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      構(gòu)建虛擬仿真實驗教學(xué)多元評價體系

      2020-07-29 08:57龔成勇韓偉王之君何香如
      關(guān)鍵詞:虛擬仿真實驗能力培養(yǎng)教學(xué)效果

      龔成勇 韓偉 王之君 何香如

      摘要:文章以《水電站》課程虛擬仿真實驗為例,研究其成績評價方法,通過研究虛擬仿真實驗的特征、評估方法演變及改革思路與模式設(shè)計,進行實踐應(yīng)用。經(jīng)過學(xué)生學(xué)習(xí)效果分析和實踐證明,采用多元評價方法評價虛擬仿真實驗教學(xué)成績,不僅符合教學(xué)規(guī)律,適應(yīng)教學(xué)模式,滿足課程教學(xué)要求,而且在教學(xué)各環(huán)節(jié)均能起到提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性的作用,極大地提高了虛擬仿真實驗教學(xué)成績評價的客觀性和準確性。

      關(guān)鍵詞:虛擬仿真實驗;教學(xué)效果;多元評價方法;能力培養(yǎng)

      中圖分類號:G642.1 ? ? ?文獻標(biāo)志碼:A ? ? ? ? ?文章編號:1673-8454(2020)06-0051-06

      一、引言

      虛擬仿真實驗是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物,虛擬仿真實驗教學(xué)突破了高校傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式,是當(dāng)前實驗教學(xué)的發(fā)展方向[1]。虛擬仿真實驗是通過模擬真實的實驗操作環(huán)境和實驗對象,使學(xué)生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開展實驗[2]。虛擬仿真實驗教學(xué)除了具有重要的技術(shù)特征外,還要滿足教學(xué)大綱的要求[3]。

      筆者認為虛擬仿真實驗教學(xué)是利用計算機網(wǎng)絡(luò)、多媒體、信息、數(shù)據(jù)可視化、虛擬現(xiàn)實和人機交互等技術(shù),融合相關(guān)專業(yè)原理和數(shù)據(jù)信息,派生出來的教學(xué)形式,其遵從教學(xué)的基本規(guī)律,具有傳統(tǒng)教學(xué)的基本屬性,像其他課程教學(xué)一樣,由各環(huán)節(jié)構(gòu)成了一個系統(tǒng),該系統(tǒng)的關(guān)鍵組成主要包括教學(xué)主體、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)載體、實施策略、教學(xué)反饋與監(jiān)管、教學(xué)評價和教學(xué)進化與發(fā)展等。

      隨著本科生虛擬仿真實驗的普及,其教學(xué)效果如何考核以及學(xué)生成果如何評價,成為本科生課程考核的新問題。蘭州理工大學(xué)水利水電工程系開設(shè)虛擬仿真實驗以來,筆者對其進行了深入研究,結(jié)合多年教學(xué)考核評價的積累,逐步提出針對虛擬仿真實驗課程相關(guān)的考核方法并不斷完善,以便建立一整套適用于虛擬仿真實驗的、操作性較強的、具有指標(biāo)科學(xué)明確的質(zhì)量評估體系。

      課程教學(xué)多元化考核方法是高等教育發(fā)展的必然趨勢,虛擬仿真實驗教學(xué)作為新型的教學(xué)手段,其考核方式較傳統(tǒng)教學(xué)模式而言,采用多元的考核方式有良好的先決條件?;诖?,筆者對水利水電工程專業(yè)骨干核心課程《水電站》進行了教學(xué)改革,通過混合式和項目式教學(xué)項目的建設(shè)、改革與教學(xué)實踐,開設(shè)了4學(xué)時的課內(nèi)虛擬仿真實驗,并將課程的虛擬仿真實驗作為考核的分項,成績列入課程成績。

