虚拟实验+互动式教学法在《汽车试验学》课程中的应用＊

赵立军，刘清河，李伟，王剑锋

（1. 哈尔滨工业大学（威海） 汽车工程学院，山东 威海 264209；2.中国汽车技术研究中心汽车工程研究院，天津 300300）

前言

《汽车试验学》是高校车辆工程专业学生的重要课程，其教学内容以汽车整车性能测试、主要总成和重要部件的性能测试为主，按照“在基本理论分析的基础上，通过主要性能测试来全面掌握技术性能、结构特点和性能分析方法”的思路，系统介绍试验原理、主要仪器设备工作原理和测量方法等。教学过程中设置有一定学时的实验实践内容，对课程实验条件要求较高，实验室建设和维护的经费投入较大。虚拟实验的理念于近年来逐渐被车辆工程领域教师所接受，这不仅可以降低对汽车试验硬件条件的要求，且具有很好的教学效果。购置实验设备和虚拟实验工作并行，可以作为实验教学内容和方式的一种互补。

“互动式教学模式”是指教师“教”和学生“学”两个过程互相作用的整体性动态过程，具体表现为教师的主导施教和学生的主体认识相辅相成的课堂活动过程。坚持“自主、合作、探究”的教学理念，提高教学效率，既注重“双基”的落实，又着眼于学生的发展和能力的提高，是素质教育的根本所在。对于汽车试验学这种理论和实践能力培养并重的课程来说，互动式教学可以强化学生的主动学习意识，提升学习质量。

可见，虚拟实验和互动式教学适用于在《汽车试验学》中，但其应用实践尚未见文献报道，作为有益的尝试，值得研究与探索。

1　虚拟实验教学环节设计

虚拟实验技术以其低成本、高效能、灵活可靠等特点在现代化教学中开始得到越来越普遍的应用。

国外的虚拟实验技术起步较早，也有很多著名的虚拟实验教学系统，比如美国加里福尼亚大学的集成电路模拟程序SPICE[1]，加拿大西北大学的虚拟物理实验室[2]等。国内于上世纪九十年代末期开始将虚拟实验技术应用在教育领域[3]。在车辆教学领域中，北京理工大学开发的坦克构造与设计视景仿真教学平台[4]与车辆电子控制虚拟实验教学平台[5]已成功应用于实验教学，并取得了良好效果。同济大学汽车学院也进行了虚拟实验技术在《流体力学与液压传动》课程中应用的探讨[6]。

虚拟实验可以在一定程度上缓解实验资源的不足，而且在设计工作过程中，学生能够得到更好更全面的学习。从实验构思、实验设计、实验原理，到实验方法和数据处理，有一个整体的学习过程。

当然，这要求授课教师通过收集资料、理论储备，在课上讲授虚拟实验知识，引导学生进行虚拟实验设计，并得出有意义的结论，解决以往学生对实验全过程认知和理解不足的问题。这可以大大加强课程的学习效果，促进学生综合能力的锻炼和提升，为毕业后从事该领域工作打下良好的基础。

为此，笔者在此次教学研究过程中，将授课的学生分成12组，每组 8-10人。虚拟实验题目主要来源于中国汽车技术研究中心（天津）汽车工程研究院现有的科研试验设备，这样有基本方案可供设计参考，利于制定可行的设计目标，不至于太过盲目。当然，虚拟实验过程是不能对已有设备进行模仿甚至抄袭的，否则就失去了研究的意义。题目包括整车轴耦合疲劳耐久试验、四立柱轮耦合疲劳耐久试验室、六自由度疲劳耐久试验室、排气系统疲劳耐久试验室、转向系统疲劳耐久试验室、制动系统疲劳耐久试验台架、开闭件疲劳耐久试验室、金属件高频疲劳耐久试验室、载荷谱采集及传感器系统、白车身/零部件刚度试验室、汽车零部件材料试验室、减振器台架试验室等。

虚拟实验设计工作主要分为六个过程：功能及设计任务分析、方案论证、主体参数设计、设计计算及分析、实验过程及试验数据模拟、经济性分析。在此过程中，要求每个小组内部协作完成所有任务，这也是对协作和沟通能力的培养及锻炼。

