梁大龍，杜太利，崔文彬，馮偉，趙俊豪

(大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

一、引言

為提高航海類專業(yè)畢業(yè)生在船工作的適任能力，航海本科院校輪機(jī)工程專業(yè)在大四上學(xué)期集中開展一系列實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程。由于船舶設(shè)備通常具有經(jīng)濟(jì)成本高、占用空間大、更新需求快等特點(diǎn)[1]，實(shí)際運(yùn)行存在高風(fēng)險(xiǎn)、高能耗的問題，加之新冠肺炎疫情對(duì)線下授課的不確定性影響，開展虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)已成為各門實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課的必選項(xiàng)。“船舶柴油機(jī)拆裝”實(shí)驗(yàn)課采用了虛實(shí)結(jié)合、線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式[2]，所開發(fā)的虛擬仿真系統(tǒng)具有還原度高、業(yè)務(wù)覆蓋面廣、擁有獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)協(xié)作客戶端等優(yōu)點(diǎn)，被評(píng)為省級(jí)虛擬仿真一流課程。然而，在建好虛擬仿真“金課”的基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，如何解決實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)存在的問題，真正利用好虛擬仿真系統(tǒng)，同樣值得深入探究。

二、“船舶柴油機(jī)拆裝”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)存在的問題

“船舶柴油機(jī)拆裝”是輪機(jī)工程專業(yè)的一門核心實(shí)驗(yàn)課，為期一周，共40學(xué)時(shí)。實(shí)船安裝的柴油機(jī)多為大中型柴油機(jī)，而航海類高校實(shí)驗(yàn)室通常僅配置若干臺(tái)拆裝用中小型柴油機(jī)。教研團(tuán)隊(duì)以市場(chǎng)主流機(jī)型船舶柴油機(jī)為建模對(duì)象，開發(fā)虛擬拆裝項(xiàng)目，以提高輪機(jī)工程專業(yè)學(xué)生和社會(huì)學(xué)員的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)。虛擬仿真“金課”的建設(shè)一定程度上提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，但在教學(xué)實(shí)施過程中仍存在如下問題。

1.大四學(xué)生學(xué)習(xí)意愿低

本科輪機(jī)工程專業(yè)主要培養(yǎng)能夠勝任現(xiàn)代海洋平臺(tái)和海洋工程船舶等海洋工程裝備操作、管理、維護(hù)和修理的高級(jí)海洋裝備技術(shù)與管理人才，即在遠(yuǎn)洋船舶從事技術(shù)與管理工作是本專業(yè)的主要就業(yè)方向。但近年來由于多種因素的影響，畢業(yè)后愿意從事海上工作的學(xué)生越來越少，讀研、考公或選擇陸上工作的學(xué)生日益增多，因此相當(dāng)數(shù)量的學(xué)生對(duì)專業(yè)課程缺乏興趣[3]，課內(nèi)做與課程無關(guān)事情的學(xué)生不在少數(shù)，“船舶柴油機(jī)拆裝”等專業(yè)實(shí)驗(yàn)課尤甚。

2.課程虛實(shí)結(jié)合不佳

虛擬仿真項(xiàng)目教學(xué)的主要原則是“能實(shí)不虛”[4]，因此很多實(shí)驗(yàn)課課內(nèi)僅進(jìn)行實(shí)操練習(xí)，課外進(jìn)行虛擬仿真訓(xùn)練，“船舶柴油機(jī)拆裝”實(shí)驗(yàn)也不例外。之前的課程安排是課內(nèi)8學(xué)時(shí)進(jìn)行柴油機(jī)實(shí)物拆裝學(xué)習(xí)，虛擬拆裝練習(xí)則連續(xù)5天被安排在晚上。學(xué)生的課后練習(xí)無法及時(shí)與實(shí)物相印證，學(xué)習(xí)效率不高，學(xué)習(xí)效果不佳；加之當(dāng)天練習(xí)時(shí)間有限，虛擬訓(xùn)練效果整體較差。這種實(shí)驗(yàn)安排并未充分考慮大四學(xué)生的真實(shí)學(xué)情，虛與實(shí)在時(shí)間和空間上相對(duì)孤立，不利于課堂知識(shí)的及時(shí)鞏固和內(nèi)化。

