融合計算機虛擬實驗和學科競賽的教學實踐與研究

馬宏 王占英 胡家寶 孫冰心

摘 要：鑒于學科競賽對創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要性，計算機虛擬技術是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要手段，文章以學科競賽為契機，將計算機虛擬實驗與課堂教學相結合，開展教學研究與實踐，并在后續(xù)的學科競賽中深入推進以驗證教學效果，結果表明融合計算機虛擬實驗和學科競賽的教學形式有效地提高了學生的創(chuàng)新能力。

關鍵詞：計算機虛擬實驗;學科競賽;創(chuàng)新能力培養(yǎng)

1? ? 傳統(tǒng)教學模式下大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)現狀及存在的問題

1.1? 傳統(tǒng)教學模式的培養(yǎng)現狀

學科競賽對培養(yǎng)學生的綜合素質、提高學生的綜合能力有著十分重要的作用[1]。然而，我國目前的授課體系仍處于以課程講授為主。此類教學方式缺乏靈活性，對學生看待事物的整體性培養(yǎng)不夠。此外，隨著信息時代的快速發(fā)展，學生們可以從更多的方面獲取自己所需的專業(yè)知識，學生在課堂上學習時缺少了以往的活力，導致整體的學習效率不高。如何將“要我學”轉變成“我要學”十分重要[2]。

計算機虛擬實驗和學術競賽融入學生日常學習對創(chuàng)新人才培養(yǎng)的意義和作用成為高等教育研究的新熱點。特別是李克強總理提出“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”后，各大高校紛紛開展相關研究，河北工業(yè)大學把加強學科競賽作為高校 “質量工程”的重要內容之一。北京理工大學不斷加大對大學生競賽的支持力度。這充分體現了學科競賽作為一個新的突破點，在實現素質教育和創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標中的重要地位和作用。

1.2? 傳統(tǒng)教學創(chuàng)新能力培養(yǎng)存在的問題

在傳統(tǒng)教育中，課堂教學屬于被動性學習，學生缺乏主觀能動[3]。雖然實驗課補充了課堂教學上所欠缺的部分，但是實驗課的主要目的是提高學生的專業(yè)認知能力，仍舊缺少了對學生創(chuàng)新能力的激發(fā)，尤其是對學生競爭能力的促進和激發(fā)。

1.3? 融合計算機虛擬實驗和學科競賽的教學實踐與研究

本研究以計算機仿真技術等手段展開虛擬實驗等教學研究與實踐，學生利用計算機進行仿真實驗的學習，在完成實驗內容的同時也掌握了相應的計算機技術。同時，實驗的開展不受地域和設備的限制，為培養(yǎng)大學生創(chuàng)新能力提出的一條新型研究道路。

2? ? 以賽輔學、以賽輔教，提高大學生相關專業(yè)的創(chuàng)新能力

以學科競賽輔助課堂學習，以相關學科競賽輔助課堂教學，通過比賽將課堂知識融進實踐，促使大學生從主觀能動性上提供其自身的創(chuàng)新能力。

以計算機三維設計大賽、“挑戰(zhàn)杯”大學生科技作品競賽、制圖與構型能力大賽等相關專業(yè)學科競賽為切入點。指導教師利用本身所蘊含的專業(yè)知識素養(yǎng)以及豐厚的實戰(zhàn)經驗指導學生，使得學生在參與過程中，可以通過導師的介入和計算機虛擬實驗的融合，拓展其知識面的同時，全面提高綜合能力。

本研究以“教學改革—學科競賽—創(chuàng)新實踐”三位一體的教育模式，把人才培養(yǎng)的最終目標指向創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，營造有利于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的環(huán)境。這三者相互作用，循環(huán)流通，促進善性循環(huán)，其中心點是為了提要學生的創(chuàng)新能力，過程如圖1所示。

3? ? 融合計算機虛擬技術，探索學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

3.1? 以計算機虛擬實驗促使傳統(tǒng)教學改革、探索實踐教學新方式

以新型創(chuàng)新型人才所需的創(chuàng)新精神和實踐能力為最終培養(yǎng)目標，根據每位學生的自身實際情況開展對其相對適應的教學研究與教學工作。以研究指導實踐，以實踐培養(yǎng)新型創(chuàng)新人才的相關創(chuàng)新能力，將其創(chuàng)新能力反映到學科競賽中去，以最后的競賽獲獎結果反饋成為其價值性。通過總結上述所示的整體研究過程，逐漸構建出以培養(yǎng)新型創(chuàng)新型人才為主的教學體系，同時也可以構建以應用為主線，融合學科競賽主題的教學方式。

