虚拟仿真技术支持下的探究式教学模式研究

夏庚磊，成守宇，王航

（哈尔滨工程大学 核科学与技术学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

0 引 言

课堂教学是当前高校教学的基本组织形式。传统的课堂教学无论在教学模式还是教学内容上均无法满足创新型人才培养的需求，固化的教学模式已经成为制约学生自主学习和实践创新能力培养的主要瓶颈。而探究式教学以问题为中心、以学生为载体的授课模式可为提升高校课堂教学有效性及促进新工科人才培养提供支持[1-2]。探究式教学方法提出以来，众多学者开展了探究式教学模式的探索，刘建西等[3]认为探究式教学应有的理念是通过对“探究式教学”的解读，发现“基于问题，以学生为中心，合作式学习，重视学习的过程以及学习方法的培养”。张玉梅等[4]认为探究式教学模式的组织过程包括探究目标或意图的生成，探究方案的策划与设计，探究行动和反思以及探究结果的分享和校正四个部分。姜楠等[5]从课程内容、教学过程、教学方法和考核方式等方面总结了探究式教学方法进行生物化学实验课程教学的优点，为提高实验课程的教学质量和培养学生的创新能力提供了理论依据。近些年来，针对探究式教学方法的初步实践，促进该教学模式的实施取得了较好的效果[6-8]。杨桂军等人[9]将案例探究式合作学习的教学方法应用于“环境监测”理论课的教学，以改变传统教学方法的不足，获得很好的实践效果。王因虎[10]等将探究式教学模式应用到高职高专化学教学改革中，从构建情境，提高学生的学习兴趣、设定诱发性问题，明确探究方案、检验假设，探究结果、归纳总结，激励评价四个方面进行。结合探究式教学的特点，本文以高等院校“核动力装置与设备”课程为例，深入探讨探究式教学模式的研究与实践。

1 新工科建设背景下高校课程所面临的问题

“核动力装置与设备”课程是工科高等学校机械类专业的一门主干基础课，它对培养学生运用压水堆核动力装置的基本理论进行系统设计、分析，提高学生创新、协作等综合素质方面具有重要的意义。目前，“核动力装置与设备”课程教学大多数仍采用填鸭式授课为主的传统教学模式，“填鸭式教学模式”具有易于讲授、总结、考核的优势，但对于“核动力装置与设备”课程，其课程内容涉及了核反应堆物理、热工水力学、工程热力学、流体力学、传热学、自动控制原理、水化学等多个课程，传统教学模式在实施过程中缺少必要的手段吸引学生的注意力，造成学生认知困难，难以跟上授课节奏，教学效果大打折扣。

“核动力装置与设备”课程讲授的内容包括船舶核动力装置的组成和含义、主要技术经济指标，反应堆主冷却系统、一回路辅助系统以及二回路系统的功能、组成和运行原理，还包括核动力装置的基本热力循环、热力分析的基本理论和方法、改进热效率的方向和措施等内容。授课内容涉及船舶核动力系统设计、运行、维护的各个方面，要求授课老师的科研和教学经验非常丰富才能深入浅出的给学生全面讲授基本知识。而且，核动力装置是非常复杂的工程系统，在一门课程中无法全面介绍所有核动力装置的组成的运行原理。对于一些青年教师，特别是刚刚开始上课的老师，对核动力装置实际运行过程缺乏经验，无法很好的满足教学的要求，对于课程教学和考核存在一定的困难。

2 基于虚拟仿真技术的实践教学改革思路

探究式教学模式注重分析课程特点，明确课程教学活动过程中各要素的控制、开展和评价，结合新工科教学活动提出具体实施方案。因此，针对当前工科高校实践教学所面临的问题，结合现代高等教育教学改革的方向，从以下几个方面对探究式教学模式及其具体内容等进行改革，以满足新工科建设的需求：

首先，从各高校、教师、大学生多视角深入剖析对相关课程的认知和评价，促进理论联系实际，更新教学内容，结合虚拟仿真技术以满足实践教学与行业发展的需求；

然后，深入挖掘影响学生对相关课程学习、掌握和应用的主观及客观因素，解决传统教学模式与信息化教学脱节导致的教学效率低下问题；

最后，搭建探究式教学模式试点平台，摒弃呆板的传统教学模式，加强课前预习的有效性，探索信息化背景下高校学生对相关课程的有效学习和授课模式。

3 基于虚拟仿真资源的探究式教学模式构建与实践

3.1 构建网络平台课程资源

网络课程资源建设的目标是实现教学资源的网络化，建设内容包括教学微视频、网络互动平台、实验分析软件等内容。如图1 所示为开发的网络平台，网络互动平台为学生提供了一个自主学习的环境，包含了教学微视频、计算软件、讲课PPT 等丰富的网络教学资源，还可以同步开展问答、讨论和网络测评等相关内容。教师在课前针对相应知识点提出问题，学生利用网络互动平台可以随时随地进行实验，学习相关知识点，验证自己的答案，思考总结课堂教学内容。学生对于发现的问题可以在网络互动平台上咨询老师和同学，大家都可以针对特定问题进行讨论，每个人的观点相互验证，达到共同学习、共同进步的目的。互动平台可以记录同学的每一次登录和操作，对学生的自主学习能力给出一个合理的评价，作为多维度成绩考核的一部分。