3.課程挑戰(zhàn)度不足

以往教學(xué)是由教師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行柴油機(jī)各部件的拆裝訓(xùn)練，因每組人數(shù)較多，部分學(xué)生沒有機(jī)會(huì)動(dòng)手參與，只能作為旁觀者。相對(duì)單薄的實(shí)物拆裝內(nèi)容不足以支撐40學(xué)時(shí)，學(xué)生雖擁有大量自主學(xué)習(xí)時(shí)間，但因自主學(xué)習(xí)任務(wù)較少，因此常常處于無所事事狀態(tài)。本應(yīng)體現(xiàn)“挑戰(zhàn)度”的課外虛擬拆裝練習(xí)也未能有效形成對(duì)實(shí)物拆裝的良性反饋，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容千篇一律。此外，實(shí)驗(yàn)課一般只注重學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作和動(dòng)手能力的培養(yǎng)，對(duì)于溝通表達(dá)、創(chuàng)新思辨、解決復(fù)雜工程問題等未來崗位工作亟須的綜合能力卻少有涉及。綜合來看，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程中，學(xué)生仍以被動(dòng)學(xué)習(xí)為主，課程并未體現(xiàn)出足夠的“高階性”和“挑戰(zhàn)度”。

三、基于對(duì)分課堂和虛擬仿真“金課”的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)設(shè)計(jì)

1.對(duì)分課堂教學(xué)法的選擇

為轉(zhuǎn)變學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度，促使學(xué)生有效參與，培養(yǎng)學(xué)生崗位綜合能力，充實(shí)課程教學(xué)內(nèi)容，讓虛擬仿真“金課”更好地為“船舶柴油機(jī)拆裝”課程服務(wù)，教學(xué)設(shè)計(jì)需要作進(jìn)一步調(diào)整。“以學(xué)生發(fā)展為中心”的“對(duì)分課堂”教學(xué)法是將課時(shí)進(jìn)行師生對(duì)分，一部分時(shí)間教師進(jìn)行講授(Presentation)，另一部分時(shí)間交由學(xué)生討論(Discussion)，講授和討論錯(cuò)時(shí)進(jìn)行，讓學(xué)生有充足的時(shí)間自主安排學(xué)習(xí)，進(jìn)行個(gè)性化的內(nèi)化和吸收(Assimilation)，簡(jiǎn)稱PAD Class[5](如圖1)。

圖1 對(duì)分課堂基本流程[6]：隔堂對(duì)分(上)和當(dāng)堂對(duì)分(下)

對(duì)分課堂因其簡(jiǎn)單易用、普適性強(qiáng)等特點(diǎn)，在高校課堂教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。筆者在輪機(jī)工程專業(yè)的幾門理論課和實(shí)踐課中進(jìn)行對(duì)分課堂教學(xué)模式的探索實(shí)踐，也取得了較好的教學(xué)效果。其中，結(jié)合大四學(xué)生的實(shí)際情況，在實(shí)驗(yàn)課“輔機(jī)綜合訓(xùn)練2”中采用了對(duì)分課堂(PAD Class)與同伴教學(xué)(Peer Instruction)[7]相融合的教學(xué)新模式，簡(jiǎn)稱PAI Class[3]。該模式借鑒“當(dāng)堂對(duì)分”教學(xué)流程，教師精講(Presentation)后，將余下實(shí)訓(xùn)內(nèi)容(Assignment)分成三部分，交由三組學(xué)生課內(nèi)自學(xué)掌握，之后互相講授(Instruction)本組內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)所有內(nèi)容的學(xué)習(xí)與操作訓(xùn)練?！巴榻虒W(xué)”的融入可使學(xué)生知識(shí)留存更多、表達(dá)時(shí)間更長(zhǎng)、考核評(píng)價(jià)更多維、教學(xué)資源利用率更高[3]。該模式已在輪機(jī)工程專業(yè)2017級(jí)和2018級(jí)兩屆約500名學(xué)生中進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐，教學(xué)效果和學(xué)生反饋良好，可推廣至其他實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程中采用。

2.基于對(duì)分課堂和虛擬仿真“金課”的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)設(shè)計(jì)

針對(duì)“船舶柴油機(jī)拆裝”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中存在的問題，充分考慮大四學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求，以“金課”的“兩性一度”和工程教育認(rèn)證12條畢業(yè)要求為指引，確定了“船舶柴油機(jī)拆裝”課程設(shè)計(jì)的總體原則——以PAI Class教學(xué)模式為主體，課外學(xué)習(xí)輕量化“增負(fù)”，將虛擬仿真有機(jī)融入課中及課后，旨在培養(yǎng)所有“準(zhǔn)畢業(yè)生”都應(yīng)具備的多項(xiàng)綜合能力。具體教學(xué)設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 “船舶柴油機(jī)拆裝”實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)流程

(1)課前輕量預(yù)習(xí)

