能源动力类专业开放自主式实验教学模式探索

费景洲， 路 勇， 高 峰， 李淑英， 马修真

(哈尔滨工程大学， 船舶动力技术国家级实验教学示范中心， 哈尔滨 150001)

0 引 言

“互联网+教育”的主要特征是教育与信息化相融合以及信息化所带来的自主学习。互联网教育所带来的自主式、交互式、开放式的学习方式，给传统的教学模式带来革命性改变，给高等学校教育教学的发展带来巨大挑战[1-3]。正如《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》所述：信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视。教育部为落实规划要求，推动信息化与高等教育深度融合，创新人才培养模式，开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，目前已有300余个高校的虚拟仿真实验教学中心获批国家级虚拟仿真实验教学中心，虚拟仿真实验中心建设已经成为教育部推进教育信息化的重要举措[4]。虚拟实验与互联网技术相结合形成的网上远程实验系统，具有不受时间、空间制约的特点，为自主式学习、开放式教学奠定技术基础。“互联网+教育”模式下的虚拟仿真实验和开放自主式实验，对传统的实验教学思想、体系、模式、内容、方法以及手段都产生了意义深远的颠覆性影响，必将不断推进高等院校的实验教学改革与创新[5-8]。

开放自主式实验教学是以学生为主体的自主实验模式，能够避免传统实验教学过程中教师课前演示学生模仿复制的教学弊端，在发挥学生学习主动性、培养学生创新能力方面具有诸多优势。目前在电子、生物、化学等学科的实验教学中大面积开展[9-12]。能源动力类专业的实验教学中多涉及到高温、高压、高速等风险性较大的实验项目，实验过程中能源、备件等实验消耗也很大。这些不利因素限制了开放式教学、自主式教学等新型教学方法在能源动力专业实验教学中的发展。

在我校船舶动力技术国家级虚拟仿真实验教学中心的平台上，将“互联网+教育”的理念融合到虚拟仿真实验教学中。建设虚拟仿真实验系统和网上虚拟实验室，探索“线上线下相结合、虚拟现实相结合”的开放自主式实验教学模式，推进以学生自主学习为中心的开放自主式实验教学模式改革。通过“开放自主”培养学生的创新意识和自主实验能力，解决能源动力类专业实验教学过程中普遍存在教学模式落后、学生实验参与积极性差、学生主动性学习能力差等问题。

1 能源动力类专业实验教学改革现状及问题

1.1 国内相关专业高校教学改革现状

为提升学生的工程实践能力和创新能力，国内能源动力类相关院校针对自身的教学特点，结合国家级实验教学示范中心建设项目，积极开展教学模式改革和探索。华中科技大学加强实验教学体系改革，探索构建实验室开放制度，希望通过实验室开放进一步提升培养学生的综合实践能力；重庆大学针对目前实验教学中存在的实验教学体系滞后、实验课程缺乏统筹、专业特色不够明显等问题，在实验教学手段上，通过综合仿真实验和虚拟实验，强化和综合所学知识，进一步增强学生的综合素质和实际动手能力；上海理工大学在实验教学过程中通过实验教学网站为实验教学提供高效优质实验教学资源，学生通过网站查阅实验课件、完成课前预习、进行实验总结、交流实验心得，在实验教学平台网络信息化建设方面取得了较好的成效；华北电力大学构建火力发电系统仿真虚拟实验和半物理仿真平台，充分发挥虚拟仿真在实验安全、实验成本等方面的优势，形成以虚拟仿真实验教学为特色的实践教学体系，在虚拟仿真实验和学科特色相结合方面做出了突出的贡献。

在教育部国家级实验教学中心建设、国家级虚拟仿真教学中心建设相关文件的引领下，实验室开放、虚拟仿真实验、网络化教学等内容已成为目前国内高校实验教学改革的重要发展方向。在“互联网+教育”背景下，通过互联网教学和实验室开放等手段为学生自主学习创造条件，强调通过自主学习提升学生的实践能力和创新能力，已经成为高等学校实验教学改革的重要发展方向。

1.2 实验教学中存在的主要问题

目前能源动力类专业实验教学主要沿袭传统实验教学模式：老师先按照实验指导书要求讲解实验要求、实验内容、实验步骤等内容，有些情况下还要先给学生演示一遍实验操作步骤。学生按部就班地按照规定步骤完成实验操作、实验数据处理及实验报告。这种实验教学过程是一种典型的“鹦鹉学舌”式的教学过程。教学模式依然是老师讲学生听，教师在课堂上的主体地位没有发生变化，学生被动听讲的地位也没有改变。由于学生在课堂上缺乏参与感，基本上是老师讲课的热情很高，学生听课的兴致较低。教学模式落后、学生实验参与积极性差、学生主动性学习能力差等问题在能源动力类专业实验教学过程中是普遍存在的[13]。

