线上线下混合应用的虚拟仿真实验教学模式

罗怡 丁雪萍 王新鑫 李春天

[摘 要] 针对当前实验教学在教学模式、学习形式、考核方式等方面存在的问题，提出基于SPOC教学模式，将SPOC在线教学与虚拟仿真实验教学深度结合，虚拟仿真实验和实验室实体实验深度融合，通过课前、课中和课后三个阶段的教学活动设计，形成应用于虚拟仿真实验教学的线上线下混合式教学新模式，致力于充分调动和培养学生自主实践创新能力，构建思路清晰、形式新颖的混合式实验教学方案，从而提高实验教学活动设计的开放性，切实提升实验教学质量。

[关键词] 虚拟仿真;实验教学;混合式教学;SPOC

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）10-0153-04 [收稿日期] 2021-03-20

教育部《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》中指出：教育信息化发展要以教育理念创新为先导，以优质教育资源和信息化学习环境建设为基础，以学习方式和教育模式创新为核心，提出信息技术应与教育全面“深度融合”的全新理念[1]。自2013年教育部启动国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作以来，营造虚实结合的实验环境和平台已成为信息技术融入实验教学的重要举措[2]。结合信息技术与教育全面“深度融合”的理念，SPOC（Small Private Online Course，小规模限制性在线课程）应运而生。相对于MOOC（Massive Open Online Courses，大规模在线开放课程）而言，SPOC是一种将课堂教学与在线教学相结合的新型学习模式[3]。既融合了MOOC的优点，又弥补了传统课堂教学的不足[4]。SPOC在教学应用中更强调线上课程和线下课堂的互补和融合，更适合个性化学习和新型实验教学模式的开展[5]。利用SPOC进行线上线下混合式实验教学，有助于虚实结合的实验教学环境的设计与呈现，促进新型实验教学模式的开展和深化[6，7]。

本文以当前教育领域热门的在线开放教学为切入点，将SPOC教学模式引入专业实验教学，虚拟仿真实验与实验室实体实验相结合，以开放共享的理念设计专业实验教学活动，形成开展虚拟仿真实验教学应用的線上线下混合式教学新模式。

一、传统实验教学模式存在的问题

实验教学的最终目的致力于培养学生的实践能力和自主探索能力[8]。但是，在目前的高校实验教学中，普遍存在以下问题。

（一）教学模式单一化

将实验教学依附于理论教学已成为广泛采用的传统教学模式，实验教学仅在于验证知识、得出结论，在实验过程中教师指令性地讲授知识，学生被动完成学习目标，实验课程教学模式单一化，学生分析、解决问题的能力得不到培养[9]。

（二）学习形式机械化

简单的验证演示性实验居多，挑战性的创新、综合设计实验偏少。实验教学过程缺少能调动学生独立思考的实践活动，无法调动学习兴趣，学生容易注意力涣散，学生的自主实践能力以及创新思维能力得不到锻炼。

（三）考核方式程式化

现行的实验教学多将提交实验报告等单一的结果性评价作为唯一的考核方式，忽视了对实验教学过程的考核。学生的自主学习能力和创新思维能力无法得到检验，动手和实践能力无法真实展现。另外，教师并不能准确掌握学生在实验过程中的真实学习态度和学习成效。

二、混合式教学对虚拟仿真实验教学的价值

在实际教学应用中，线上网络课堂和线下传统课堂在教学应用中各有利弊，因而教育领域提出了线上线下混合式教学。混合式教学采用的方式是把线下传统课堂教学与在线课堂教学结合起来，以教师为主导，引导、启发、监控教学过程;以学生为主体，充分调动学生参与学习的主动性与创造性。因此，线上线下混合式教学呈现了信息时代教育教学的一种新模式[10]。

本文提出基于SPOC教学模式将虚拟仿真实验和实验室实体实验深度融合，形成线上线下混合式教学应用于实验教学的总体思路。具体而言是遵循“学生为主体、教师为主导”，以学习成果为导向，利用形式多样的学习资源，将再现式实验教学转变为情境多样的线上线下混合互动式实验教学，激发学生学习兴趣，培养学生自主实践能力，构建出思路清晰、形式新颖的混合式实验教学方案。

三、混合式虚拟仿真实验教学模式

针对作者所在焊接技术与工程专业的学科特点及虚拟仿真实验的教学特点和优势，设计了线上线下相结合的混合式实验教学模式。该实验教学模式主要将虚拟仿真实验的教学设计在课前线上学习、课中实验、课后反思测评3个教学阶段予以体现。通过将线上线下教学模式相结合应用于虚拟仿真实验或实验室实体实验，使实验教学活动组织与进程适应于学生认知行为。图1所示为将虚拟仿真实验设计为核心实验的教学模式，图2、图3所示为虚拟仿真实验和实验室实体实验混合的教学模式。根据教学目标的具体要求，可将虚拟仿真实验设计为前期认知实验，实验室实体实验设计为进阶实验（图2），也可将实验室实体实验设计为前期认知实验，虚拟仿真实验设计为进阶实验（图3）。

（一）课前线上学习阶段

该阶段将SPOC学习平台与实验教学相结合，基于SPOC学习平台设计课前学习活动，以实现基本实验知识传授为学习任务导向。

1.教师教学部分。教师通过SPOC学习平台管理实验教学学习资源，模块化实验课程知识内容，使每个模块体现具体的实验基础知识点。根据实验课程的进程安排设计阶段性学习目标、教学活动，并通过SPOC学习平台追踪和管理学生学习行为，有针对性地解决学生学习疑难，监督学习任务的完成。