充分利用學(xué)生進(jìn)入教室的課前10～20min，通過雨課堂推送當(dāng)天學(xué)習(xí)任務(wù)清單。清單包括拆卸內(nèi)容的相關(guān)知識(shí)概述、當(dāng)天工作的時(shí)間安排及幾道思考題，分別用于幫助學(xué)生回憶理論知識(shí)，明晰工作任務(wù)并引發(fā)思考。思考產(chǎn)生的困惑發(fā)至雨課堂彈幕，等待教師課上解答或?qū)W習(xí)過程中自行解惑。

(2)教師精講要點(diǎn)

教師主要進(jìn)行船舶柴油機(jī)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的梳理，并結(jié)合虛擬仿真網(wǎng)站的教學(xué)視頻講解實(shí)際拆卸要點(diǎn)。講授內(nèi)容可根據(jù)學(xué)生上節(jié)課課后在雨課堂討論區(qū)的留言及課前學(xué)生的疑問進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，做到課前課中課后相聯(lián)系、相呼應(yīng)。時(shí)間控制在45min以內(nèi)，以維持較高的聽課專注度。

(3)學(xué)生分組學(xué)習(xí)

因?qū)嶒?yàn)室共有4臺(tái)拆裝用船舶中速柴油機(jī)，學(xué)生被平均分成4組，每組約7～8人，每2～3人共用一臺(tái)筆記本電腦。首先對(duì)教師講解的知識(shí)框架進(jìn)行填充學(xué)習(xí)，之后在電腦上登錄虛擬拆裝軟件客戶端進(jìn)行當(dāng)天拆裝部件的虛擬拆裝練習(xí)。練習(xí)成績(jī)單以PDF或Excel形式呈現(xiàn)，其中詳細(xì)記錄操作過程中的得/失分點(diǎn)，便于學(xué)生總結(jié)失誤，迅速掌握正確的拆裝流程。小組學(xué)習(xí)不僅可以減少因自學(xué)造成的各自為戰(zhàn)、效率低下問題，還可提升學(xué)生溝通表達(dá)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等人際領(lǐng)域的社會(huì)能力[8]，具有一定的挑戰(zhàn)度。

掌握虛擬拆裝部件的拆裝流程后，組員間相互配合，對(duì)實(shí)物進(jìn)行拆卸、檢查、測(cè)量、維護(hù)保養(yǎng)、裝配與調(diào)整操作[1]。在此期間，學(xué)生依舊可以反復(fù)查看虛擬拆裝流程以指導(dǎo)實(shí)際操作，了解虛實(shí)拆裝間的異同。在保證安全的前提下，學(xué)生擁有最大限度的自主權(quán)，合作探索拆裝方案；而教師僅進(jìn)行學(xué)習(xí)監(jiān)督，必要時(shí)才進(jìn)行指導(dǎo)，且僅允許每組學(xué)生至多求助兩次。

(4)學(xué)生分隊(duì)互講

不同組間的柴油機(jī)拆裝部件及流程因柴油機(jī)品牌、型號(hào)不同而有差異。為全面了解各種柴油機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及拆裝方法，同時(shí)鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力，實(shí)操后即進(jìn)入“同伴教學(xué)”環(huán)節(jié)。每組學(xué)生平均分成“講解隊(duì)”和“傾聽隊(duì)”。“傾聽隊(duì)”到不同類型組別，在該組講解員的帶領(lǐng)下，學(xué)習(xí)部件的異同及拆裝要點(diǎn)；而本組講解員們則與其他小組前來傾聽的隊(duì)員交流經(jīng)驗(yàn)體會(huì)，展示實(shí)踐過程要點(diǎn)。講授完畢后，教師依次提問傾聽者，查驗(yàn)“同伴教師”的授課效果。學(xué)生需在講解過程中全程錄像，方便教師課后對(duì)該隊(duì)講授效果打分。之后講解員和傾聽者的“師生”身份互換，實(shí)現(xiàn)互聽互講[3]。該流程結(jié)束后，全體學(xué)生匿名投票，選出若干名優(yōu)秀講解員，給予他們平時(shí)成績(jī)加分。最后，教師進(jìn)行當(dāng)日內(nèi)容總結(jié)，針對(duì)共性錯(cuò)誤、彈幕困惑進(jìn)行講解。

(5)課后個(gè)性復(fù)習(xí)

教師通過雨課堂推送延伸資料供學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)。學(xué)生課后可對(duì)當(dāng)日拆裝部件進(jìn)行虛擬拆裝練習(xí)，更新拆裝部件的課上練習(xí)成績(jī)至最優(yōu)值，訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)不限。學(xué)生有疑惑可在雨課堂討論區(qū)留言，教師或同學(xué)幫忙解惑。將“亮考幫”延伸至線上，既減少了學(xué)生書寫和教師批改的負(fù)擔(dān)，也鍛煉了學(xué)生分析解決問題的能力。

