā)展性、全面性和客觀性的原則，采用結(jié)構(gòu)評分方法進(jìn)行考核，整個結(jié)構(gòu)評分主要包括形成性評價(70%)、終結(jié)性評價(20%)和綜合能力評價(10%)，每一層次有獨(dú)立的評判指標(biāo)，具體指標(biāo)見表2。

表2 結(jié)構(gòu)評分表

這三方面評價內(nèi)容是相互滲透和相互配合的，且形成性評價的成績占總成績的70%，以虛擬仿真實驗平臺自動考核成績?yōu)橹鳎瑢W(xué)生可以反復(fù)練習(xí)，以最好成績?yōu)樽罱K成績，完美地實現(xiàn)了形成性評價過程。激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，幫助學(xué)生有效調(diào)控自己的學(xué)習(xí)過程，讓學(xué)生慢慢地養(yǎng)成一個良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)習(xí)態(tài)度，使學(xué)生獲得成就感，增強(qiáng)自信心，提高實驗教學(xué)效果。

2 教學(xué)實踐與效果的分析

2.1 教學(xué)模式的實踐應(yīng)用

2.1.1 實踐對象

依托我校機(jī)械設(shè)計制造及其自動化本科專業(yè)核心課程《控制系統(tǒng)仿真》中有關(guān)“過程控制系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計與實現(xiàn)”的授課內(nèi)容，設(shè)計了4個學(xué)時的虛擬仿真實驗教學(xué)。學(xué)生圍繞窯頭喂煤量、三次風(fēng)管風(fēng)壓和主排風(fēng)機(jī)風(fēng)速三個影響因素進(jìn)行控制規(guī)律探究式實驗環(huán)節(jié)占3學(xué)時，實戰(zhàn)式故障診斷與處理環(huán)節(jié)1學(xué)時。選取2020-2021學(xué)年第2學(xué)期，我校2019級機(jī)械1906-1910五個行政班，共142人作為研究對象；其中，對照班46人(機(jī)械1906-1907，傳統(tǒng)“實體式”教學(xué)模式)，實驗班96人(機(jī)械1908-1910，虛擬仿真教學(xué)模式)。所有學(xué)生在參與實驗之前學(xué)習(xí)了同樣的基礎(chǔ)課程，學(xué)生的學(xué)習(xí)能力起點(diǎn)水平相當(dāng)，而且學(xué)生并不知曉實驗的存在。

2.1.2 教學(xué)模式的實踐應(yīng)用

通過互聯(lián)網(wǎng)，三維部分采用C/S架構(gòu)、其余部分采用B/S架構(gòu)，實現(xiàn)與仿真平臺算法數(shù)據(jù)的高速互聯(lián)。學(xué)生通過西南科技大學(xué)校級虛擬仿真教學(xué)中心管理平臺(http://xnfz.swust.edu.cn/virexp/)，輸入相應(yīng)的帳號和密碼登錄，開始實驗。實驗登錄平臺如圖12所示。

圖12 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺界面

示范式教學(xué)模塊：學(xué)生自主查看實驗項目系統(tǒng)操作說明、窯爐系統(tǒng)工藝流程和控制方法、開停車操作和故障診斷處理等演示操作視頻，然后進(jìn)行實操實訓(xùn)，領(lǐng)會窯爐系統(tǒng)PID控制所涉及的基礎(chǔ)理論知識，如圖13所示。

圖13 示范式教學(xué)模塊實驗界面

探究式教學(xué)模塊和實戰(zhàn)式模塊：第一次打開需點(diǎn)擊實驗頁面中“插件下載”下載和安裝插件。然后點(diǎn)擊“窯系統(tǒng)開車”、“窯系統(tǒng)停車”或“常見故障診斷及處理”，等待10-20秒加載項目資源，即可進(jìn)行相關(guān)實驗，如圖14所示。

