“互联网+教育”背景下基于“Wed 3D技术+翻转课堂”的高电压技术课程教学模式探索

黎鹏　吴田　普子恒　李振华

摘 要 高电压技术作为三峡大学特色专业输电线路工程的必修课之一，是一门理论性和实践性较强的课程，本文根据其内容及特点，提出了基于“Web 3D技术+翻转课堂”的教学模式，并对教学方法进行了初步探索，将提升学生的自主学习能力，具有一定的推广价值。

关键词 高电压技术 Web 3D技术 翻转课堂 教学模式

中图分类号：G424                                   文献标识码：A    DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2021.01.060

Abstract High voltage technology is one of the compulsory courses of characteristic specialty transmission line engineering in Three Gorges University， and it is a theoretical and practical course. According to its content and characteristics， the teaching mode based on "Web 3D technology + flipped classroom" is proposed in this paper. The teaching method is preliminarily explored， which will improve students' autonomous learning ability and have certain promotion value.

Keywords high voltage technology; Web 3D technology; flipped classroom; teaching mode

0 概况

2019年全国两会将“互联网+教育”首次写入政府工作报告，《国家十三五规划（2016-2020年）》中将虚拟现实技术明确列入国家大力支持的行业中，虚拟现实技术与教学的深度融合势在必行。Web3D技术是互联网与虚拟现实技术相结合的产物（互联网+虚拟现实技术VR），通过建立三维虚拟世界，能更好地观察抽象的现实世界。[1]因此， 随着“互联网+教育”时代的到来，Web3D技术为高等教育教学改革提供了广阔的发展前景。[2]

自2007年美国学者Jon Bergmann和Aaron Sams提出新兴教学模式翻转课堂以来，[3]基于翻转课堂的教学方式在国内快速兴起，学生参与课程学习的热情和积极性有所提高，该教学模式已在众多高等院校推广，解决了以往学生被动学习、自主学习能力不足、师生缺乏沟通、课堂效果差的局面，得到了师生的一致好评。[4]但现有教学中仍存在一些问题，翻转课堂提高了学生参与学习的积极性，但未解决抽象知识点理解难、理论与实际缺乏联系等问题，使得学生对相关知识点难以掌握，自主学习及课堂教学还是达不到预期。

高电压技术作为三峡大学特色专业输电线路工程的必修核心专业课程之一，内容多、难度大，抽象概念多，如电介质放电机理、雷電、波过程、过电压等，学生难以理解掌握;同时，还包含了大量工程实际知识点，如高压电气设备结构、高压绝缘试验等。[5-6]这些抽象晦涩的理论及工程实际知识点，仅依靠传统课堂讲解以及课外翻转教学效果依然有限。如能利用Web 3D技术制作三维模型VR，再结合翻转课堂，将极大地丰富学习内容，激发学生兴趣，真正实现主动学习和个性化教学。

本文针对现有教学模式存在的问题，提出了基于“Web 3D技术+翻转课堂”的教学模式，对高电压技术课程中的知识点进行归类，对复杂晦涩理论及工程性强的知识点利用Web 3D技术制作三维动画及视频，综合课外视频及理论讲授，实现课堂翻转，培养大学生自主学习能力，提高教学质量。

1 Web 3D+翻转课堂教学模式实现

本文以三峡大学输电线路工程专业人才培养方案为基础，以提高学生自主学习能力、激发学习兴趣为目标，基于Web 3D技术和翻转课堂，构建高电压技术课程混合式教学模式。总体实施框图如图1，具体实施方案如下：

（1）构建整体框架。高电压技术课程内容主要包括放电理论、高压试验、电力系统过电压及防护、绝缘配合等，具有较强的理论性和实践性。根据教学大纲、教学目标，结合以往教学经验及考核方式，并通过对学生人群及企业调研，综合反馈意见，对课程内容安排进行分析，确定课堂讲授内容、翻转教学内容及3D虚拟场景内容，构建整体教学框架及实施流程，形成新的教学实施方案。

