多场景互动线上教学课程的设计与实践

邱忠才， 王 斌， 石章海， 郭冀岭， 赵丽平

(西南交通大学 电气工程学院， 四川 成都 611756)

0 引言

西南交通大学的办学定位是在轨道交通领域创建世界一流水平大学，电气工程专业是学校轨道交通领域重要的学科之一，尤其在牵引供电和牵引传动系统方面不仅代表国家的技术水平，更是定位到引领世界轨道交通行业发展的位置。因此，除了让学生掌握扎实的专业技能之外，还需要让学生掌握电气工程行业世界发展脉络、专业结构体系等。

“电气工程概论”课程的目标就是让学生认识电气工程领域的宏观性体系，并掌握具体专业内涵，它是电气工程领域重要的专业基础课之一。

为贯彻习近平总书记关于应对新冠肺炎疫情工作的重要讲话精神和党中央关于疫情防控的各项决策部署，坚决落实教育部《关于在疫情防控期间做好普通高等学校在线教学组织与管理工作的指导意见》等文件要求，将“停课不停学、停课不停教”的要求落细，努力实现“在线学习与线下课堂教学质量实质等效”目标，打好疫情面前的“教学攻坚战”，西南交通大学电气工程学院“电气工程概论”课程组，开展了国家精品MOOC+虚拟仿真实验+多场景互动的“电气工程概论”在线教学模式设计与实践。

1 在线教学资源与基础

“电气工程概论”课程覆盖了电气工程专业知识系统的整体构架，包含了较多的专业基础课程和专业课程[1]。结合新冠肺炎疫情形势，为了达到让学生在电气工程领域具有宏观性认知又具有专业性感受，必须通过线上教学方式以及使用先进有效的教学方法来激发学生的专业兴趣[2]，让学生从知识点学习转化到系统结构学习和实践操作感知[3]，从课堂教学的填鸭式被动学习转化到在线的主动探索型学习[4]。本课程的在线教学资源包含以下3个方面。

1.1 国家级精品MOOC课程

本在线课程依托四川省教学名师、西南交通大学陈维荣教授团队的“高速铁路牵引供电系统”(国家精品)MOOC课程。现阶段已完成5次开课，经过长期的建设，课程的视频、作业、讨论、测验、考试、论坛、考核方式等方面均得到了不断的提高和完善，取得了非常积极的社会影响和优良的学生体验反馈。获得“国家百千万人才工程”等多项国家级荣誉、多次获得国家科学进步奖等国家级奖项的高仕斌教授等以自身深厚的专业功底，把课程内容用风趣幽默的语言，深入简出的方式传授给学生。本课程组依托“高速铁路牵引供电系统”MOOC课程，开设了针对相应学生的异步SPOC课程即“电气工程概论”，来满足疫情期间教学，并保证教学质量[5]。

1.2 高速铁路牵引供电三维虚拟仿真实验

在课程第二章“牵引供电系统和设备”的学习中，充分利用学院建设的虚拟仿真实验项目“高速铁路牵引供电三维虚拟仿真实验”，系统真实再现高速铁路牵引变电站设备的工作实况，以及牵引变电站与牵引供电接触网之间的相互作用和相互影响。学生登陆系统后可以进行全方位、全过程、全场景的沉浸式的虚拟仿真实验，加强专业知识的理解。学生可通过全三维可视化铁路牵引变电所、接触网等虚拟仿真场景，在系统中随意漫游。任课教师可按照任务设定的方式让学生完成变电所、配电所、接触网等的正常巡视、日常操作、缺陷处理等工作，也可按照闯关式模式要求学生完成第一个任务才可以完成第二个任务，通过高逼真度游戏式场景设计，全方位刺激学生的感官，激发学生的学习兴趣，强化学生对牵引供电系统的电气设备、机械、通信等基本理论知识的理解。

