基于OBE 理论面向能源动力专业的虚拟仿真实验教学体系的探索

黄蓉 唐守强 赵倩 汤正成

（江苏大学京江学院，江苏 镇江 212000）

一、研究背景与意义

OBE（Outcome based education，OBE）教育理念，又称为成果导向教育，是一种以成果为目标导向，以学生为中心，采用逆向思维的方式进行的课程体系的建设理念。作为一种先进的教育理念，OBE 是以预期学习产出为中心、以毕业生的预期培养目标为导向，注重教学体系的改进、优化相应教学模式，确保学生符合培养目标。在新时代，新形势下，OBE 教育理念在国内外各个高校中已普遍得到重视，受到越来越多的教育工作者的青睐[1][2]。

基于能源与动力工程专业，考虑到专业实验项目价格昂贵，造价高，所占用体积庞大，实验安全系数低等因素，专业实验项目内容较少，能源动力专业难以全面广泛地开展大型专业综合实验项目，学生缺少必要的训练，无法对能源系统、大型动力装置形成系统的、全面的认识[3]，这与培养以产业需求为导向的毕业学生难适应。

针对上述问题，本文先通过资料查找、文献检索等方式获取了相关资料和信息，研究分析如今国内外高校虚拟仿真实验教学的现状和特点，探寻虚拟仿真实验教学体系的改革动向和趋势，提出基于OBE 理论的虚拟仿真实验教学体系的新模式，为开展江苏大学京江学院能源动力专业的虚拟仿真实验教学模式奠定基础，培养适应产业发展的合格工程人才。

二、国内外虚拟仿真实验教学的发展现状

（一）国外虚拟仿真实验教学的发展现状

国外高校对虚拟仿真技术的研究起步较早，应用较为广泛。美国新媒体联盟(NMC,New Media Consortium)发布的《国际教育信息化地平线报告》一度引领了国际教育信息化建设与发展的风向，报告中提出，虚拟仿真教学将在今后国内外教育界改革传统教学、人才质量提升等方面扮演重要角色，将成为现代教育的领头羊，由此虚拟仿真教学收到国内外教育界的广泛关注。[4]

英国开放大学实验室通过网络、虚拟现实等技术开发了虚拟仪器共享平台，满足在线实现所有实验室功能，学生通过下载虚拟仪器软件即可进行在线实验，或借助遥控仪器进行远程控制实验。2006 年，英国开放大学还构建了一个与课堂平行的三维虚拟环境，使师生有身临其境的感觉，可完成学习任务，参加集体活动等，教师可以通过虚拟世界与异地学生进行“面对面”的交流和辅导[5]。

澳大利亚雷德兰兹大学早已利用平板电脑取代了传统的实验仪器，包括视频设备进行野外实践教学，拍摄高分辨率的地形图片资料，收集和分享岩石数据，快速获取参考资料并对收集的数据进行记录和分析[5]。

美国耶鲁大学利用平板电脑进行分子生物学、细胞生物学等实验课程，通过移动应用程序学生可分享到从中心实验室数字显微镜中获取的数据和图像资源[6]。

美国科罗拉多大学在学校内进行了PhET 交互式虚拟仿真实验，让学生在虚拟仿真环境中，自主实验、启迪创新思维，从而验证实验方案和技术构想[5]。

加拿大大学通过开设虚拟仿真教学实验室，同时配备3D 扫描仪和打印机等高科技设备，体现了“虚实结合、能实不虚”的教育体系[5]。

通过调查国外高校虚拟仿真实验体系的应用可知，运用电子信息技术开展虚拟仿真实验平台，极大地满足了现代化时代高等教育开放办学、资源共享的变革要求，为实现学生自主性学习和创新实践提供了有利资源，为培养自主性、创新型人才提供了有利渠道。

（二）国内虚拟仿真实验教学的发展现状

与国外相比，我国的虚拟仿真技术起步比较晚。自2013 年起，教育部已开展国家级虚拟仿真实验教学中心的建设工作，在2013-2015 年期间，前后共建设了300 个国家级虚拟仿真实验教学中心，分别分布在26 个省市自治区，其中理工类211 个，农林医药类53 个，人文社科类36 个[6]。

中国农业大学成立了机械与农业工程虚拟仿真实验教学中心，以“虚实结合、相互补充”为原则，创新性地提出了一套虚拟仿真实验教学体系，即“三平台、九模块”[7]。

山东农业大学国家级农业机械化及其自动化虚拟仿真实验教学中心建立了“现代农场虚拟仿真实验教学系统”等四个虚拟仿真教学模块。其中2018 年的“家禽病毒性传染病疫苗的生产应用虚拟仿真实验”入选当年国家虚拟仿真实验教学项目，呈现了较好的应用前景[8]。

