基于虚拟仿真技术的案例教学法创新实践教学研究
来源:用户上传
作者:
[摘 要] 为激发学生学习的主动性、提高学生积极思维能力和动手实践能力的培养，提出了一种基于虚拟仿真技术的案例教学法，该方法的实现过程是“课前准备：案例选择与虚拟仿真制作—案例的简介—实验案例实现步骤的讨论—学生做出决策—实验案例的虚拟仿真实践—课堂总结”。实验结果表明，此种教学方法寓教于乐、学生积极参与、勇于探索;能够突破时空限制使学习者对系列或系统的操作任务有明确的认识;通过良好的人机交互、启发式导引，学习者自身对操作步骤、技术要点了然于心，同时对任务背后的設备、系统的工作原理产生了浓厚的兴趣和深刻的理解。
[关键词] 实践教学;案例教学法;虚拟仿真技术
[基金项目] 2019年上海理工大学教师教学发展研究项目“分布式3D包装工艺虚拟仿真教学平台建设”（CFTD194045）;2019年度上海理工大学优质在线课程建设项目“虚拟现实技术基础”;2019年上海高校本科重点教改项目“沉浸式中国戏曲曲艺音乐理论课堂建设”
[作者简介] 王文举（1979—），男，山东济南人，博士，讲师（通信作者），研究方向为高等工程教育;张玄（1982—），女，山东济南人，博士，讲师，研究方向为中国传统音乐;姜中敏（1980—），男（满族），河北承德人，硕士，讲师，研究方向为色彩管理和实验室管理。
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）35-0322-03 [收稿日期] 2019-09-10
一、引言
传统教学方法主要是基本知识和原理讲解后，教师进行示范传授或在图纸或模拟板上进行模拟演习。传统教学法仅着眼于知识的传授，学生学习的主动性受到了限制，严重影响了学生积极思维能力和创造能力的培养。为克服上述缺点，产生了一种基于案例的教学法并被不断地摸索探究成为了国内外关于实践教学的研究热点。2017年，L.F.S.Minniti通过文献回顾介绍了案例教学法和案例教学法在巴西的发展历史，指出案例教学法是一种主动学习策略的应用，将促进批判性思维，鼓励辩论，激发师生互动，可行性高。2014年，秦长城提出在计量经济学课堂教学中采用小而精的案例教学法，使学生更有效的理解和掌握知识要点，从而实现教学目标[1]。但上述案例教学方法因缺乏案例场景的沉浸感，学生参与体验不均等，受场地时间所限案例学习也不能系列化系统化，教学效果仍有进一步改进的空间。
二、基础教学方法与技术
1.CBL教学法。案例教学，指的是指以案例为基础通过设置特定的情境，以学习者为主体，在教师的导引下通过学习者之间对案例的相互讨论交流和总结，从而切实提高学习者分析问题、解决问题能力的一种高效教学方法。案例教学一般主要包括四个阶段：第一阶段：案例讨论的课前准备;第二阶段：案例讨论的开场白;第三阶段：案例的课堂讨论;第四阶段：案例讨论的总结。案例教学的优势是：①以真实案例为切入点，启发式教学学生参与热情高;②以学生为主导，注重学生主体性、自主性的发挥;③鼓励思考、交流、合作;④注重实务，强调学生分析处理能力。案例教学的局限性是：①案例的完整展开受课堂时间、所在空间有限性的约束，案例片段肢解化;②经典案例缺乏，形不成系列化、系统化，理论深度不够;③学生参与度、接触知识要点机会无法均等;④课程成绩评定无法客观公正。
2.虚拟仿真技术。虚拟仿真是使用虚拟现实技术来对系统进行仿真，它将虚拟现实与系统仿真结合成一个有机的整体：充分利用了虚拟现实技术的沉浸感、交互性、想象力的三大基本特性来进行真实环境的营造;利用了系统仿真技术建立相应物理系统数学模型的能力用于充分揭示系统的内在运行规律[2]。虚拟仿真教学是指利用虚拟仿真技术模拟出案例发生的真实情境，让学生在模拟的情境下进行探究和学习。这种教学方法因其具有高效率、低成本、案例内容丰富、性能有效和安全等优势，在教学上得到了越来越多的应用和推广。
三、基于虚拟仿真技术的CBL教学法
将虚拟仿真技术与CBL教学法相结合提出了一种基于虚拟仿真技术的CBL教学法。本教学方法共分为以下几个步骤：