(6)測(cè)驗(yàn)、考試與報(bào)告

每日學(xué)習(xí)完成后，通過雨課堂對(duì)當(dāng)天學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，了解學(xué)生的真實(shí)學(xué)習(xí)情況。通過發(fā)布調(diào)查問卷及時(shí)獲得教學(xué)效果反饋，并結(jié)合學(xué)生提出的好建議，持續(xù)改進(jìn)授課內(nèi)容和教學(xué)方法。

周五下午學(xué)生進(jìn)行上機(jī)、口試和實(shí)操三部分的考試。上機(jī)考試時(shí)，虛擬拆裝系統(tǒng)會(huì)在34項(xiàng)子業(yè)務(wù)中隨機(jī)抽題組卷，學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)回答，交卷后系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)分?？谠囶}目涉及實(shí)船故障處理、柴油機(jī)部件原理介紹等多個(gè)方面，學(xué)生從10道題中抽取1道進(jìn)行回答，考官根據(jù)學(xué)生的回答情況給分。實(shí)操考試前，根據(jù)拆裝難度及拆裝配合人數(shù)要求，學(xué)生抽簽確認(rèn)自己的拆裝任務(wù)，并加入對(duì)應(yīng)的單人組、三人組或四人組。根據(jù)柴油機(jī)拆裝順序，組內(nèi)和組間成員相互配合，依次完成氣缸蓋、活塞、高壓油泵、噴油器等柴油機(jī)主要部件的拆卸和裝復(fù)工作，教師根據(jù)小組和個(gè)人表現(xiàn)給出綜合分?jǐn)?shù)。

實(shí)驗(yàn)報(bào)告分為工作總結(jié)和拓展探索兩部分。工作總結(jié)須對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的主要工作進(jìn)行描述記錄。而拓展探索則有多道題目可供選擇，學(xué)生結(jié)合自身就業(yè)意向和預(yù)計(jì)花費(fèi)時(shí)間自主選擇。拓展探索分為三個(gè)難度等級(jí)，滿分分值不同。簡(jiǎn)單級(jí)僅需要投入較少精力，適合陸上就業(yè)學(xué)生，主要在于復(fù)制和理解所學(xué)知識(shí)；中等難度則適合上船就業(yè)學(xué)生，多為貼合船舶實(shí)際且有一定難度的工程問題，涉及多門專業(yè)課知識(shí)，傾向于簡(jiǎn)單應(yīng)用；而困難等級(jí)則對(duì)應(yīng)讀研學(xué)生，側(cè)重于知識(shí)的搜集、匯總、凝練和簡(jiǎn)單創(chuàng)造，學(xué)生需要查閱一定量文獻(xiàn)，了解輪機(jī)相關(guān)的前沿知識(shí)，進(jìn)行多學(xué)科的融合與創(chuàng)新。

此外，該課程設(shè)計(jì)對(duì)學(xué)生的表現(xiàn)評(píng)價(jià)貫穿整個(gè)教學(xué)始終，過程性評(píng)價(jià)(上機(jī)練習(xí)加平時(shí)表現(xiàn))與終結(jié)性評(píng)價(jià)(多維考試加報(bào)告)成績(jī)比例為1∶1(如圖3)。該課程設(shè)計(jì)以教師和同伴作為評(píng)價(jià)主體，個(gè)人和團(tuán)隊(duì)作為評(píng)價(jià)對(duì)象，采用過程性評(píng)價(jià)和終結(jié)性評(píng)價(jià)并重的評(píng)價(jià)方式對(duì)學(xué)生的多維能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。此種評(píng)價(jià)體系從多維度、多層面、多視角[9]對(duì)學(xué)生的整體表現(xiàn)進(jìn)行考查，適用于工程教育認(rèn)證。

圖3 實(shí)驗(yàn)課成績(jī)分配方案

綜合來看，該教學(xué)設(shè)計(jì)流程既有效解決了此前出現(xiàn)的教學(xué)痛點(diǎn)，又滿足了“金課”“兩性一度”和工程專業(yè)教育認(rèn)證的相關(guān)要求，普遍適用于虛實(shí)結(jié)合且排課密集的工科實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課。