以河北建筑工程學院工科專業(yè)開設的“畫法幾何與機械制圖”課程設計為例，在疫情期間，貫徹“停課不停學”的方針，課題研究組利用計算機三維軟件CREO3.0，將傳統(tǒng)的平口鉗實物測繪改為三維仿真測繪，如圖2所示。學生在家利用計算機軟件就可以完成學習任務。

計算機三維軟件CREO3.0不僅是常用的建模軟件，更是“河北省大學生三維設計大賽”指定軟件。在本次疫情來襲，課題組合理利用該軟件，將其融入傳統(tǒng)的實踐教學。課題組分工合作，各負其責，繪制零件的三維仿真模型、組裝仿真裝配圖、制作裝配原理動畫、編制軟件操作教程、編寫軟件安裝方法等工作有序開展，在課程設計開始前完成了全部準備工作，課設時將平口鉗的仿真模型送到學生手中，也將多年來的教研成果轉化到實踐教學中。

相比于傳統(tǒng)的手工測繪的方式，學生在電腦上使用軟件就可以測繪平口鉗的所有零件尺寸，使得每位同學可以長時間，更加深入地了解平口鉗，并且可以全方面無死角觀察各零件的結構以及零件之間的裝配關系。從而更加充分地了解平口鉗每一個部件的尺寸以及部件之間的裝配結構與方式。

這種創(chuàng)新型課程設計能讓學生在熟悉軟件的同時，更加全面地完成了課程設計的要求;在完成課程設計的同時，掌握了軟件的相關知識，有助于學生未來迅速適應工作崗位。

3.2? 融合計算機技術，促進學科競賽

以學科競賽為契機，將計算機虛擬實驗與大學生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)融合，讓學生本身在參加比賽的同時，更好地提高自身綜合能力。

“以賽輔學”的新型教學模式可以運用到現代大學的日常教學活動中。通過參加各類專業(yè)相關比賽達到“學習—參賽—學習”的效果。在各類比賽中通過實際操作，總結課堂上所無法獲取的經驗，充分發(fā)揮學生的主動意識及能動性，不竭擴寬其知識層面，培養(yǎng)實踐能力。

以工程實訓大賽為例，對于傳統(tǒng)的參賽模式，學生需要通過給定的題目去進行理論計算，其中包括路線規(guī)劃、轉向裝置、傳動比等。由于缺少經驗，計算數值僅存在于理論上且有誤差。

在此過程中，指導學生通過計算機軟件模型的軌跡來發(fā)現并尋找產生誤差的原因。相比傳統(tǒng)比賽過程中，避免因為重復切料、加工等原因造成時間浪費，提高學生學習和參賽的效率。該過程以計算機軟件Solidworks主要開展，該軟件作為工科行業(yè)廣泛使用的三維軟件之一。學生在參與工程訓練大賽或相關比賽時，可以通過該軟件把理論模型建立出來，通過該軟件的仿真，將理論數值所產生的理論路線圖像化顯示出來。相比于傳統(tǒng)的參賽方式，該方式能有效避免重復切料、加工等原因造成的時間浪費，使學生在熟悉計算機技術的同時，對相關專業(yè)知識進行實際運用，更能全面地完成比賽，如圖3所示。

4? ? 結語

以學科競賽為契機，將虛擬仿真技術及三維軟件與傳動教學相結合，探索新的授課方法與手段來培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新能力，不僅可以實現傳統(tǒng)教學所不具備或難以實現的授課功能，還能更好地將創(chuàng)新理念嵌入學生的專業(yè)學習。該方式將學生從傳統(tǒng)教學下的被動學習模式中解放出來，通過計算機虛擬技術在教學工作中的應用，激發(fā)學生的學習興趣。

[參考文獻]

[1]劉振江，張建勇.基于學科競賽的應用型專業(yè)人才培養(yǎng)創(chuàng)新與實踐[J].山東化工，2018（24）：120.

[2]汪嬋，權悅，丁西明，等.基于學科競賽的大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)探索[J].智庫時代，2019（32）：73-74.

[3]高婭，田凱茜，龍妍，等.高校線上線下混合教學模式實施情況的調研分析[J].無線互聯科技，2019（24）：94-95.

（編輯 姚 鑫）

Teaching practice and research combining computer virtual experiment and subject competition

Ma Hong， Wang Zhanying， Hu Jiabao， Sun Bingxin*

（Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering， Zhangjiakou 075000， China）

Abstract：In view of the importance of discipline competition to the cultivation of innovative talents， and the importance of computer virtual technology to the cultivation of innovative talents， this study took the opportunity of discipline competition， combined computer virtual experiment with classroom teaching， carried out teaching research and practice， and further promoted in the subsequent discipline competition to verify the teaching effect. The result shows that the teaching form combining computer virtual experiment and subject competition can effectively improve students innovation ability.

Key words：computer virtual experiment; subject competition; innovation ability development