（2）课外教学设计。根据高电压技术课程知识点的特点，选取合理知识点构建翻转课堂教学微视频，并对重难点知识制作3D虚拟场景动画;如针对放电理论部分，可制作电介质放电/击穿过程的3D视频和动画;针对复杂电力设备，如变压器、断路器等，可利用Web 3D技术构建三维立体模型，通过旋转、放大等操作清晰地显示各部分的结构;对于高压绝缘试验部分，可根据实际高压实验室布局及设备结构，构建真实三维虚拟场景，让学生产生身临其境的效果，真正实现理论与实际相结合的目标。通过理论教学视频、3D虚拟场景展示，并辅以详细的语音讲解，将大大地提高学生的自主学习效率，提升学习理解能力，激发想象力。同时，可基于雨课堂和SPOC等网络空间构建知识点3D展示和微视频播放综合平台，形式开放包容;将视频资源通过云盘空间或SPOC网络空间共享，通过雨课堂向学生推送PPT、视频链接等方式开展课下学习，让学生及时观看教学视频和3D虚拟动画，并配套互动测评，反馈学生自主学习情况。使教师可以有效地管理课程，并加强与学生的互动，有效监控学生的学习进度和效果。

（3）课堂教学设计。课堂教学主要分为两个方面：①对学生课外自主学习情况进行汇总分析，结合3D虚拟动画，对部分重难点知识进行针对性讲解，帮助学生加深理解;②构建多元化的交流讨论交流环节，通过师生交流、小组讨论、成果展示等方式，实践“微视频—虚拟现实场景—师生互动交流—总结反馈”的教学模式，如让学生参与3D虚拟场景制作，并进行现场演示，分享学习心得，提高课堂中学生的参与度，引导学生发现问题、解决问题，激发学习兴趣。

（4）教学评价机制。教学评价是教学模式的关键环节，其好坏直接决定了教学模式是否可行。而现有评价模式仍以“卷面考试+平时成绩”的评价方式为主，应形成“课前学习+课堂讨论+学习平台交流+理论考试”的多元化评价机制;同时，形成师生互评的评价体系，在整个教学过程中实现动态评价，老师依据评价结果不断反思和调整教学思路，学生不断优化学习方式，提高学习效率;充分调动学生和老师的积极性，形成教和学相互促进的良好局面。[7]

2 Web 3D+翻转课堂教学案例分析

2.1 抽象理论案例

高电压技术课程涉及较多抽象理论，以气体放电理论部分为例来论述针对抽象理论的教学实施方法。气体放电理论包括：汤森德放电理论、流注放电理论、先导理论等;这些理论不论是课外自主学习还是课堂讲授，从反馈情况来看，大部分学生未真正理解和掌握，原因在于放电过程极为抽象复杂。传统的教学视频仍停留在概念讲解方面，图片也以静态为主，不够生动形象，导致课外学习效果不佳，达不到翻转课堂期望的目标。根据本文提出的教学模式，可做如下改进：

（1）在课外学习视频中，增加放电过程动画，如图2所示。将放电理论讲解与视频动画结合起来，通过视频及图片，对电子崩、电晕起始、流注放电（正流注和负流注）等理论进行介绍，让学生在课外学习过程对气体放电的宏观过程有所认识，加深对相关理论知识点的理解;同时可设置相关问题引导学生去思考，比如放电为什么会出现分支？放电为什么不是均匀连续发展？等。

（2）利用Web 3D技术制作三维动画，从微观层面解释气体放电现象。在了解气体放电基本理论后，利用Web 3D技术构建三维立体彩色模型，从电子和离子产生、运动形成电子崩开始，到空间电离、光电离形成流注，以及长间隙热电离形成先导通道等过程，生动形象地描述气体间隙放电理论。学生可从微观层面（电子、离子运动等）清晰地看出各放电理论之间的差异，使抽象的理论立体、直观、多维度呈现。同时，可将微观三维模型与宏观放电动画进行深度结合，引导学生对相关放电现象从微观层面进行解释，激发学生的学习热情，增强创新能力。