四、課程改革應(yīng)用成效

1.學(xué)習(xí)狀態(tài)明顯改善

教學(xué)改革前，因課程設(shè)計(jì)不夠合理，虛擬拆裝的加入并未改善課內(nèi)學(xué)習(xí)氛圍，反而增加過重的課外練習(xí)任務(wù)，學(xué)生僅有的晚上自主學(xué)習(xí)時(shí)間被擠壓，產(chǎn)生逆反情緒。教學(xué)改革后，課堂上不認(rèn)真聽課的學(xué)生明顯減少，學(xué)生之間討論熱烈，講解員態(tài)度認(rèn)真；課外虛擬拆裝練習(xí)數(shù)據(jù)顯示，絕大多數(shù)學(xué)生進(jìn)行3～4次練習(xí)后即可獲得滿分，雨課堂討論區(qū)學(xué)生樂于發(fā)帖與評(píng)論，分享學(xué)習(xí)體會(huì)。調(diào)查問卷顯示84%的學(xué)生對(duì)課程的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)都給予認(rèn)可。從學(xué)習(xí)成績(jī)來看，學(xué)生雨課堂測(cè)驗(yàn)答題的平均正確率約為78%，虛擬拆裝考試平均成績(jī)高達(dá)91分，各課程目標(biāo)的達(dá)成度超目標(biāo)閾值11%～18%。

2.多維能力同步提高

授課時(shí)教師不過分干預(yù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生通過獨(dú)立思考及團(tuán)隊(duì)協(xié)作來解決實(shí)際問題。學(xué)生借助虛擬仿真訓(xùn)練，熟悉柴油機(jī)內(nèi)部構(gòu)造，正確使用拆裝工具，實(shí)操拆裝又快又好。“同伴教學(xué)”給予工科學(xué)生表達(dá)的平臺(tái)，改善工科學(xué)生不愿意、不善于表達(dá)的普遍問題。很多學(xué)生起初講解效果不佳，經(jīng)過幾次講授過后就能夠邏輯清晰、言簡(jiǎn)意賅?？谠嚂r(shí)，多數(shù)學(xué)生能積極思考、敢于表達(dá)，思辨和解決實(shí)際問題能力得到提升。多人組高質(zhì)量完成實(shí)操反映了學(xué)生已擁有較強(qiáng)的動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。實(shí)驗(yàn)報(bào)告書寫訓(xùn)練培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)術(shù)寫作和創(chuàng)新能力，助力其參加各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，部分優(yōu)秀本科生進(jìn)實(shí)驗(yàn)室后發(fā)表多篇高水平論文。

五、結(jié)語

虛擬仿真項(xiàng)目可助力實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)，但必須做好教學(xué)流程設(shè)計(jì)。首先，通過課前輕量預(yù)習(xí)進(jìn)行目標(biāo)導(dǎo)引，引發(fā)思考，提升學(xué)生課上注意力。其次，教師精講重難點(diǎn)，適當(dāng)留白，為學(xué)生騰出思考和探索的空間。多元的課內(nèi)任務(wù)讓學(xué)生忙碌又充實(shí)。學(xué)生在分組學(xué)習(xí)中進(jìn)行多人協(xié)作，通過分享、質(zhì)疑、探究達(dá)到知識(shí)遷移、思維創(chuàng)新的目的[8]。增加課中虛擬仿真訓(xùn)練，“先虛后實(shí)”“以虛助實(shí)”，即時(shí)而緊密地相互印證，使得虛擬拆裝和實(shí)物操作兩者相輔相成，既可讓學(xué)生高效掌握正確的拆裝流程，又可減少實(shí)際拆裝的錯(cuò)誤和危險(xiǎn)。再次，進(jìn)行同伴間知識(shí)傳遞，學(xué)生表達(dá)能力得到鍛煉。當(dāng)日測(cè)驗(yàn)是對(duì)知識(shí)點(diǎn)的匯總考查，而教師的最后總結(jié)則是對(duì)孤立知識(shí)點(diǎn)的必要串聯(lián)。課內(nèi)虛擬拆裝練習(xí)保證了學(xué)生課后在短時(shí)間內(nèi)高質(zhì)量完成練習(xí)?？荚囀菍W(xué)生多維能力外化的集中展現(xiàn)。最后的實(shí)驗(yàn)報(bào)告書寫是能力培養(yǎng)的延續(xù)。具有針對(duì)性的拓展探索選題滿足各層次學(xué)生需要，內(nèi)容貼合工程實(shí)際，具有合適的挑戰(zhàn)度。改革實(shí)踐表明，該教學(xué)流程設(shè)計(jì)可提升學(xué)生課內(nèi)外的學(xué)習(xí)狀態(tài)，培養(yǎng)“準(zhǔn)畢業(yè)生”的創(chuàng)新、思辨、溝通、表達(dá)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等多項(xiàng)普適能力，為工科專業(yè)虛擬仿真“金課”建設(shè)提供新思路。