      白冬松[4]等指出虛擬仿真實驗教學(xué)可以有效解決傳統(tǒng)實驗教學(xué)缺乏統(tǒng)一、客觀、全面、系統(tǒng)的評價考核實驗操作過程這一弊端。但由于課程特點和教學(xué)環(huán)節(jié)存在差異,需要探討如何將多元化的考核方法科學(xué)合理地應(yīng)用于《水電站》課程虛擬仿真實驗的教學(xué)。我國高等學(xué)校課程教學(xué)呈現(xiàn)多樣化的形式,考核方法也逐步采用多元化的方法,因此,構(gòu)建虛擬仿真實驗教學(xué)多元評價體具有極為重要的意義。

      二、構(gòu)建《水電站》課程虛擬仿真實驗教學(xué)的多元化評價方法

      1.《水電站》課程虛擬仿真實驗教學(xué)能力分解

      面對現(xiàn)代水電站工程愈來愈呈現(xiàn)出“空間體量巨大、結(jié)構(gòu)類型多樣、施工周期漫長、管理關(guān)系復(fù)雜”的趨勢,加之《水電站》課程涉及水工建筑物學(xué)、水能水利規(guī)劃學(xué)、水力機組及其輔助設(shè)備、電力與電氣設(shè)備、計算機網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控、機組運行和工程力學(xué)等多學(xué)科,知識點繁雜,通過課程虛擬仿真實驗是為了更好地實施“基礎(chǔ)—綜合—系統(tǒng)—創(chuàng)新”的培養(yǎng)體系,提高人才培養(yǎng)質(zhì)量進而適應(yīng)社會需求。

      根據(jù)教學(xué)改革的總體思路,我們制定了《水電站》課程虛擬仿真實驗的教學(xué)目標(biāo)?!端娬尽氛n程虛擬仿真實驗教學(xué)目標(biāo)的定位是基于能力培養(yǎng),即培養(yǎng)分析能力、模型表達能力、提出求解方法的能力、分析求解結(jié)果的能力、提出改進方案的能力、編寫實驗報告的能力、答辯匯報的能力。

      2.《水電站》課程虛擬仿真實驗平臺與實驗設(shè)計

      (1)虛擬仿真平臺構(gòu)建

      根據(jù)ADDIE(分析Analysis、設(shè)計Design、開發(fā)Develop、實施Implementation、評估Evaluation)的思想,構(gòu)建基于仿真系統(tǒng)的課程實驗教學(xué)執(zhí)行模型,如圖1所示。

      模型包含:實驗教學(xué)教師和學(xué)生兩個主體,由教學(xué)大綱、目標(biāo)、任務(wù)和教學(xué)過程設(shè)計等要素所構(gòu)成的實驗教學(xué)資料,專門仿真實驗平臺系統(tǒng),基本的軟硬件系統(tǒng),實驗教學(xué)實施管理,實驗成果評價。

      (2)仿真實驗內(nèi)容設(shè)計

      根據(jù)《水電站》教學(xué)大綱,基于水電站工程發(fā)展,考慮行業(yè)人才需求,優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容,構(gòu)建教學(xué)方法,加之分析學(xué)生的生理、心理特點以及學(xué)習(xí)興趣和其學(xué)習(xí)過程中的情緒變化、知識結(jié)構(gòu)等特征,構(gòu)建了本課程虛擬仿真實驗項目,通過上機操作完成測試工作,并進行教學(xué)資料再組織、再加工,形成最終的實驗項目。具體為:水電站樞紐規(guī)劃布置專題項目、水電站廠房建筑物空間布置、輸水系統(tǒng)建筑物流道數(shù)值模擬、水電站建筑物結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析和安全評估、水電站機組安裝維修、水電站機組運行與故障處理、水電站輔助設(shè)備與電氣設(shè)備故障排查等。