圖14 等待加載項目資源界面

在虛擬仿真場景中進(jìn)行開停車和故障診斷處理的操作步驟，交互性操作約為58步。整個交互性操作和考核一次性完成，期間不能進(jìn)行修改，最后虛擬仿真平臺根據(jù)操作情況給出成績(圖15)。學(xué)生根據(jù)成績信息，了解自己操作錯誤的步驟，查漏補(bǔ)缺自己所學(xué)的知識，即可返回到示范式教學(xué)模塊界面，反復(fù)觀看微視頻和實訓(xùn)，然后再進(jìn)行交互性操作，提高實驗成績。

(a)開車操作記錄和分?jǐn)?shù)

2.2 教學(xué)效果的分析

2.2.1 虛擬仿真教學(xué)效果

實驗結(jié)束后，利用“問卷網(wǎng)”建立了虛擬仿真教學(xué)效果調(diào)查問卷，實驗班所有同學(xué)都參與了問卷調(diào)查，就教學(xué)能力培養(yǎng)和滿意度兩方面調(diào)查分析“2+3+1”虛擬仿真教學(xué)模式的實施效果，數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如圖16和圖17所示。

圖16 教學(xué)能力培養(yǎng)的評價

圖17 混合式教學(xué)模式滿意程度的評價

由圖16可以看出，92%學(xué)生認(rèn)為能夠促進(jìn)知識的深入學(xué)習(xí)和技能的熟練掌握，說明示范式教學(xué)模塊中線上自主學(xué)習(xí)演示操作視頻和線上實操實訓(xùn)教學(xué)呈現(xiàn)方法有效，學(xué)習(xí)難度適中，能夠有效地開展實驗重難點(diǎn)的學(xué)習(xí)，也有助于學(xué)生隨時隨地查找自己的知識盲區(qū)，調(diào)整學(xué)習(xí)進(jìn)度、改進(jìn)學(xué)習(xí)方法，提高自主學(xué)習(xí)的效率。90%學(xué)生認(rèn)為可以拓展視野為將來的學(xué)習(xí)和就業(yè)奠定基礎(chǔ)，表明虛擬仿真教學(xué)模式效果明顯，很好地實現(xiàn)探究式和實戰(zhàn)式教學(xué)，促進(jìn)問題再生，使實驗教學(xué)內(nèi)容得到了延伸。89%學(xué)生認(rèn)為可以提高自主學(xué)習(xí)能力，溝通交流和表達(dá)能力，很好地反映出線上自主學(xué)習(xí)、線上實操實訓(xùn)、試題闖關(guān)考核和實驗操作正誤信息及時反饋起到了較好的作用，較好地實現(xiàn)了“做中學(xué)、實際演練、相互教學(xué)”的教學(xué)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的個體理性判斷和表達(dá)能力。88%的學(xué)生認(rèn)為可以提高分析、解決實際問題的能力，表明實戰(zhàn)式教學(xué)中通過競技比賽、答題闖關(guān)和人機(jī)對話交互方式進(jìn)行自主釋疑質(zhì)疑和工程實戰(zhàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用創(chuàng)新和問題再生能力。綜上所述可知，“2+3+1”虛擬仿真教學(xué)模式可以培養(yǎng)學(xué)生多方面能力，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

由圖17可知，學(xué)生們對本實驗虛擬仿真教學(xué)模式知識學(xué)習(xí)、技能掌握以及教學(xué)模式滿意度達(dá)89%以上。這說明“2+3+1”虛擬仿真教學(xué)模式下教師可以更方便地提供形式多樣、內(nèi)容豐富和身臨其境的學(xué)習(xí)資源，增強(qiáng)了教學(xué)過程的可延展性、趣味性和實用性，較好地滿足學(xué)生的需求，調(diào)動學(xué)生的積極性。同時通過線上操作信息及時反饋、競技比賽和答題闖關(guān)，有助于學(xué)生進(jìn)一步進(jìn)行探索和討論，及時解決遇到的問題，提高了學(xué)生的滿意度。