2　“互动式”教学环节设计

经过近年的发展，在教育界达成共识的互动式教学模式，其关键环节概括为：教师的启动-互动的前提、学生感悟-互动的基础、小组活动-互动的主体、组际交流-互动的关键、成果展示-互动的检测和评价。通过“互动式”教学模式可以不断推动师生之间的交流，更使得学生的学习热情高涨，为实现个性发展、发挥内在潜能、培养综合创新能力提供有利条件[7]。Pugsley研究发现，互动式教学的成效显著优于传统教学方式[8]。Zakrzewska发现，互动性教学方式显著提高学习者沟通能力[9]。北京大学“世界课堂”[10]、中国医科大学基础医学院[11]、华中科技大学光学与电子信息学院[12]、厦门大学嘉庚学院[13]等都已经在课程中尝试采用互动式教学模式，重视学生探索思维的锻炼，注重培养学生知识的学科交叉性，更注重高层次创新思维的锻炼，增强了学生主体间的交往活动，有利于促进高校教学模式的创新及人才培养质量的提高。

对《汽车试验学》课程进行全新的教学设计，在保证该课程理论知识能够按照培养要求进行传授的基础上，设计更好的课上/课下教学内容，高效地解决有限学时下的教学内容讲授和学习问题。将互动式教学模式引入课堂之后，教师需要调整教学内容的学时分配，传统的纯教学学时要有所压缩。教师加强指导，根据虚拟实验设计任务和进度要求，为学生安排课下学习任务和虚拟实验设计任务。这样一来，课上既有教师的重点讲授、难点分析和对虚拟实验设计的指导，也有学生小组讲述分享自己的虚拟实验环节。同学们带着自己所在学习小组的任务进行主动学习，在教师指导下进行完善和修正，最终将完成的工作以科学和直观的形式展示。

为了提高学生的表达和展示能力，每周安排一次学生的虚拟实验设计工作进度汇报。限时5分钟，利用PPT进行展示，合理安排时间分配和内容组织，在讲台上客串“主讲人”，为大家介绍设计过程和成果。教师现场点评，以利于下一步的工作更加合理和顺利。这对于新时代教与学的关系来说，是一种更新更有效的大学课堂教学方式。

3　“累加式”课程考核设计

累加式考核就是将包括出勤率、课堂的投入程度、回答问题的主观能动性、作业的完成情况、实验的表现等等教学的全过程都纳入考核的范围，并通过权重调节这些环节之间的轻重关系，引导学生做好每一个环节。推行累加式考核方法的核心和目标是引导教师采用启发式、探究式、互动式的课堂教学方法，引导学生通过自主学习激发创新意识，提升创新能力。哈尔滨工业大学[14]、湖北工业大学[15]等在教学中采用了累加式考核体系，实践效果出色。课程采用累加式考核是科学的，但是更加合理地体现学生的学习效果，是其关键所在。将这种虚拟实验考核纳入课程考核中，能够更加准确地反映学生的学习效果、知识的全面性和掌握程度，这会是一种更加科学和公平的处理方式。经过与学生充分沟通，协商后确定课程考核方案，分为以下三部分。

（1）出勤和课上表现环节

满分10分；每缺勤1学时，扣0.5分；课程对应的实验环节必须参加，实验报告必须认真撰写和按时提交；虚拟实验设计的汇报和考核环节必须参加。

（2）虚拟实验设计环节给分标准说明

本环节满分50分。按照授课教师提出的设计题目，学生设计小组内部协作完成设计任务。六周时间内，根据前期工作安排进行合作学习，完成各阶段的课题任务。期间各小组每周均需进行一次进度汇报，根据教师点评内容进行修改完善。最终进行结题汇报和提交虚拟实验设计工作报告，所有同学按照教师设计的打分表和打分要求，根据课程设计完成情况及展示效果进行评分。在最终汇报展示后，根据本环节打分统计结果，将各小组分为 A、B、C三档，各档比例为20%、50%、30%，各档对应不同的成绩计算权重。

小组组员的得分，由组长组织本小组成员共同商定具体的给分办法：可以由组长根据平时表现和付出来初步给定，再经组内公示无异议之后确定；也可以在组长组织下组内评议决定。给分标准主要参照两个方面，组员上台进行进度汇报时的展示效果，意在鼓励组员上台展示，此项为实际得分的重要参考；组员在整个课程设计任务周期内对小组任务的贡献量，根据小组各成员对课程设计任务贡献度的大小进行给分。建议组员实际得分分为50、48、45三档。后续由授课教师组织进行计算调节的处理工作。