      3.《水電站》課程虛擬仿真實驗考核方法改革思路與多元評價模式設(shè)計

      虛擬仿真實驗從時間上分為實驗前準備、實驗進行和實驗后整理數(shù)據(jù)、完成報告并答辯,指導(dǎo)教師和學(xué)生既有分工又有合作。

      (1)課程改革模型的要素構(gòu)建

      由于虛擬仿真實驗關(guān)注的是學(xué)生實踐應(yīng)用能力的培養(yǎng),因此成績考核需要考慮教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)平臺及操作、教學(xué)過程與教學(xué)成果,還需要考慮學(xué)生在成果答辯過程中對實驗內(nèi)容的理解和掌握情況,因此成績評價應(yīng)滿足教學(xué)的全過程、動態(tài)性和多元性等特征。分析本課程由教學(xué)團隊、學(xué)生、教學(xué)環(huán)境、教學(xué)素材、教學(xué)實施與組織、教學(xué)方法、教學(xué)評價與反饋等要素構(gòu)成的教學(xué)維度,解析學(xué)生的認知規(guī)律,研究教學(xué)方法,總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗,查閱大量文獻,針對本課程教學(xué)改革,建立其教學(xué)實施模型。模型定義為多維度的教學(xué)實施模型,將多維度進行直觀表達為“空間”,并重構(gòu)教學(xué)中心任務(wù)、教學(xué)主體、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)改革等內(nèi)容。

      (2)成績考核模型的要素重構(gòu)

      根據(jù)虛擬仿真實驗的特征構(gòu)建的模型要素,將考核的對象看成有維度的“空間”,并將各維“空間”按照教學(xué)過程中各環(huán)節(jié)進行有機整合,并對每一維“空間”定義一個量化指標(biāo),將其定義為對應(yīng)的參數(shù)。由于虛擬仿真實驗過程主要是由學(xué)生完成各個階段的操作,引入“操作”的英文單詞“operate”,將“空間”與 “操作”進行有機的耦合構(gòu)造,將成績考核轉(zhuǎn)換為評價學(xué)生在實驗過程中完成“操作”的表現(xiàn),即得本課程成績考核模型的雛形,稱之為“多維操作模型”。

      由于虛擬仿真實驗過程表現(xiàn)出“觀察力、判斷力、想象力、創(chuàng)造力、控制力、執(zhí)行力和表達力”等七種基本的能力,加之模型用于評價成績,故稱之為基于能力培養(yǎng)的七維操作及評價模型,用英文字母表示為7D-operate,由于實驗平臺開發(fā)以及實驗項目的開發(fā)植入并遵從ADDIE思想,引入5個動詞的首字母來替代單詞operate中的每一個字母,又因為成績考核關(guān)注的是實驗過程學(xué)生的參與表現(xiàn)及實驗過程中的成果,用operating代替模型中“操作”,表示考核過程與實驗過程的同步連續(xù)。采用代數(shù)中分配原理,將進行時給每一個單詞進行分配,得到五個單詞的進行時態(tài),分配后 “operating”恢復(fù)成原型“operate”,為了與模型雛形相區(qū)分,并用大寫字母來表示模型,至此構(gòu)建出成績考核模型,即7D-OPERATE(Obeying+Practising + Emphasizing+ Reforming+ Aiming+ Transforming+ Expecting),同樣引入ADDIE思想,每一個現(xiàn)在分詞均引入5個首字母相同的動詞來表示,構(gòu)造出成績評價模型的多元性,構(gòu)造過程由于版面的限制進行省略,簡要說明如下:

      ①遵從教學(xué)認知規(guī)律:Obeying(Obeying the Cognitive Law of teaching and learning),核心思想是實驗過程中需要遵循教與學(xué)基本規(guī)律的同時,調(diào)整并適應(yīng)虛擬仿真實驗的學(xué)習(xí)。

      ②實踐能力培養(yǎng):Practising(Practising ability)。具體為培養(yǎng)分析能力、模型表達能力、提出求解方法的能力、分析求解結(jié)果的能力、提出改進方案的能力、編寫實驗報告的能力、答辯匯報的能力。

      ③強調(diào)虛擬平臺功能:Emphasizing(Emphasizing virtual platform features),虛擬仿真實驗借助流程化、交互性、可視化等特征,有效克服了傳統(tǒng)實驗的缺點,比較適合活潑的年輕學(xué)生,備受他們的喜歡,實現(xiàn)了寓教于樂。