为了改变这种传统的实验教学模式，国内外许多高校都在大力推广开放自主式实验教学方法。其核心思想就是学生是实验教学课程的主体，实验过程由学生自主管理。具体的做法包括学生自主设计实验内容、规划实验步骤、设计实验报告等，学生在整个实验过程中尽可能的“自主”，老师甚至不需要在课上进行实验讲解。开放自主式的实验教学能将传统的演示验证性实验转化为综合设计性实验，提高学生在实验过程的参与感和实验热情，有利于培养学生的实验设计能力和综合实验素养。国内很多高校在电子、生物等学科开展了开放自主式实验教学模型改革，在创新型人才培养方面取得了明显的效果[9-12]。开放自主式的实验教学方法受到了越来越多的其他学科专业实验教学人员的推崇，其应用的学科领域也在快速地扩大。

能源动力类学科的实验教学项目，尤其动力机械专业(包括柴油机、燃气轮机、蒸汽动力等专业方向)的专业课程实验项目，会涉及到高温、高压、高速旋转的设备，实验存在一定的安全风险。同时还具有实验设备造价高、台套数量少、实验消耗大等特点。受实验风险、实验费用和实验台架数量的制约，电子、生物等其他学科在开放自主式教学、研究式教学等方面取得的教学研究成果，难以在能源动力类相关专业进行全面的推广应用。能源动力类专业在开放式、自主式实验教学模式改革方面的深度和广度不能满足创新型人才培养的需要。

2 互联网平台下的开放自主式实验教学模式

为解决能源动力类专业实验教学过程中的主要问题，培养学生自主实验能力，结合互联网和虚拟仿真实验的优势，在开放式教学管理平台的支撑下，探索“线上线下相结合、虚拟现实相结合”的能源动力类专业开放自主式实验教学模式。对于基础课程实验项目，采用“线上线下相结合”方法：线上利用虚拟仿真资源进行实验预习，线下在实验室内学生自主开展实验项目；对于专业课程实验项目采用“虚拟现实相结合”方式，“虚拟”是指按照物理设备构建的虚拟仿真实验系统，“现实”是指实际的物理实验设备。虚拟实验完成现实实验难以完成的实验内容，是对现实实验的补充和拓展，二者相结合构成开放自主的教学方法。该教学模式的系统构成示意图如图1所示。

图1 开放自主式实验教学模式的系统构成示意图

2.1 “线上线下相结合”的基础课程实验教学

“线上”是指网上虚拟仿真实验系统，“线下”是指真实物理设备实验室。基础课程的虚拟仿真实验系统按照真实的物理实验操作过程开发，虚拟实验过程及关键步骤与物理设备实验操作相同。学生在课前通过互联网访问方式开展虚拟仿真实验，模拟与实际物理实验相一致的实验操作过程。线上可以反复演练虚拟实验项目，熟悉实验要点，训练实验操作步骤和模拟观测实验现象。线上的网络虚拟仿真实验为学生提供实验预习、实验课前自我学习的手段，同时为线下物理实验教学过程的开放自主式实验模式奠定基础。

对于能源动力专业的基础课程实验，比如热工基础、测试技术、控制原理实验课程等，采用“线上线下相结合”的开放自主式实验教学模式。下面以能源动力专业的基础实验课程—热工基础实验课为例，说明“线上线下相结合”的开放自主式实验教学主要过程。

建立网上虚拟仿真实验系统，开发与物理实验项目一一对应的虚拟仿真实验项目，包括热工基础实验课程中的绝热材料导热系数及比热、大容积沸腾放热系数测定、风洞综合、二氧化碳临界状态观测、热电偶制造与标定、空气沿横管表明自由运动放热实验等10余个虚拟仿真实验项目。二氧化碳临界现象观测实验的虚拟仿真实验与物理实验对比如图2所示。

虚拟仿真实验系统按照真实的物理实验操作过程开发，虚拟实验过程及关键步骤与实际实验相同。学生在课前通过互联网访问方式(线上)开展虚拟仿真实验，模拟与实际物理实验相一致的实验操作过程。线上可以反复演练虚拟实验项目，熟悉实验要点，训练实验操作和观测实验现象。这样待线下(课上)进行物理设备实验时就无需教师讲解演示，学生自己就可以按照实验指导书规定的步骤进行实验。

