基于数字教育平台的装备类课程智慧教学研究

印敏 滕义超 孟鑫 杨磊

［摘 要］ 装备类课程的实装教学存在人力物力投入大，可支撑人数少，教学时间和场地受限等问题，“互联网+”和“VR+AI”技术的数字教育平台可以推动传统装备教学方式的巨大转变。通过研究融合数字模拟与“互联网+”技术优势的开放式装备教学运行架构，提出了基于能力图谱和知识图的知识矩阵分解方法，运用AI技术构建了“智适应评测和导学”体系平台，提出基于翻转课堂的线上线下混合式教学模式，提高装备教学效率。

［关键词］ 智慧教学；数字教育平台；VR；AI；混合式教学

［基金项目］ 2021年度国防科技大学本科和任职教育教学研究课题重点课题“‘为战抓教气象海洋专业组训能力培养机制研究”（U2021213）；2022年度国防科技大学校级教学成果培育项目“气象海洋专业生长军士培养创新与实践”（65），“构建军士职业本科人才培养体系——以气象海洋专业为例”（174）

［作者简介］ 印 敏（1978—），女，江苏泰兴人，博士，国防科技大学气象海洋学院副教授，主要从事气象信息网络与信息获取装备研究；滕义超（1989—），男，辽宁鞍山人，博士，国防科技大学气象海洋学院讲师，主要从事微波光子技术和气象雷达系统设计研究；孟 鑫（1979—），男，山西晋中人，博士，国防科技大学气象海洋学院副教授，主要从事电磁兼容与气象雷达系统设计研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A［文章编号］ 1674-9324（2023）14-0149-04［收稿日期］ 2022-10-03

现代装备种类繁多，集成度高，技术发展迅速，建设场地和造价成本要求高，维护复杂，因此装备类课程的实装教学存在人力物力投入大、可支撑人数少、教学时间和场地受限、不便于设置故障等一系列问题。随着虚拟现实技术（VR）与人工智能技术（AI）以惊人的速度发展和应用，装备类课程的教学方法和教学模式有了巨大的变化。充分利用“互联网+”和“VR+AI”技术，构建开放集约型装备数字教育平台，对改进传统的实装教学模式，创新开展装备类智慧教学方法的研究具有重要现实意义，使装备教学全方位、多层次、看得清、有互动。

一、数字教育技术发展现状

VR生成集视觉、听觉和触觉于一体的逼真的三维世界，突破了时间、空间和其他条件的限制，自2015年左右开始应用于虚拟仿真实验教学，对教育领域意义重大。我国许多高校都建设了虚拟仿真实验教学中心，进一步推进虚拟现实技术与实验教学的深度融合，拓展实验教学内容的广度和深度［1］。大量学者与研究人员在VR课堂教学、创新创业教育、非正式学习空间等方面开展了广泛而深入的研究［2-4］。VR技术虽然给我们带来了全新的教学思维和服务体验，但是其在智慧校园中的应用还处于探索阶段，依然面临虚拟仿真系统孤岛、与实装教学衔接不成体系、效果分析评价不及时等问题［5］。

目前，人工智能技术在教育中的应用尚处于起步阶段。AI的一大优势在于能够通过教育状况、课堂互动、社交媒体等数据的采集，分析学生的学习能力、学习兴趣和潜力，制定最佳的学习方法［6］。AI技术以教师的多年教学经验为基础，通过数据挖掘与人工智能算法，为学生提供全程个性化评测，甚至可以智能推送个性化导学的内容，解决师生沟通不及时等问题，真正实现教学过程以学生为中心。

二、开展装备类课程智慧教学的方法思路

改进传统的装备类课程教学模式，首先要利用数字新技术构建数字教育新平台，在新平台下研究装备智慧教学的新模式和新方法。图1所示为装备智慧教学的体系思路，“互联网+”、数字模拟和AI是装备智慧教学的技术基础。在构建联网开放式装备教学架构的基础上，需要对知识体系进行分解，便于学生学习掌握和自我测试；可以分别从能力和知识体系的角度划分知识内容，按能力图谱和知识图谱將某一门课或者某一个领域的知识体系分解为知识矩阵，便于在知识矩阵的基础上，运用VR、AI等数字化教育技术，建立可探索、可互动的数字化“智适应导学”和“智适应评测”平台体系；可以充分利用已建数字教育平台及资源，采用线上线下和翻转课堂的混合教学模式，从体系设计的角度寻求课程内容与教学方法手段的最佳匹配，促进学生与教师的双向交流与提升，发挥数字教育平台的最大优势。