图1 开发的网络平台

3.2 推动学生课前学习

通过建立丰富的网络课程资源，利用多种不同的方式，针对不同的知识点，面向不同组织模式，不同层次的学生都可以利用课前的时间充分了解所学的知识点，方便学生课下自主学习。自主学习的形式包括观看微视频、开展仿真试验、讨论区讨论、测试区问答等，如图2 所示为建立的网络课程资源。学生通过多种形式的学习来掌握相应的知识点，并能够充分利用所学到的知识针对具体问题进行分析，使所学到的内容更加牢固。通过学生自主实验，结合实际问题开展课前预习，针对性更强；在实践中、探索中学习效果会有明显提升；通过课前的锻炼提高学生自信心，也可以提高课堂授课的效果，对老师的课上教学也可以起到一定的促进作用。

图2 建设的网络课程资源

3.3 加强师生探讨互动

加强师生互动是为了保证以教师为主导、学生为主体的探究式教学效果，使填鸭式的教学完全转变为探讨式的教学模式。课程教授过程中以提出问题、分析问题、解决问题为主导，学生在实践过程中消化知识点，在解决问题的过程中锻炼了学生的动手能力，提高了学生的综合素质。此过程中师生充分利用网络学习平台进行协作探究（图3），教师跟踪指导、给出评价，学生实践学习、深化理解，及时总结所学知识点，更有利于学生的成长。利用课题组所开发的虚拟仿真程序，学生动手操作，老师参与指导，针对核动力系统特点开展仿真分析工作，学生更直观的看到实时仿真数据以及曲线的变化趋势，能够加深对问题的理解，更容易去分析老师所提出的问题。而且学生亲自动手操作，对于核动力装置一些特定现象的理解更加清晰、知识记得也会更加牢固。

图3 虚拟仿真交互界面

3.4 多层次多维度成绩考核

成绩考核是核动力装置与设备课程教学效果评价的重要环节，前期的考核主要是采用线下考试的形式，学生突击考试的现象比较严重，并不能很好的考察学生的学习效果，特别是不能有效的区分学生利用所学知识解决具体问题的能力。建立多维度成果记录和分析机制，规定科学有效的评价程序和方法，达到教学成果清晰化、实在化，促进教学工作的可持续发展。通过多方面全方位的成绩考核，学生的最终成绩由考试成绩（50%）＋平时成绩（50%）。其中平时成绩＝平时作业（30%）＋单元测验成绩（10%）＋课堂讨论活跃度（10%）。成绩构成中即体现了学生的自主学习效果，同时也反映了学生的实践能力、团队协作能力及对复杂问题的解决能力等情况。

3.5 促进评测反思总结

通过对探究式教学模式实施过程中取得的成效和存在的问题进行客观的评测、反思、总结和改进，在教学实践环节中不断完善和改进教学方法，充分锻炼学生的自主学习和创新能力，提高学生的主观能动性。随着信息化技术的发展以及教学资源的丰富，网络教学资源也要实时更新。通过不断的更新和优化教学内容，完善探究式教学的效果，一方面达到教师能力提升的目的，一方面达到学生素质拓展的目标。任何课程改革都不是一蹴而就的，都是要经过不断的检验和优化才能达到最好的效果，同时还要根据教学环境、学生特点等具体情况对教学资源和教学过程进行完善以适应新工科建设的目标。

4 结 论

探究式教学模式突破了传统的课堂教学模式，充分发挥网络教学资源，学生可以利用特定的网络交互平台，自行安排时间进行知识点的学习，随时随地开展线上学习、讨论、总结。在不断的实践过程中进行知识点的学习，一方面提高了学生学习的兴趣和效率，一方面可以促进教师教学水平的不断改进和提高。虚拟仿真技术支持下的探究式教学模式在核动力装置与设备课程中应用取得了较好的效果，为高校教学改革提供了一个全新的视角。但是，探究式教学需要根据具体的课程特点、网络教学资源、学生的素质、信息化程度、评价以及考核需求，特定开发合适的教学方式，科学安排合理的教学内容，并不断更新教学效果，适应新工科建设的目标，实现创新型人才培养的目标。