      ④改革實驗學(xué)習(xí)行為:Reforming(Reforming experimental-learning behavior),更好地形成學(xué)習(xí)行為循環(huán)推進效果,從虛擬仿真實驗實現(xiàn)過程中,要求學(xué)生能培養(yǎng)適應(yīng)多種教學(xué)場景的學(xué)習(xí)能力,需要在虛擬仿真實驗過程中能夠改變學(xué)習(xí)習(xí)慣,更好地提高知識的學(xué)習(xí)效果。

      ⑤瞄準虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容特征:Aiming(Aiming at the characteristics of virtual simulation teaching and learning),虛擬仿真實驗系統(tǒng)有較強的交互性、可視化、數(shù)字化、形象化、可重復(fù)性、拓展性。為了適應(yīng)基于可視化設(shè)計虛擬仿真實驗造成數(shù)據(jù)信息量倍增的環(huán)境變化,實驗過程中對學(xué)生嚴格要求。

      ⑥轉(zhuǎn)變教與學(xué)的基本方法:Transforming(Transforming the basic methods of teaching and learning) ,虛擬仿真實驗不僅依賴搭建的平臺,實驗內(nèi)容的優(yōu)化重構(gòu)也非常重要,隨著其教與學(xué)的不斷改革與實踐即可形成教學(xué)自身進化系統(tǒng),因此教學(xué)改革下虛擬仿真實驗教學(xué)需要實現(xiàn)教與學(xué)方法的轉(zhuǎn)變,最終形成虛擬仿真實驗自身的教學(xué)實施進化路線。

      ⑦期待最佳的教學(xué)效果:Expecting(Expecting best teaching and learning results),虛擬仿真實驗的實施目的是培養(yǎng)學(xué)生的知識技能,與此同時此類實驗的開設(shè)能拓展學(xué)生的視野,激發(fā)學(xué)生的積極性,這是實驗設(shè)置的又一目標(biāo),即美好的期望。

      (3)課程成績評價模型系統(tǒng)分析

      通過分析虛擬仿真特征,梳理重構(gòu)模型要素,引入ADDIE思想,考慮教學(xué)環(huán)節(jié)中教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)主體、教學(xué)方法與認知、教學(xué)環(huán)境作用關(guān)系、信息傳達與反饋作用等要素,利用系統(tǒng)分析原理對課程改革模型進行系統(tǒng)分析,得到其功能分析關(guān)系圖(見圖2)。分析圖2可知,所建立的評價模型涵蓋了實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的方方面面,不僅涉及實驗前、實驗中、實驗后,也關(guān)注學(xué)生綜合能力的培育,尤其是學(xué)習(xí)能力以及處理數(shù)據(jù)的技能培養(yǎng)得到重視,其特征為多元化的特征。

      將教學(xué)能力目標(biāo)作為評定依據(jù),量化虛擬仿真實驗各階段的成果、過程表現(xiàn)、操作熟練程度、交流積極性、實驗報告質(zhì)量和答辯效果等內(nèi)容,進行評定成績。經(jīng)過分析研究,對考核的成績進行了設(shè)計,得到相應(yīng)的成績結(jié)構(gòu)關(guān)系,如表1所示。

      綜上所述,《水電站》課程虛擬仿真實驗的評價是基于上述多元化評定體系,符合課程教學(xué)內(nèi)容,滿足了教學(xué)改革的基本構(gòu)想,不僅具有易操作性、可量化性和持續(xù)性等特點,其改革思路充分采用多元化考核方式、注重過程管理,培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新性思維能力,達到了課程大綱的要求。

      三、多元化評價方法在課程改革的成效分析

      1.選題分析

      本課程以《水電站》壓力管道水錘知識點的虛擬仿真實驗為例,為了對比分析學(xué)生的學(xué)習(xí)成效,在2019年春季學(xué)期完成該實驗的班級中,以人數(shù)較為接近的兩個班級為研究對象, 一個為2016級水利水電工程(以下簡稱水工),人數(shù)57人;另一個為2017級給排水科學(xué)與工程(以下簡稱給排水),人數(shù)53人。按照專業(yè)進行對比,研究教學(xué)成效。