2.2 工程实际案例

高电压技术课程具有较强的工程实践性，下面以高压绝缘试验为例，来论述针对工程实际的教学实施方法。高压绝缘试验涉及高压电气设备（调压器、试验变压器、分压器等）、高压产生原理、高压测量以及试验接线等过程;虽然针对高压绝缘试验部分既有理论讲解，也有现场试验操作，但学习效果一般，主要原因在于：（1）学生对高压电气设备结构缺乏认识，特别是内部结构，几乎仅靠图片了解，导致对变压器等复杂电气设备工作原理及应注意的问题无法真正理解;（2）高压实验室现场开设的一些实验课，虽然能一定程度上弥补理论教学的不足，但学生仅能对设备的外观进行观察，仍无法观测内部结构;同时，出于安全问题考虑和实验室容量有限，许多高压试验（如工频、冲击耐压试验等）学生只能远距离观看，并不能动手操作（如试验接线、测量等），对试验流程、具体操作步骤、注意事项、试验现象等停留在表象认识，并未真正理解，導致理论与实践仍存在脱节情况，达不到预期目标。为此，可进行如下改进：

根据高压实验室设备及布局，利用Web 3D技术制作电气设备真型三维模型及实验室虚拟现实场景。3D模型可对设备的内部结构进行细致呈现，如变压器的铁心结构、绕组缠绕方式、高低压绕组排列等，学生可通过局部放大、旋转等方式，对设备内部结构有清晰的认识，加深对相关理论的理解。同时，虚拟现实场景可让学生有置身于实际实验室的感受，达到身临其境的效果，既有很强的交互性，也有沉浸感和趣味性。[4]学生可在虚拟现实场景中开展试验操作，如接线、电压调整、电压测量等，还可对各类试验现象进行观测，并对错误操作引发的后果及原因进行说明和展示，弥补现有试验教学的不足，激发学生对高电压工程实践的兴趣。

3 结语

本文针对传统教学视频、图片和动画不能完全满足高电压技术课程教学需要的问题，基于“Web3D技术+翻转课堂”构建新的教学模式。通过将现有翻转课堂教学模式与3D虚拟现实场景相结合，使抽象理论与工程实际知识点立体化、直观化和形象化，提升学生对抽象知识的理解能力，激发学习兴趣，完美解决教学与实践脱节、部分内容抽象难以理解等难题。该教学模式将为其他电气工程专业课程提供改革方向，但其有效性有待进一步验证，同时也对教师的专业技能提出了新的要求。

参考文献

[1] 徐翰鹏，吴金成，张海丽，等.Web 3D技术在护理解剖学翻转课堂教学中的应用探讨[J].解剖学研究，2017.，39（06）：491-493.

[2] 邸志宏.Web 3D技术在高职院校教学中的应用[J].咸宁学院学报，2011，31（08）：174-175.

[3] 杨斌，王以宁，任建四，等.美国大学IPSP课程混合式翻转课堂分析与启示[J].中国电化教育，2015，（02）：118-122，128.

[4] 贾敏，张晓辉，付锋，等.虚拟实验联合翻转课堂教学模式在生理学实验教学中的应用[J].心脏杂志，2020，32（04）：449-453.

[5] 邱巍.如何增强《高电压技术》课程教学实效性[J].江西建材，2015，（21）：219，225.

[6] 黄萍，梁小冰，韩昆仑.多媒体技术在《高电压技术》课程教学中的应用[J].中国电力教育，2008，（07）：66-67.

[7] 普子恒，张宇娇，方春华，等.基于混合式翻转课堂的电力电缆课程教学模式探索[J].教育教学论坛，2017，（29）：144-145.