（一）融合数字模拟与“互联网+”技术优势的开放式装备教学运行架构

装备教学应打破传统实装教学时间、场地和人数固定的弊端，充分利用网络技术和数字仿真技术，构建如图2所示的开放式装备教学架构，体系化拓展装备教学思路和理念。

开放式装备教学能充分满足学生随时随地自主学习的需求，要求在教学建设上体现更体系化、智能化、网络化的特点。在模块内容的形式设计上，可以从基本的在线课程、模拟仿真训练器拓展到自我学习训练、自我测试评价、自我探索导学等方面；在展现形式上，可以从通用性、基础性场景拓展到复杂性和案例性场景，可以借助三维互动进行展示，模拟真实装备，既能生动形象地展示复杂概念，又能逐一探究装备内部的复杂结构，多元触发反馈，模拟实际故障情况，使装备教学“看得清、有互动”，还可以自己编写和设计脚本，不断积累更新案例；在学习使用模式上，既可以按部就班地按章节单元模式系统化学习，也可以从岗位任职需求出发，采用问题式学习法。

（二）基于知识图谱和能力图谱的知识矩阵分解方法

传统的装备教学一般都是按知识体系的顺序，从基本概念和基本原理开始逐一展开，介绍各章节各单元的知识点。这种教学方式的优点是体系完备详细，特别适合初学者，但是对于有一定基础的学习者来说，这种教学方式对各章节和单元之间的分割不足，在前后关联、前后对比和全面综合的角度的教学设计不足，可能导致知识学完了，能力提升得不明显，或者实际工作中遇到问题，难以在装备教学的数字化平台资源中迅速查找定位。

为了进一步满足不同人员初期和后期的不同学习需求，充分发挥装备数字教育平台的作用，我们希望能对装备中的知识点进行分解，可以像“堆积木”一样组合学习，也可以像“查字典”一样按需查询，据此提出按知识图谱和能力图谱对知识体系进行矩阵化分解的思路和方法。

如图3所示，知识图谱是自下而上，从知识点角度考量知识掌握程度的标准，可以是基本理论概念、基本实践应用等知识点和基本单元。能力图谱是自上而下，以目标为导向，从运用角度考量能力的标准，评价达到某一能力的水平，以及存在的知识缺陷等。两者是有机整体，知识图谱适用于渐进式知识学习和评测，能力图谱适合于综合性运用评测。装备知识体系的二维模块化知识矩阵分解，既能覆盖所有知识内容，又深浅兼具，便于各类人员根据需要自主组合学习。

（三）基于AI技术的装备智慧教学“智适应评测和导学”体系平台

装备教学融合数字模拟与“互联网+”技术优势，采用开放式教学运行架构，应充分考虑学习人员的学习评价和自我检测需求。可以构建多维度的评价准则和评价测验互动题库，将教师多年的教学经验数字化，再充分利用AI技术，及时收集学生学习状况，进行全面诊断，给出精准的导学帮助。“智适应评测和导学”体系平台包括评价标准、评价方式、评价分析准则和辅导建议计划四个关键AI模块，这些是实现智适应评测和智适应导学的基础。在评价标准上，需要对各知识图谱中的教学内容分别设定不同等级的要求；在评价方式上，需要設计不同等级和不同内容的测评题目，以便对学生的能力水平精准定位；在评价分析规则上，需要针对每道测评题目的评测结果，分析学生的掌握程度和短板缺项；在辅导建议计划上，要根据学生的短板缺项评价结果，给出学习建议，并推荐导学资源。其中，评测分析规则是AI智能分析推荐的关键依据。需要在研究运用能力图谱与知识图谱的基础上，分析知识之间和知识与能力之间的关联，形成知识递进与能力支撑关系图，便于利用AI技术自适应分析评测结果，给出推荐导学建议。“智适应评测和导学”体系平台可以按知识体系顺序学习，根据单元学习进度开展伴随式评测，以便及时掌握各知识点的学习情况，也可以从反向综合能力运用的角度，根据装备运用场景，开展综合性评测，有利于从整体评估学生的薄弱点，指导学生对相应模块查漏补缺。

