基于虚拟仿真平台的线上线下混合式教学研究

摘  要：伴随着大数据时代的来临，高等教育模式正面临着重大改革。为提高相似理论与相似方法课程的教学效果与质量，该文构建基于虚拟仿真平台的线上线下混合式教学模式，从课前学习、课上教学、课堂讨论和课后辅导等方面对混合式教学进行综合的论述，通过教学反思，对教学模式提出相应建议与心得，以期更好地提高学生学习的效率，为混合式教育模式的改革分享经验。

关键词：相似理论与相似方法；虚拟仿真平台；混合式教学；教学模式设计；教学反思

中图分类号：G640        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）02-0041-04

Abstract： With the advent of the era of big data， the higher education model is facing major reforms. In order to improve the teaching effect and quality of the course of Similar Theories and Similar Methods， this paper constructs an "online and offline hybrid" teaching model based on the virtual simulation platform， and comprehensively discusses the hybrid teaching from the aspects of pre-class learning， in-class teaching， classroom discussion and after-class tutoring etc. Through the teaching reflection， the author puts forward corresponding suggestions and experiences on the teaching mode， in order to better improve the efficiency of students' learning and share experience for the reform of mixed education mode.

Keywords： Similar Theories and Similar Methods; virtual simulation platfor; the hybrid teaching; teaching mode design; teaching reflection

随着互联网技术的不断发展，高等教育的教学模式也随着互联网技术的广泛应用而发生重大改变[1]，虚拟仿真平台、翻转课堂逐渐发展成为近几年教育界的研究热点[2]。教学模式的发展改变了传统教育在形象性和信息显示等方面的缺点，不仅给广大学子提供了广阔的学习平台，同时激发了现阶段我国教育改革的攻坚时期，基于仿真平台的线上线下相互结合的混合式教学模式已然成为教学模式研究及应用的重点[3-4]。面对当下教育信息化及教学模式的改革，教学工作者需要紧随时代的需求，开拓新的教学方法。

实际科研中经常会遇到根据工程实验构建实验模型，将实验结果应用于工业实际等问题[5]。在这种情况下，人们不得不去寻求有别于传统研究模式的新的、更方便有效的理论和方法，相似理论与模型实验，便在这样的情况下诞生[6]。相似理论与相似方法课程主要包括相似准数构建的基本原理、相似的概念、相似三定理的定义和运用方法，以及条件、工程实际的具体应用等，是为人们提供应用于指导模型实验方法的一门学科，为了更好地培育安全工程专业人才，合理运用相似理论与方法解决工程实际问题，以实际问题为导向，将实践教学和科研项目中的具体案例问题融合在虚拟仿真实验中，引导学生探索、思考、解决问题，加深对基础知识和企业现场具体需求的理解。本文基于虚拟仿真平台的混合式教学模式核心理念，对相似理论与相似方法课程进行教学设计，为高等教育模式的改革分享经验。

一  虚拟仿真平台混合式教学模式

虚拟仿真这个概念最早是在1989年由威廉·沃尔夫教授提出的[7]。当下的虚拟仿真平台混合式教学模式主要是针对在校学生，包括大学生、研究生等设置的，是指在小规模范围内将课堂教学与线下教学相互融合的的一种混合式学习模式[8-9]。通过在教学课堂中运用针对性比较强的在线虚拟仿真教学资源，比如虚拟实验视频等，实施翻转课堂教学[10]。

虚拟仿真平台混合式教学模式的基本流程为老师通过虚拟仿真平台提前建立好工程与科研中重点、难点案例问题库，采用线上线下混合式教学融合模式，线下讲授虚拟实验相关的事故发生机理等基础理论，线上通过虚拟仿真实验平台，实现以问题为导向的人机交互，进行相应事故场景理解深化、实验技能提升、常用事故预防技术及装备现场应用的虚拟仿真、实验综合知识考核等。学生通过提前学习课程内容，然后在线下课堂中以问题的形式对老师进行反馈，老师通过收集学生产生的疑问，了解学生的学习动态，在课上有针对性地讲解课程重点和难点，在与学生一起处理作业或其他任务总体上，教师可以根据自己的偏好和学生的反馈，自主设置和调控课程的进度、节奏和评分系统，学生必须保证学习时间和学习强度，参与在线讨论，完成规定的作业和考试等，在线学习会占最终成绩的一定比例。基于虚拟仿真平台的混合式教学模式作为目前主流的一种教学方式相比于其他传统教育具有一定的优势，具体比较见表1。

二  教学模式改革的思考

（一） 课程分析

相似理论与相似方法是全国各大高等学府工科类安全工程类专业的一门非常重要的专业基础课程，该课程是相似理论与相似方法在实践中的应用过程，课程的信息量较大，相似三定理的理论性较强，涉及的领域比较广泛，不仅涉及力学、高等数学领域，同时对模型和创新点具有较高的要求，例题的解算步骤繁琐、应用性比较强。该课程的学习目标主要为，使学生能够应用相似理论和相似方法的基础理论内容和专业知识搭建相应的物理模型以供实际实验的需要，解决实际科研过程中无法根据实验构建实验模型等复杂安全工程问题及对问题进行分析与求解；能够利用相似理论等知识理论进行复杂工程问题的识别和分析；能够利用相似理论等知识对工业复杂安全问题进行相应实验模型的建立，拿出最优的实验模型方案。