      2.基于實驗前期準備的教學(xué)效果分析

      整理兩個班級實驗前準備信息統(tǒng)計及比較成果,分析成果如表2所示。根據(jù)數(shù)據(jù)可知,兩個班的學(xué)生在實驗前準備較積極主動,途徑、方法和利用的資料呈現(xiàn)多樣性,學(xué)生對實驗相關(guān)資料進行不同程度的整理,通過多種手段進行不同側(cè)重面的學(xué)習(xí)準備,并提出相關(guān)問題。雖然實驗前準備階段關(guān)注的內(nèi)容各不相同,學(xué)習(xí)的掌握程度存在差異,但是證明了虛擬仿真實驗在實驗項目方面滿足了大綱要求,符合教學(xué)目標(biāo),教學(xué)素材合理,實驗前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)設(shè)計有效,各方面改革是有成效的?;诖?,我們得出虛擬仿真實驗教學(xué)環(huán)節(jié)采用多元考核方法的設(shè)計思路符合教學(xué)規(guī)律,考核方法將實驗成績的25%分配給前期準備階段是合理的。

      3.基于虛擬仿真實驗過程的教學(xué)效果分析

      教學(xué)過程評價是《水電站》課程虛擬仿真實驗多元評價方法的重要組成部分。朱定局[5]在文獻中指出,也有少數(shù)教學(xué)過程評價的研究和嘗試。學(xué)生在虛擬仿真實驗教學(xué)平臺上不受實際條件限制反復(fù)進行虛擬操作,彌補了實驗條件的不足[6]。因此,本課程實驗過程的落實主要采用以教師評價學(xué)生的方式,利用的是虛擬仿真實驗與傳統(tǒng)實驗方法的差異,實驗實施過程也是多元評價方法的關(guān)鍵環(huán)節(jié),其效果關(guān)系到教學(xué)質(zhì)量的達成與否。

      本課程考慮到實驗過程對能力培養(yǎng)的評價,主要從實驗內(nèi)容及原理、軟件操作和成果展示與分析等三個方面展開,數(shù)據(jù)分析如表3所示。分析數(shù)據(jù)可知,教學(xué)過程是一個教與學(xué)相互作用的動態(tài)過程,分析學(xué)生在《水電站》課程虛擬仿真實驗過程中的信息可知,實驗實施過程作為課程考核評價的重要環(huán)節(jié)和內(nèi)容,關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過程的參與。實驗環(huán)節(jié)中除了培養(yǎng)學(xué)生的建模能力之外,還注重培養(yǎng)其設(shè)置求解的能力、分析模擬結(jié)果的能力、報告編輯能力。此外,還以實驗為載體培養(yǎng)了學(xué)生的分析、交流和接觸新事物的能力,且教學(xué)效果良好,滿足了教學(xué)要求。因此,本課程將虛擬仿真實驗過程作為成績評價的主要內(nèi)容,占50%比例,符合工程教育認證評價體系的基本要求。

      4.基于虛擬仿真實驗答辯環(huán)節(jié)教學(xué)效果分析

      向福[7]等認為,通過改革傳統(tǒng)的實驗報告和實驗考試,可以鍛煉和提高學(xué)生在文獻分析、數(shù)據(jù)處理、問題討論、成果總結(jié)以及語言表達等多方面的能力,讓學(xué)生體驗科研的系統(tǒng)過程,培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)。林麗惠[8]等指出對于實踐教學(xué)考核, 除了提交實驗報告, 增設(shè)課程答辯環(huán)節(jié)。 孟佳娜[9]等提出,實踐教學(xué)考核增設(shè)課程答辯環(huán)節(jié)后, 部分偷懶的學(xué)生就不能再依靠抄襲實驗報告來應(yīng)付實踐環(huán)節(jié)的考核, 激發(fā)了他們必須通過努力扎實掌握實驗內(nèi)容,切實保障實踐教學(xué)應(yīng)有的教學(xué)效果。陶潔[10]等以“水資源規(guī)劃與利用”為例,提出課程結(jié)束的答辯—總結(jié)點評,引發(fā)后續(xù)興趣和思索空間。為了督促學(xué)生學(xué)習(xí),達到培養(yǎng)學(xué)生能力的目的,需要設(shè)置答辯環(huán)節(jié)。并提出了課設(shè)啟動之初的思維引導(dǎo)、課設(shè)過程中的答疑指導(dǎo)、課設(shè)結(jié)束的答辯、總結(jié)、指導(dǎo)的全過程指導(dǎo)方法以及答辯準備、答辯過程、成績判定標(biāo)準的課程設(shè)計答辯方式。因此,《水電站》課程虛擬仿真實驗也設(shè)置了答辯環(huán)節(jié)。