2.2.2 線上學(xué)習(xí)行為分析

按“學(xué)習(xí)時長:示范式教學(xué):探究式教學(xué):實戰(zhàn)式教學(xué)=2:2:3:3”評價標(biāo)準(zhǔn)，將線上學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成百分制分?jǐn)?shù)，分析線上學(xué)習(xí)行為與學(xué)習(xí)效果的相關(guān)性。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，線上學(xué)習(xí)成績平均分為73.76，最高成績?yōu)?2.63，最低成績?yōu)?2.08。98.7%的學(xué)生完成了線上示范式教學(xué)的全部內(nèi)容，其中23.9%的學(xué)生重復(fù)學(xué)習(xí)相關(guān)演示視頻和操作實訓(xùn)；45.8%的學(xué)生頻繁參與探究式教學(xué)內(nèi)容，包括試題闖關(guān)考核和實驗操作等；26.3%的同學(xué)認(rèn)真完成了實戰(zhàn)式教學(xué)。通過以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看到，絕大多數(shù)學(xué)生能夠完成相關(guān)的學(xué)習(xí)任務(wù)，但自主探究、實戰(zhàn)交流和重復(fù)學(xué)習(xí)的能力欠缺，老師需進(jìn)一步提高這方面的教學(xué)方法，精心設(shè)計虛擬仿真教學(xué)環(huán)節(jié)和內(nèi)容，引導(dǎo)積極性差的學(xué)生自主和反復(fù)地進(jìn)行實踐操作，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動機(jī)和興趣，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)主動性。

虛擬仿真教學(xué)模式下的線上學(xué)習(xí)行為與最終成績之間的相關(guān)性如表3所示。

表3 線上學(xué)習(xí)行為與最終成績的相關(guān)分析

從表3中可以看出，線上學(xué)習(xí)行為與最終成績?yōu)檎嚓P(guān)性，表明學(xué)生線上自主學(xué)習(xí)效果對學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量影響較大。探究式教學(xué)與最終成績的相關(guān)性最大(R=0.849)，說明線上實操、試題闖關(guān)考核和實驗操作正誤信息及時反饋有助于學(xué)生深刻地理解實驗教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)化了實驗教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)。實戰(zhàn)式教學(xué)與期末成績的相關(guān)性次之(R=0.819)，表明通過競技比賽、答題闖關(guān)和人機(jī)對話交互方式進(jìn)行自主釋疑質(zhì)疑和工程實戰(zhàn)有助于學(xué)生加深對所學(xué)知識的理解，起到了督促改進(jìn)學(xué)習(xí)方法的作用。因此，虛擬仿真線上工程實戰(zhàn)學(xué)習(xí)有助于培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和分析問題、解決問題的能力，在提高學(xué)習(xí)成績方面起到了積極作用。

2.2.3 學(xué)習(xí)成效對比分析

為了進(jìn)一步比較分析虛擬仿真教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)的教學(xué)效果差異性，選擇作者教授同專業(yè)同基礎(chǔ)的班級(機(jī)械1906-1907)作為對照班級。根據(jù)2020-2021學(xué)年第2學(xué)期最終成績進(jìn)行對比分析，其分析結(jié)果如表4和圖18所示。

成績分布區(qū)域

表4 虛擬仿真教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)最終成績的統(tǒng)計分析表

由表4可以看出，與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，虛擬仿真教學(xué)模式最高分、最低分和平均分都得到了提高，其中最高分為99分，最低分為46分，平均分為74.46分，分別提高了5.3%、17.9%和9.5%，特別是最低分遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)教學(xué)模式，提高率達(dá)到17.9%。除此之外，虛擬仿真教學(xué)模式最終成績的標(biāo)準(zhǔn)差變小，表明虛擬仿真教學(xué)的學(xué)生成績更為均勻，兩極分化的情況有所改善。