1.3 高速铁路供电综合监控虚拟仿真实验

在课程第四章“高速铁路供电监控系统”的学习中，充分利用学院建设的高速铁路供电综合监控虚拟仿真实验(国家级虚拟仿真实验项目)平台进行教学。该项目依托轨道交通电气化与自动化国家级虚拟仿真中心，由牵引供电学科带头人钱清泉院士为顾问、省级教学名师陈维荣教授为负责人，利用3D仿真、信息网络等技术，通过网络化、浸入式、互操作的虚拟仿真教学，实现包含“设备巡视”、“监测监视”、“远程控制”、“应急处置”等高铁供电监控调度指挥生产过程的多岗位、多工种、多场景一体化虚拟仿真以及调度指挥和应急处置“全过程”虚拟控制。通过搭建的真实高速铁路供电调度监控的虚拟仿真运行环境，强化学生对高速铁路供电系统的组成、供电调度指挥、运行控制等基本理论知识的理解；训练学生对高速铁路供电系统中设备监测监视、设备巡视、远程控制、应急处置等基本技能；通过交互式、体验式的虚拟操作，了解并掌握高速铁路供电综合监控及调度指挥和应急处置实验的完整过程。

2 在线多场景互动设计与实践

过去我们在课堂上的学习从某种程度来说是被动的，而网络学习的基础是学生主动去学。对于学生而言，学习的环境由教室转到了居家的网络虚拟环境，缺少了教师面对面的指导和监督，学习成了一种自觉的、无监督的主动学习。所以，培养学生的自主学习能力成为网络教育的关键。但是自主学习能力的培养是过去学校教育所忽视的，很多大学生缺乏这种能力。这是这次疫情期间大规模的在线教育实践所反映出的一个典型问题。

对教师来说，以往的课堂教学主要依赖于学校熟悉的教学环境、良好的师生交流氛围和可靠的信息化基础设施，可以选择多样性的教学方式和方法，课堂管理和学情分析等也基本在自己的掌控之中。而现在教师所有的教学工作都要在线上完成和实现，各种不确定性可能会让教师受到困扰。

在线教学不是简单的上课，而是应该利用互联网的优势加强学生和教师的互动，而不仅仅是在线学习资源的提供。基于培养学生自主学习的基础上，教师有针对性的讨论、答疑和辅导，引导学生如何学，培养学习的兴趣，让兴趣变成学生的另一位教师。

因此我们通过多场景互动的在线教学的设计和实践来有针对性的培养学生的自主学习能力和激发学生的专业兴趣。

2.1 SPOC专题讨论的互动

结合西南交通大学轨道交通特色和电气工程学院的专业优势，以培养学生自主学习能力和激发学生专业兴趣为出发点，经过课程组教师讨论和征求专家的意见，在课程阶段设置4个大的SPOC专题讨论。目的是让学生不局限于课本知识，调动同学们所有学习技能，通过各种网络平台、视频资料、文字资料等等了解专业发展现状和未来发展趋势，同时使学生对自己的行业就业方向、就业范围、专业优势有所了解。通过专题讨论的方式来激发学生爱专业、爱学院、爱学校、爱轨道交通行业和爱祖国的大爱精神，激发学生的专业兴趣、学习动力和奉献精神，培养学生超强的自主学习能力。

例如，SPOC讨论专题(一)：牵引供电系统特点及未来发展方向。要求学生在限制时间内完成自主学习并在SPOC专题讨论区提交学习报告，教师们针对每一个同学提交的专题报告给出点评和回复。通过师生互动做到尊重学生学习、引导学生学习、鼓励学生学来切实的一步一步的激发学生的专业兴趣，逐渐的训练学生的自主学习能力。