哈尔滨工程大学动力与能源工程学院在2014 年开发出船舶动力专业虚拟仿真实验教学平台，以“顶层设计、虚实结合、开放创新”为教学理念，并成功获批国家级虚拟仿真实验教学中心[3]。

西安交通大学能源与动力工程学院开发了液态压缩空气储能系统虚拟仿真实验平台，提升了实验教学的吸引力、推动了该领域的专业技术人才培养工作，使得仿真实验教学具备了深刻的应用意义。

三、基于OBE 理念虚拟仿真实验教学模式的建设目标

他山之石，可以攻玉。我校能源动力专业实验课程依旧采用的是传统模式，为以成果为导向，提高创新型人才培养的质量，在OBE 教育理念的背景下，开始探索能源动力类实验仿真教学的新道路。

传统的实验教学模式是以教师教学为主体，学生在教师的推动下接受知识，很显然，这已经明显不满足现代化高教教育理念的方针。OBE 教育理念倡导学生作为教学活动的主体，以成果导向教育为目标，在新形势下，以能源动力专业为例，探索提出了基于OBE 理念虚拟仿真实验教学模式（如图1 所示）。

图1 基于OBE 理念虚拟仿真实验教学模式

在实验仿真教学之前，首先确定预期的学习成果即设立培养目标。根据预期的培养目标和人才培养的教学方案，分为两部分展开：虚拟仿真实验课程的自主性和虚拟仿真实验课程的创新性。

第一部分，教学活动不再是以老师教为主体，而是以学生自主学习为主体，在课堂前10 分钟，借助视频让学生回顾已学的基础知识，为本节课程内容做铺垫；熟悉本节实验教学的内容、目的。以传热学平板的导热系数测定实验为例，可先通过视频回顾下什么是热传导，导热系数具有哪些特性，为后续实验步骤埋下伏笔。然后进入课堂的中心环节，听从教师或视频的语音讲解，介绍实验仿真教学平台的操作步骤、注意事项等方面，学生自主性进行实验，对于虚拟实验中遇到的问题，可以选择向老师提问或与同学交流，观察实验结果是否达到预期的目的，分析相关现象并学会解释其中的原理。实验结束后，进行课后反思，举一反三，能否开展同类型的其他的材料的实验，更深入的探究实验项目，探索其中的奥秘。第二部分，虚拟仿真实验平台的创新性，如何将学生在书本所接触的实际环境，工作条件在传统实验中展现出来是一大难点，只凭借书本的图片，视频难以发现其中的乐趣，于是，可借助虚拟实验达到“身临其境”的效果，将我们在工程上所听到过的、难以实现的场景通过虚拟平台呈现出来。我们可以举个流体力学的例子，我们可以借助FLUENT 模拟软件仿真模拟出圆柱绕流现象，通过自己动手实际操作，得到这样一个三维动态结果。借助CFD 软件，学生可以分析每一个工程实际问题，提高学生解决实际问题的能力。该课程建设体现了以学生为中心，灵活式的培养专业型人才。最后，这一新型模式的提出，离不开后期教学质量体系的监督，通过网络平台，实时监控课堂过程中产生的课堂信息，及时反馈学生的学习情况，不仅仅是监测学生学习过程中所产生的问题，也是对教师教学质量效果的评价，学生可借助网络平台，及时反馈学习效果，对存在的问题可提出自己的修改意见，从而教师可更好地建立优秀的教学环节，树立良好的教学氛围。

实验仿真教学平台的建立丰富了实验项目的内容，通过共享平台学生可自主性的，开放性的开展虚拟平台所能开展的实验；但是虚拟仿真实验平台也存在几个问题：1.虚拟仿真实验平台虽不存在传统实验的危险性、不可控性，但也有可能削弱、淡化学生对工程中相关注意事项的警惕度，这也要求教师应不断改良、优化自己的教学设计；2.虚拟仿真实验平台包含大量创新型、专业型项目，这也要求专业化的教师队伍需不断扩大；3.虚拟仿真实验平台的教学质量效果需真实经历才能发现其中的问题，对此，后续本文将开展学生的虚拟仿真实验教学真实体验，观察教学过程中所存在的问题，为更好地建设基于OBE 理论面向能源动力专业的虚拟仿真实验教学体系奠定基础。

结语

OBE 教育理念以成果导向为教育目标，基于OBE 教育理念，更能培养出适合这个社会，这个专业更优秀的人才。纵观国内外实验仿真教学的发展，实验仿真教学体系已成为大势所趋，在OBE 教育理念的背景下，如何借助虚拟仿真实验教学平台，优化我们的教学模式，以预期培养目标为导向，培养出更专业型的人才是我们奋斗的目标。