      下面筆者以兩個班為例,分析虛擬仿真實驗答辯情況,揭示采用多元評價方法的《水電站》課程虛擬仿真實驗成績的效果。比較兩個班級學(xué)生的答辯情況、實驗報告的完整性和所回答問題與本實驗內(nèi)容的相關(guān)性等項目,學(xué)生的能力得到展示,其余各項相對較低,雖然由于答辯成績只占總成績的25%,答辯成績在一定程度上影響了學(xué)生成績的分級,也對教學(xué)效果的分級有明顯的影響。因此《水電站》課程實驗成績考核辦法采用多元評價方法是符合學(xué)習(xí)效果的,即能以成績差異來評價學(xué)生能力的分級,這也證明了本課程采用多元評價方法的合理有效性。

      為了改善答辯環(huán)節(jié)的效果,還需要進一步進行調(diào)整:第一,合理安排答辯環(huán)節(jié),給學(xué)生足夠的時間去準備答辯。第二,為學(xué)生下發(fā)相關(guān)的學(xué)習(xí)資料,尤其要下發(fā)針對答辯環(huán)節(jié)有較強指導(dǎo)性的資料。第三,優(yōu)化答辯模式,利用答辯環(huán)節(jié),更好地培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。第四,為了本課程后續(xù)更好地開展,調(diào)整評價體系的分值分配系數(shù),增強對答辯環(huán)節(jié)的考核。

      四、結(jié)束語

      《水電站》課程虛擬仿真實驗內(nèi)容既包括多學(xué)科基礎(chǔ)知識,也涵蓋了虛擬仿真實驗的基本型。針對該虛擬仿真實驗的特點,展開改革實踐,主要有以下四個方面成果:

      (1)成績的評價應(yīng)該貫穿實驗實施的各個環(huán)節(jié),建立一套考核成績多元評價方法,該方法基于多元考核理論,具有操作性強、比重分配合理、構(gòu)思符合教學(xué)基本規(guī)律,能夠滿足工程教育認證的理念要求和以能力培養(yǎng)為主的教學(xué)改革需要。

      (2)進行了基于多元化考核方法理論分析,提出了本課程考核方法改革的思路,設(shè)計了多元化考核模式,并進行了探索性實踐研究,分析了學(xué)生學(xué)習(xí)效果。

      (3)教學(xué)實踐表明,基于本課程的多元化考核方式有利于引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí),能培養(yǎng)學(xué)生分析、模型表達、提出求解方法、分析求解結(jié)果、提出改進方案、編寫實驗報告、答辯匯報等多方面的能力,并提高了學(xué)習(xí)成效。

      (4)本課程虛擬仿真實驗成績采用多元評價方法,效果良好,值得參考借鑒。

      總之,在目前教育教學(xué)改革的要求下,尤其為落實“以學(xué)生為中心,以學(xué)生學(xué)習(xí)與發(fā)展成效為驅(qū)動”的教育理念,更好地貫徹“以產(chǎn)出為導(dǎo)向、以學(xué)生為中心、持續(xù)改進”的工程教育認證評價體系的要求下,隨著本科生虛擬仿真實驗的普及,本課程率先進行了教學(xué)改革與實踐,效果良好尤其針對虛擬仿真實驗成績,采用了多元評價方法,值得參考與借鑒。

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