1.课前准备。①教师确定教学目标，选取经典案例。在基于虚拟仿真技术的CBL教学法进行实践课程教学时，围绕教学对象，课时安排中的每一节课教师都要有明确的教学目标，并通过QQ、手机微信app在线等软件提前告知学生本次课上要实践的教学内容。根据教学内容，教师罗列出与此相关的所有案例，而后从真实性、示范性、简洁性、开放性四个角度做进一步的筛选，保证选取的案例不虚构-能够复原再现、不复杂、不具争议性、过程清楚明了。②学生阅读有关的理论。针对教师提前告知的既定的教学目标与内容，学生在网上或者图书馆进行查找相关文献、阅读相关理论，提出自己的实验步骤方案，并列出自己的疑问。③案例的虚拟仿真制作。根据教师授课所选定的经典案例集合，分析每个案例操作中所牵涉到的厂房环境、设备型号、性能、具体操作步骤、设备在每一步地操作过程中给予的响应变化、理清设备变化背后所蕴藏的基本工作原理。到案例事发现场进行调研拍照获取设备的纹理照片并经过photoshop软件进行简化处理。对于案例所涉及到的厂房环境、设备、天气状况使用3Dmax软件进行1∶1的三维实体建模、纹理贴图、灯光渲染生成。并将所建三维模型导入到虚拟现实软件unity中，供在unity软件所构造的虚拟视景里，使用者能在触发虚拟设备部件时进行交互操作体验;构建专家知识库使软件对使用者的每一步操作给予指导。在unity软件中，根据课堂教学所在环境将上述虚拟仿真程序进行发布生成在个人计算机、智能手机端可运行的虚拟仿真教学exe文件。
2.案例的简介。在课堂上，教师首先通过简单提问来引导学生进入案例情境，该案例情境此时还是由教师口头描述。随后教师通过文本、影片、报纸文章等方式介绍案例内容，并告诉学生课程实验的工作内容及计划，此时在学生头脑中形成了一个案例发生过程的情境框架。教师指导学生打开虚拟仿真教学软件程序，使用键盘、鼠标在案例虚拟场景中进行虚拟漫游，使学生沉浸在案例所发生的虚拟情境中，对案例产生的背景、环境、设备有了直观的视觉感受。 3.实验案例实现步骤的讨论。对学生进行分组，组内成员协作分工，通过书、网络等途径获得解决实验案例的相关信息、并于成员对各自所形成的初步解决方案进行交流和讨论。老师在学生讨论过程中要求只进行线索引导不对学生给出详细的实验技术方案步骤。
4.學生做出决策。学生经过小组讨论提供了各种可能的解决方案，并总结出各种方案的优缺点，但每人心中都会有一种最优方案。
5.实验案例的虚拟仿真实践。每个学生操作计算机或智能手机在虚拟仿真平台上进行虚拟仿真实验，检验学生心中所提供的决策方案是否是最优方案。在学生具体的虚拟仿真操作过程中，软件将依据专家知识库实时针对学生的操作给予语音、文本、动画的指导。
6.课堂总结。重申实验案例操作重点，加强记忆;讨论并进行细致的分析操作失误的主要问题并引导学生揭示该现象背后蕴含的专业理论，加强学生理论联系实践、指导实际动手的能力。
四、教学法实例与分析
本教学方法应用于职业教育——电力系统实习训练的实践教学中。为使学生全面掌握110KV变电系统设备的操作，教师亲自到上海洋山港配电系统深入调研，共完成283个变电站操作票案的选取与整理。在实践教学上，教师简介了实习训练的内容并以问题的方式引导学生进入实习情境。随后教师指导学生使用虚拟仿真软件在110KV变电系统中进行3D场景漫游沉浸在案例所发生的虚拟场景中，见图1。而后学生分组，在组中讨论如何实践操作任务并形成书面的解决方案。学生打开虚拟仿真软件，对设备按照自己拟定的操作任务实现步骤利用鼠标、键盘或点击触摸屏进行仿真操作。具体操作步骤如下：
在程序界面里选取149操作票“10KV 1号电容器从开关检修改为冷备用”案例如图2a。
1.按下“x”键出现第一步操作语音提示“将10KV 1号电容器车式闸刀推至试验位置”在此语音提示下，鼠标左击图2b红笔标示处，车式闸刀被推至试验位置。
2.出现第二步操作语音提示“放上10KV 1号电容器开关二次插头”，鼠标左击图2c红笔标示处，二次插头合上。
3.出现第三步操作语音提示“合上10KV 1号电容器开关合闸电源开关”，鼠标左键点选图2d红笔标示处，开关合闸电源开关被合上。
4.出现第四步操作语音提示“合上10KV 1号电容器开关直流操作电源开关”，点选图2e红笔标示处，直流操作电源被合上，上柜门的绿灯变亮见图2f红笔标示处。
5.出现操作票操作成功对话框如图2g，各种设备恢复到冷备用起始状态，整个实习训练案例结束。
上述交互操作过程中，虚拟仿真软件给予的语音、flash、动画都取自专家知识库。100名学生上过该课，经过统计100%的学生在最后的总结过程中，每个学生都乐于谈及切身的感受并做体验小结：表示此种教学方法能够突破时空限制使学生对系列或系统的操作任务有明确的认识;通过良好的人机交互、启发式导引，学习者自身对操作步骤、技术要点了然于胸;学习者对任务背后的设备、系统的工作原理产生了浓厚的兴趣和深刻的理解。
参考文献
[1]秦长城.计量经济学案例教学法及小而精案例探讨[J].中国大学教学，2014（2）：45-47.
[2]赵经成.虚拟仿真训练系统设计与实践[M].北京：国防工业出版社，2008.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/9/view-15307216.htm