（3）试卷考核环节

以闭卷和笔试试题形式进行；试题主要考核学生对试验过程的分析处理能力和计算分析能力，题型以分析说明和计算说明为主。满分为40分。

4　问卷调查及结果统计

按照上述教学方案和内容实施教学过程，经过本轮授课后，对本课程104名同学进行课堂教学情况调查问卷，汇总后得出分析结果。

对本次采取的累加式考核方法满意程度调查，“满意”占53.8%，“比较满意”占 44.2%，“比较不满意”占 1.9%；对这种互动式的教学方法的满意程度调查，“满意”占55.8%，“比较满意”占43.3%，“比较不满意”占1.0%；对自己主要得到的提高和收获调查，“专业知识”占17.4%，“文献查阅”占27%，“软件应用”占16.3%，“团队合作”占26.3%，“语言表达”占 13%；对在设计小组里感受到团队协作的重要性调查，“总是”占43.3%，“经常”占48.1%，“偶尔”占 7.7%，“没有”占 1.0%；对设计小组团队合作进行学习认可程度调查，“认可”占56.7%，“比较认可”占38.5%，“比较不认可”占2.9%，“不认可”占1.9%；认为这种虚拟实验设计+互动式教学的方式还可以加强的方面的调查，“试验题目设计”占30%，“课堂教学方式”占21.5%，“小组合作方式”占50%；认为这种教学的方式是否有继续实践或推广价值的调查，“有价值”占47.6%，“比较有价值”占45.6%，“比较没有价值”占 6.8%，“没有价值”为0；对《汽车试验学》课程的学习效果和表现的满意程度调查，“满意”占34%，“比较满意”占58.3%，“比较不满意”占7.8%，“不满意”为0。

可以看出，学生对本轮授课方式的满意程度令人欣慰，同时也提出了更高的要求，这有助于教师在以后教学过程中不断完善。

5　结论

（1）通过对《汽车试验学》课程进行全新的教学设计（课上/课下环节），可以在保证讲授该课程理论知识的基础上，完成虚拟实验设计的学习过程，提高有限学时内的教学质量。

（2）学生通过收集资料、理论学习、设计计算分析和讲解展示，完成一个完整的虚拟实验设计全过程，得到知识宽度和高度提升，学习效果令人满意。

（3）本文提出的教学方式，实现一定程度的课堂翻转，活跃课堂氛围，获得了真正意义上的累加式考核方案，可按此理念继续探索和研究提高教学效果和培养学生综合能力的教学方法。

[1] Nagel L, Pederson D. A Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis[EB/OL].(1973-4-12).http://www.eecs. berkeley.edu/ Pubs/TechRpts/1973/22871.html.

[2] 文福安.虚拟实验教学系统的研究与应用[J].中国教育信息化,2008(21):37-39.

[3] 洪洲.虚拟实训系统的研究现状及发展趋势[J].实验技术与管理,2014(6): 111-113.

[4] 姚寿文,陈岩.坦克构造与设计的视景仿真虚拟实验教学研究[J].实验技术与管理, 2013,30(2): 86-89.

[5] 席军强,宗莹,王文硕.车辆电子控制虚拟实验教学平台研究[J].实验室研究与探索, 2015,34(1):79-83.

[6] 张智明,张娟楠,李昌昊,等.关于虚拟实验技术在汽车《流体力学与液压传动》课程中应用的探讨[J]. 教育教学论坛, 2017(10): 265-267.

[7] 赵尔杨,孟琰,王姗.“互动式”教学模式教学效果评估体系的构建[J].黑龙江高教研究, 2014(10):162-164.

[8] Pugsley K, Clayton L. Traditional lecture or experiential learning:changing student attitudes[J].The Journal of Nursing Education,2003,42(11):520-523.

[9] Zakrzewska J M, Fry H, Larkin K E. A case study of methods used to tackle a common pedagogic problem in medical and dental educa tion: time pressure[J]. Medical Teacher, 2003,25(4):391-397.

[10] 顾佳峰.高等教育中的互动式教学——以北京大学“世界课堂”为例[J].黑龙江高教研究, 2013,31(2):24-27.

[11] 杜莉莉,吕润潇,许静,等.高校互动式教学模式探讨[J].微生物学杂志, 2016,36(3):109-112.

[12] 鲁平,廖浩,刘德明,等.基于云平台的互动式教学方法研究与实践[J].教育教学论坛, 2017(48):118-122.

[13] 曾凡.互动式教学的意义.方法及要求论析[J].大学教育, 2017(10):180-182.

[14] 苏小红,赵玲玲,王甜甜,等.以机试为主.分阶段多重累加式的 C程序设计课程考核体系[J].计算机教育, 2014(3):36-40.

[15] 谢海涛,王春枝,柯敏毅,等.以考评模式改革促教学模式改革--计算机网络课程渐进式考核初探[J].卷宗, 2015(2):78-78.