由圖18可以看出，與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，100-90分、89-80分和79-70分三個區(qū)域內(nèi)學(xué)生人數(shù)所占總?cè)藬?shù)的比例大幅度地增加，其中100-90分由1.6%提高到9.4%，提高了83.3%；89-80分由20.3%提高到30.2%，提高了32.8%；79-70分由20.3%提高到29.2%，提高了30.4%。而69-60分和59分及其以下兩個區(qū)域內(nèi)學(xué)生人數(shù)所占總?cè)藬?shù)的比例大幅度減小，其中69-60分由34.4%減小為21.9%，減小了36.4%；59分及其以下由23.4%減小到9.4%，減小了60%。因此，虛擬仿真教學(xué)模式可促進(jìn)40%的學(xué)生成績達(dá)到良好，且大大減小了不及格的學(xué)生人數(shù)，從而大幅度地提高了本實驗的教學(xué)效果。

在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)計分析了兩種教學(xué)模式下學(xué)生考核知識點(diǎn)的得分率分布情況，如圖19所示。

由圖19可以看出，虛擬仿真教學(xué)模式在所有知識點(diǎn)的掌握程度上都得到了提升。在示范式教學(xué)內(nèi)容方面，平均得分率提高了20.6%，表明在該教學(xué)模式下，基本概念、控制理論知識、工藝參數(shù)與主要設(shè)備結(jié)構(gòu)等內(nèi)容的教學(xué)更為精準(zhǔn)，通過自主進(jìn)行操作演示視頻學(xué)習(xí)、線上實訓(xùn)操作、線上自測等手段可以提高學(xué)生對理論基礎(chǔ)知識的理解程度。在開停車控制操作和故障診斷處理兩方面，平均得分率提高了25.4%，反映了線上實操、試題闖關(guān)考核和實驗操作正誤信息及時反饋可以激勵學(xué)生深入理解和知識的貫通，有助于學(xué)生實際控制操作和處理能力的提高。在控制參數(shù)整定、穩(wěn)定性分析與工程創(chuàng)新應(yīng)用方面，平均得分率提高了26.7%，反映了通過競技比賽、答題闖關(guān)和人機(jī)對話交互方式進(jìn)行自主釋疑質(zhì)疑和工程實戰(zhàn)可以激發(fā)學(xué)生應(yīng)用知識解決問題的能力，更加有助于學(xué)生“分析”、“綜合”等高階思維能力的提升。

圖19 虛擬仿真教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)考核知識點(diǎn)得分率對比

3 結(jié) 語

基于OBE教學(xué)模式，結(jié)合學(xué)習(xí)金字塔理論、學(xué)習(xí)信息加工理論和認(rèn)知負(fù)荷理論，根據(jù)工科類專業(yè)性實驗教學(xué)瓶頸，提出“2+3+1”虛擬仿真教學(xué)模式。在3D仿真環(huán)境下，通過“漫游模式”中的“地圖導(dǎo)航”、“漫游觀察”完成認(rèn)知實習(xí)、現(xiàn)場操作，身臨其境地體驗窯爐系統(tǒng)開停車操作。通過競技比賽、答題闖關(guān)、人機(jī)對話交互等多種方式，使整個實驗步驟環(huán)環(huán)相扣、層層深入，沉浸式體驗感特強(qiáng)，很好地調(diào)動了學(xué)生的參與度。大約92%同學(xué)認(rèn)為該教學(xué)模式能夠促進(jìn)知識的深入學(xué)習(xí)和技能的熟練掌握，拓展視野，提高了自主學(xué)習(xí)能力，以及分析、解決實際問題的能力，滿意度達(dá)89%。充分體現(xiàn)了以學(xué)生為中心，滿足學(xué)生認(rèn)識負(fù)荷的要求，促進(jìn)學(xué)生的感性認(rèn)識，有效地激發(fā)學(xué)生的動機(jī)和興趣，調(diào)動學(xué)生的主動性，較好地解決了實驗教學(xué)體系缺乏獨(dú)立性、完整性、創(chuàng)新性和實踐性等問題。