（二） 教学中的问题

这门课程对培养学生自主创新能力及良好科研基础的养成有重要作用，通过问卷调查，笔者在教授这门课程中总结出该课程在传统课堂的教学过程中主要存在如下问题。

首先，相似理论与相似方法课程涉及的领域比较广泛，对学生创新性能力要求较高，教学任务较重，在讲解过程中存在许多难点、疑点；相应的例题需要搭配一定的图文进行讲解，这就导致使用传统的教学方式不再满足于掌握知识点的基本要求，学习效率不佳。

其次，传统的教学模式中，老师主要把精力集中于知识的传输过程，忽略了学生对知识的消化吸收情况，学生基本上为被动学习，学生的主动性和积极性无法体现，对学生掌握了哪些知识点更是很难进行掌握。

最后，在传统的教学模式下，学生不能很好地进行深度学习，相似理论与相似方法课程不仅需要学生进行深度的理论学习，同时在日后的科研过程中需要依据理论进行相应的实践，传统课堂不能突破时间及空间的限制，所以这种模式下很难保证学生学习的效率和深度。

仅靠传统的黑板式教学很难达到预期的效果，所以必须对原有的传统的“黑板+PPT”式教学进行改革，将目前主流的基于虚拟仿真平台的混合式学习方式融入到线下教学模式中。通过线上的课程对实际问题进行虚拟仿真，可以弥补传统式教学课时有限导致学生对实际工况理解不够充分、学习效率低下的情况。目前该门课程已完成所有的准备工作，并已开展了教学实践，通过学生反馈情况表明该方式取得了较好的结果，得到了广大师生的一致认可。

三  教学设计

（一）  课程目标

为了改变相似理论与相似方法课程传统式教学中存在的种种问题，依据当下教育改革以学生为中心的目标、信息化的教学模式，参照基于虚拟仿真平台的混合式的核心教学理念，对该课程进行教学设计，从而改变相似理论与相似方法课程的教学方法，使其达到以下教学目标。

第一，知识目标。熟悉相似基本理论，掌握相似三定理与方法，熟练课本中的相关例题以达到可以根据工程实际建立相应物理模型的知识储备。

第二，能力目标。不仅局限于课本内容的理解和吸收，还可以运用基本的相似理论与方法结合虚拟仿真实验建立实际工程模型并对模型进行实验和求解。

第三，素质目标。培养学生良好的创新思考能力、动手能力，塑造学生综合分析工程实际、解决工程实际问题的素养。

（二）  教学过程与实施

1  课前学习

在课堂教学之前，老师首先通过虚拟仿真平台根据课程的安排和教学大纲内容形成相应的案例问题库，将以问题为导向的关键知识推送给同学，达到主动学习的目的。老师在制作教学问题库时，不仅要符合大纲的基本要求，同时还要充分考虑学生学习的能力和效率，做到问题合理有序，重点突出。老师根据学生近期的学习情况在虚拟仿真平台发布课前学习计划，同时设置知识讨论重点及随堂测试题目，学生在学习完成后可以对课程内容形成初步的了解。在完成讨论重点和随堂习题后可以在平台进行交流和沟通，分享自己的学习心得及疑惑，同时，老师可以根据学生的反馈，了解学生的学习进度及情况，对学生的疑惑进行汇总，以便在线下课堂中重点讲解。充分了解学生的学习情况，课堂的教学会更加有针对性，此方法极大地提高了课堂效率。课前学习教师和学生的任务流程图如图1所示。

图1  教师和学生的任务流程图

2  课堂讲解

结合学生在虚拟仿真平台的学习情况、分享与反馈，老师的课堂讲解主要包括以下几个环节。

1）老师对平台进行数据分析，从中选取比较有价值的重点内容及自己总结的文章重点对学生进行讲解，在讲解过后加深学生对此节课的理解，帮助学生加深对知识点的理解，完成知识框架的建构。

2）在同学完成课前学习的情况下，老师可以按照平台中学生的反馈适当地调整课堂讲解计划，对学生基本掌握的基础部分可以缩短时间，主要针对知识讨论点及学生提出的难点、疑点进行讲解，并将存在的问题进行阐述及延伸。将学生提出的重点拿出来一起讨论、讲解。

3）课堂教学要充分利用师生相处的时间，老师可以提出相比于基础知识更加有深度的内容与同学们进行交流和讨论，激发学生自主思考和创新能力，通过深层次的交流和讨论，不断提高学生对这一节课程的理解，培养学生的思维和解决问题的能力。

4）在教学过程中还可以随时发起签到、临时提问、抢答等环节，保证每位同学都能积极参与，可以采取奖惩制度，对旷课或表现突出的同学进行加分和减分。

此方法极大地节省了教学时间，提高学习效率，避免老师在基础问题上投入大量时间，在学生存在疑惑的部分没有对其进行充分的讲解等情况的发生，同时也使学生对课堂内学习的内容进行更好的理解和吸收。

3  课堂讨论

在课程开始之初，针对平台中的反馈及学习情况，可以将班级同学划分为几个大组，每个组中不仅要包括学习进度比较靠前的同学也要包括学习能力比较慢的同学，将课堂时间重点放在课堂共同讨论环节，对于比较复杂的问题可以拆分为若干个子问题，将问题和知识讨论点在划分的几个大组中进行讨论，锻炼学生自主讨论解决问题的能力，同时能力较强的同学可以带动学习能力较差的同学，充分保证学习进度的一致性，最后通过老师与学生的讨论和交流引导学生解决问题。