(a) 虚拟仿真实验

(b) 真实实验

2.2 “虚拟现实相结合”的专业课程实验教学

“虚拟现实相结合”的开放式教学模式主要应用于专业课程实验项目上。虚实结合在这里有2个方面的内容：① 通过虚拟实验练习实验操作过程，模拟实验现象；② 对于物理实验难以实现或者实验成本太大无法大面积开展的实验项目，通过虚拟实验来实现相关实验内容。基于这两点，开发了内燃机、燃气轮机、蒸汽动力虚拟仿真实验系统等虚拟仿真实验教学资源，涵盖能源动力专业各个方向的专业实验课程[14]。在教学管理平台的支撑下，开展“虚拟拓展现实，课上开放自主”的教学改革，下面以热能工程专业的增压锅炉结构拆装实验为例，说明“虚拟现实相结合”的专业课程开放自主式实验教学模式。

按照增压锅炉实验室的实际设备为原型开发虚拟仿真模型，构建与真实实验室高度相似的虚拟仿真实验环境。学生在虚拟环境下对增压锅炉结构进行虚拟拆装，对系统组成、关键设备结构有较为深入的了解和掌握[见图3(a)]。进入增压锅炉实验室(真实实验)后，通过实验室的物理设备认识增压锅炉各个部分的系统结构[见图3(b)]。学生在自主实验过程中，对于需要深入了解掌握的内容，如炉膛结构、对流管束的布置形式等，实际物理设备是不能现场给学生做拆装实验的，可以通过虚拟仿真实验教学资源中的虚拟拆装实验来拓展学习相关内容[见图3(c)]。“虚拟现实相结合”的教学模式，将虚拟结构拆装和实验室设备拆装紧密结合起来，二者优势互补，既能拓展实验内容，又能给学生开放自主的实验空间，对学生的自主学习和创新能力培养都大有益处。>

(a) 虚拟拆装

(b) 真实设备

(c) 炉膛管束结构(实验拓展)

2.3 虚拟仿真实验教学资源

虚拟仿真教学资源为开放自主式实验教学模式的开展提供了大量虚拟仿真实验项目，起到了重要的支撑作用。在船舶动力技术国家级虚拟仿真实验中心的建设过程中，充分发挥科研优势，将大量的优质科研成果转化为虚拟仿真实验教学资源，同时按照“虚实结合、能实不虚”的原则，将虚拟仿真实验教学资源与真实实验设备紧密结合起来，实现优势互补。

目前开发的虚拟仿真实验教学资源主要包括热工基础、测试技术、内燃机结构及性能、燃气轮机结构及性能、增压锅炉结构及性能、联合动力装置虚拟仿真实验系统等。这些虚拟仿真实验教学资源涵盖了能源动力专业的专业基础实验和柴油机、燃气轮机、蒸汽动力装置等多个方向的专业实验教学内容。具体的虚拟仿真实验系统见我校船舶动力技术虚拟仿真实验教学中心网站。

2.4 开放式实验教学管理平台

管理平台的主要作用是为开放自主的实验教学模式提供网上实验教学环境和教务管理[15-16]。开放式虚拟仿真实验教学管理平台主要包括虚拟仿真实验中心门户网站、实验前的理论学习、实验的开课管理、典型实验库的维护、实验教学安排、实验过程的智能指导、实验结果的自动批改、实验成绩统计查询、数字化资源管理、师生互动交流和系统管理等子系统。

3 结 语

互联网平台下“线上线下相结合、虚拟现实相结合”的开放自主式实验教学模式，把传统的课下预习写报告变成“游戏”式的虚拟仿真体验，把教师课上的实验演示变成学生自主探索学习过程，避免了能源动力专业传统实验教学过程中“鹦鹉学舌式”教学模式的弊端，让实验过程变得好玩一些，激发了学生对实验内容的好奇心，点燃了学生的实验热情，同时在实验课上也给学生更多的探索和尝试的机会，受到了广大学生的欢迎。

目前在能源动力专业实验教学上的开放自主还仅限于一些指定的实验项目，“开放”和“自主”的程度都远远不够。未来希望能够进一步扩大实验开放的深度，在实验项目选择、实验方案确定、实验步骤安排、实验报告撰写等实验过程的各个方面，给学生更大的自主性，逐步实现学生在整个实验过程的自主学习和自我管理，不断提高学生的创新意识和实践能力。