（四）基于翻转课堂的线上线下混合式装备教学组织实施

传统的装备教学主要采用课上理论讲解和实装教学相结合的方式，在装备数量有限的情况下，学生的参与度和创新性实践都达不到很好的效果。运用“互联网+”和“VR+AI”技术的数字教育平台后，大大丰富了装备教学的手段，为创新装备教学模式提供了可能。学生可以在课前借助充足的资源进行多种形式的预习和自测，也可以按照探究发现的思路，带着问题自主学习和思考；课上，教师可以根据学生预习、发现和研究中的重难点及关键问题，充分利用探究式、研讨式、翻转课堂等教学模式与方法，开展分析与研讨，并针对重点内容开展实际操练，节约大量理论讲解的时间；课后，教师还可以利用可编辑的装备教学数字教育平台，设置各类综合性测试，检验学生对内容的理解和掌握程度［7］。

结语

可以预见，智慧教育平台、数字VR平台及AI教育技术改进了传统的装备教学授课模式与评测方法，可以充分调动学生学习的积极性，多样自主选择各类复杂装备的学习方式，并进行探索式设计与实验，有针对性地反馈学习质量和能力评估；教师可以简化教学组织实施，将AI智适应评测体系平台贯穿课前预习、课中教学、课后评测等各个环节，把主要精力放在教学资源建设和智适应评测体系建设上，有效提高教学工作质量及效率。随着VR技术和AI技术的迭代发展，基于数字教育平台与数字技术的未来教育，必然在教学模式与方法和教学组织与评价方面有很大变革，将会对教育环境、学习过程支持、教育评价、高校服务与管理等方面产生深远影响，使教育生态系统发生历史性变革［8］。教育领域基于AI技术的智慧应用必定是未来发展的趋势，将拥有极其广阔的发展前景［9］。

参考文献

［1］孙佃升.浅谈国内高校虚拟仿真实验中心建设及仿真实验教学：以电气、自动化专业为例［J］.电子世界，2018（22）：42-43．

［2］袁利平，张薇.基于虚拟现实技术的教育扶贫及其实现［J］.内蒙古社会科学，2020，41（2）：189-196+213．

［3］马小南.虚拟现实技术在创新创业教育中的应用［J］.中国高校科技，2018（9）：95-96.

［4］孙志伟，李小平，张琳，等.虚拟现实技术下的学习空间扩展研究［J］.电化教育研究，2019，40（7）：76-83．

［5］李平.推进虚拟现实技术应用提高高校教育教学质量［J］.实验室研究与探索，2018.37（1）：1-4.

［6］周洪宇，刘大伟.中国教育智库评价SFAI研究报告［M］.北京：中国社会科学出版社，2019：5.

［7］季连帅.从翻转课堂到智慧课堂：教育现代化背景下高校课堂教学模式构建［J］.哈尔滨学院学报，2021，42（5）：118-121．

［8］沈阳，逯行，曾海军，等.虚拟现实：教育技术发展的新篇章：访中国工程院院士赵沁平教授［J］.电化教育研究，2020，41（1）：5-9．

［9］史蒂芬·哈格德，赖鹏飞.人工智能的教育应用面临转折［J］.中国远程教育（下半月），2017（10）：14-16．

Abstract： Real equipment teaching courses have many problems， such as large investment in manpower and material resources， small number of people， limited teaching time and space， etc. Digital education platforms with technologies such as Internet+ and VR+AI can promote the huge transformation of traditional equipment teaching methods. This paper studies the open equipment teaching operation architecture that integrates the advantages of digital simulation and Internet+ technology， proposes a knowledge matrix decomposition method based on capability map and knowledge map， uses AI technology to build a intelligent adaptation evaluation and guidance system platform， and proposes an online and offline mixed teaching mode based on flipped classroom teaching to improve equipment teaching efficiency.

Key words： smart teaching; digital education platform; VR; AI; mixed teaching