2.学生学习部分。学生通过SPOC学习平台接收教师布置的学习任务，根据自身情况安排线上资源学习。在充分完成学习资源的学习后，通过学习资源中的习题以及单元测试检验课前自主学习的质量，完成学习过程监督考核。并且可以通过线上交流及时获得教师对学习疑难的解答。根据教学活动设计，还可组织小组协作式学习，考核团队合作，完成实验方案设计。

（二）課中实验阶段

该阶段以实验任务为导向进行自主实践，主要依靠线上虚拟仿真实验或线下实验室实体实验来完成，以实现知识的内化为主要目的。

1.教师教学部分。教师可以单一虚拟仿真实验为核心实验设计实验教学活动及实验任务，适用于教学目标较为单一的实验项目。也可以设计更为复杂的实验教学活动和实验任务，根据线上虚拟仿真实验和线下实验室实体实验各自的特点，将二者相结合，以虚拟仿真实验作为实验室实体实验的前期基础，或实验室实体实验作为虚拟仿真实验的前期基础，设计高层次的任务复合型综合实验项目。例如，焊接技术与工程专业的机器人焊接工艺设计实验，可将焊接机器人工作原理、组成结构、焊接工艺示教编程等基础性实验设计为虚拟仿真认知实验，使学生在虚拟仿真环境中反复学习和熟悉;在进阶实验阶段则通过实验室实体机器人完成工艺设计和结构焊接实施。再如，车架零部件结构的焊接生产实验，可将基础性实验设计为实验室实体机器人操作认知实验;在进阶实验阶段则通过虚拟仿真技术创设复杂逼真的虚拟生产环境，使学生在几近真实的环境中通过虚拟实践学习车架零部件的多工位焊接制作流程。在实验课堂中，教师的角色被重新定位，是学生学习的引导者，主要起到组织教学活动、控制实验进程、引导学生思考、解答疑难问题和实验总结评价的作用。

2.学生学习部分。学生在前期线上自主学习的基础上，在实验课堂中通过虚拟仿真实验和实验室实体实验过程中的不断实践提升实验技能和对知识内容的认识。通过教师引导以及学习进程中的团队协作，解决实验中遇到的问题，极大地锻炼自身的综合素质，促进实践能力的提升。

（三）课后反思测评阶段

该阶段以学习成果评价为导向，以线上结合线下的多种形式来完成，以实现知识的巩固、拓展、分享为主要目的。

1.教师教学部分。针对学生在前两阶段的学习情况，教师以巩固学习成效为目的设计课后考核任务。在阶段性实验任务完成后，教师需要引导学生发现自己在实验中的问题或不足，指导学生团队开展课后讨论和优化改进。教师课后的评价以过程+结果的综合评价为主，并根据学生学习情况反馈，进一步更新实验教学资源和完善实验教学设计。

2.学生学习部分。学生课后的主体学习任务是对实验环节、结果等进行评价及反思，以小组实验汇报等多种形式总结实验成功及不足之处。可以采取对疑难问题重复学习、查找资料、寻求教师帮助等多种形式优化、改进实验方案，或开展后续实验内容的准备和探索。

结语

充分利用SPOC的教学资源形成线上线下混合式教学模式，势必成为高校教学的未来发展趋势。基于SPOC平台将虚拟仿真实验与实验室实体实验相融合，将线上的教学资源与线下课堂的实验操作相融合，形成虚拟仿真实验教学新模式。在信息技术与教育全面“深度融合”的教育理念下，不断探索新技术在传统实验教学中的应用与融合，不断完善和普及新型教学模式的应用。通过实验实践教学，学生学习的主观能动性、实践创新能力和实验教学质量得到了有效提高。

参考文献

[1]教育部关于印发《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》[EB/OL].（2012-03-13）[2021-02-13].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201203/t20120313_133322.html.

[2]李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，32（11）：5-8.

[3]刘景艳，李玉东.“SPOC+翻转课堂”教学模式在“电路实验”中的应用[J].电气电子教学学报，2018，40（4）：125-127147.

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[9]曹赛男.基于SPOC与翻转课堂耦合模式的新能源材料与器件专业实验教学研究[J].山东化工，2020，49（20）：189-191.

[10]侯学清，何淑花.混合式教学在《无机化学实验》中的探索与实践[J].广州化工，2020，48（21）：201-202.

Virtual Simulation Experiment Teaching Mode for Online and Offline Mixed Teaching Application

LUO Yi 1，2， DING Xue-ping 1，2， WANG Xin-xin 1，2， LI Chun-tian 1，2

（1. School of Material Science and Engineering， Chongqing University of Technology， Chongqing 400054， China;

2. Chongqing Municipal Engineering Research Center of Institutions of Higher Education for Special Welding Materials and Technology， Chongqing 400054， China）

Abstract： In view of the problems existing in the current experimental teaching， this paper proposes a new mode of online and offline mixed teaching applied in virtual simulation experiment teaching based on SPOC teaching mode， which integrates virtual simulation experiment and real laboratory experiment deeply. Through the design of teaching activities in the three stages of pre-class， in class and after class， this mode forms a new mode of online and offline mixed teaching applied to virtual simulation experiment teaching. The new mode is committed to training students’ independent practice and innovation ability， and constructing a clear and new mixed experimental teaching scheme， so as to improve the quality of experimental teaching.

Key words： virtual simulation; experiment teaching; mixed teaching; SPOC