图1 SPOC专题讨论互动

2.2 慕课堂的多步骤层次化互动

慕课堂是管理学生的有利工具，合理的设计使用慕课堂的公告、签到、点名、习题、讨论等功能，能够起到掌握学生学习状态、活跃学习气氛和激发学生专业兴趣的重要功能。慕课堂环节设计与功能分析采用3层次5步走的方法。第1步公告，告知本次课程安排，包含教学进度、课后作业以及基本要求等，还方便学生所示查看学习进度要求；第2步签到，了解学生出勤情况，有针对性了解不能按时上课学生情况，通过QQ群里学生的QQ私下联系了解原因，和辅导员教师沟通报备，课堂做到不少一人；第3步点名，配合腾讯会议直播，随机点名学生回答前面的学习内容，同步进行星级点评，让同学们紧张起来，起到推一把的作用，保证学习质量，保证自律性差的学生跟上教学进度，做到教学质量不少一人；第4步练习，本次课设置上次课程内容的拖后练习方式，起到复习、加强和巩固的作用，让学生清楚课程提纲、了解课程重点、难点和应该达到的教学目标；第5步讨论，引导学生思考，针对“电气工程概论”课特点，设计简短讨论题目，引导学生动脑思考，通过专业体系、专业技能和专业发展趋势等方面激发学生的专业兴趣。第一层次为步骤安排，第二层次为内容和目标设计，第三层次为达到的总体要求，具体结构形式如图2所示。

图2 慕课堂多步骤层次化互动

2.3 直播平台的音频互动

在线课程的视频教学具有可以反复观看等优点，但是也存在师生互动性差的缺点。因此我们采用腾讯会议直播平台来弥补互动性不高的问题，主要进行内容补充、提纲挈领、学习激励、答疑解惑和兴趣激发等；直播互动的设计使用如图3所示。

图3 直播平台音频互动

2.4 多场景互动的综合设计与实践

在上述3种场景互动下结合SPOC课程的视频、作业、测验和论坛，以及QQ群的文字交互等对每一节课进行了个性化的多场景互动教学设计与执行过程，例如表1所示为第3周的教学设计和执行过程。通过这样的课程教学满足教学大纲需求，达到培养学生自主学习和培养学生专业兴趣的目标。

表1 多场景互动综合设计与执行过程

3 学校对教学效果的反馈与评价

课题组选择问卷网平台设置了调查问卷，对6个教学班350个学生开展了教学效果问卷调查，收回有效调查问卷253份，统计结果如图4所示。可见，70%左右的学生对单个场景互动给出了好和非常好的评价，多场景综合互动方式获得了77.5%的学生给出好和非常好的评价，而给出差和非常差的评价比例综合起来低于2%。除了互动方式我们还对本在线课程和线下教学模式进对比如图4(e)，以及学习前后学生对于专业的了解及兴趣提高方面进行了调查，超过60%的学生认为学习效果优于了传统的线下教学模式，74.7%的学生在学了这门线上课程后对专业了解和兴趣提升方面给出了好和非常好的评价。这和本课程的专业地位、优质在线网络资源与基础、多场景互动的教学设计综合起来带来的成效。

除了从学生自身获得教学设计和实践质量的反馈外，课题组还从学校和学院安排的听课督导专家获得教学反馈情况，比如：电气工程学院院长陈维荣教授对本课程线上教学进行了一次教学过程的全过程教学督导，当天给出了听课督导反馈，肯定了多场景互动的在线教学设计，也提出了一些宝贵的建议。课程组教师根据教学反馈已经举办了两次线上教学研讨活动，及时的调整教学内容和方法，合理设计教学过程，不断的提高线上教学质量。

(a)SPOC专题讨论互动 (b)慕课堂互动

(c)腾讯会议音频互动 (d)多场景综合互动

(e)与线下教学模式对比 (f)课程学习前后对比图4 多场景互动调查反馈

4 结语

本课程在新冠肺炎疫情的特殊时期，开展线上教学的设计与实践，及时总结线上课程建设及质量保障经验，着力解决线上教学的互动效果不好的关键问题，培养学生自主学习能力，提高学生专业技能，激发学生专业兴趣，保证教学质量的目标，优化“电气工程概论”课程的“质量+创新”的线上课程教学方法，保障并不断提升线上课程质量，获得了受课学生的较好评价。课题组将不断总结线上教学的经验和不足，为今后学生返校后开展线上、线下混合教学和推进一流课程建设打下坚实的基础。