基于虚拟现实技术的翻转课堂教学设计与实施

胡士华　万里荣　杨婧　覃莉莉

摘 要：电力机车由于价格贵、结构复杂、技术保密等原因使得该课程实践环节开展效率低下且效果不如意。利用VR技术学习电力机车走行部可以提供更加真实、直观的学习体验，帮助学习者更好地理解和掌握电力机车走行部的知识和技能。这种基于虚拟仿真的学习方法不仅可以节省培训成本，还可以提高学习效果和效率，本文以电力机车总体及走行部课程为例介绍了虚拟现实技术结合翻转课堂的教学设计及实施方法，希望可以为同类课程提供一些思路。

关键词：电力机车 VR技术 翻转课堂 教学设计

1 引言

目前各大院校多采用以教师为中心的教学模式，通常强调老师在课堂上的权威地位和知识传授的一种方法。教师是教学的主导者，拥有绝对的话语权和决策权，通常扮演着知识的传输者和学生的引导者角色，在课堂上直接传授知识，这种教学方式下，学生处于被动接受知识的状态，注重的是记忆与熟悉，而非理解与应用，学生主要通过听讲、背诵、记笔记等方式获取知识。另外传统教学方式倾向于线性的教学过程，即按照预定的教学大纲和教材内容，逐步有条不紊地进行教学。这种方式忽视了学生个体差异和多样化的学习需求。

随着教育理念的不断发展和教育技术的应用，越来越多的教育者开始关注学生的主动性、创造性和批判性思维，推崇以学生为中心的教学方式，为此电力机车总体及走行部课程开展了基于虚拟现实技术的翻转课堂改革。

2 电力机车总体及走行部课程现状

2.1 实训设备缺乏，实训难以展开

电力机车结构复杂，价格高昂、集成度高且部分技术涉秘等原因使得一般院校难以使用真实的、先进的电力机车作为教学设备，即使校方重视获得真实设备，一般也是退役或者即将退役的型号，难以跟上现代化，且数量会很少，这使得相关实训课程难以有效的展开，大多同学都是在等待中浪费了时间；此外安全问题也使得大多铁路局不会接纳大批量的在校生去现场学习，这都使得电力机车总统及走行部课程实训难以有效展开。

2.2 课程内容复杂，学生基础不一

电力机车总体及走行部课程是一门理论与实训并存的课程，学习该课程需要具备一定的电力学、电子学和机械工程等基础知识。这些知识包括电路理论、电动机原理、传感器技术、控制系统等，另外还涉及到众多复杂的技术系统，如牵引变流器、牵引电机、制动系统、转向架等。学习过程中需要深入了解这些技术系统的工作原理、调试方法以及故障排除等，对于没有相关背景的学生来说，可能需要花费更多时间和精力去理解和掌握，对于没有相关背景的学生来说，可能需要更多的时间和努力去理解和掌握相关内容。而高职院校同学大多理论基础相对较差，且存在少部分文科同学，基础不一使得课程学习变得更难。

3 虚拟技术及翻转课堂的内涵

3.1 虚拟技现实术的内涵

虚拟现实技术（VR）是一种通过计算机生成的模拟环境，使用户可以身临其境地感受并与这个虚拟环境进行互动的技术。它是一种通过利用计算机图形和传感器等技术来模拟现实世界的感官体验的技术。

虚拟现实技术的内涵包括以下几个方面：

（1）感官体验：虚拟现实技术通过使用头戴式显示器、手柄、手套等设备，以及音频、触觉等技术，能够为用户提供身临其境的视听、触觉、甚至嗅觉等感官体验，使用户感觉好像真的置身于虚拟环境中。

（2）交互性：虚拟现实技术提供了交互性的体验，用户可以通过手柄、手势识别、语音识别等方式与虚拟环境进行互动。这种交互性使用户能够在虚拟环境中进行操作、探索和与虚拟对象进行互动，增强了用户的参与感和沉浸感。

（3）虚拟环境的创建：虚拟现实技术需要通过计算机图形技术来创建虚拟环境。计算机图形技术包括三维建模、渲染、动画等技术，通过这些技术可以在计算机中构建出逼真的虚拟世界。

（4）应用领域：虚拟现实技术的应用领域十分广泛，包括娱乐、游戏、教育、医疗、建筑设计、工业制造等各个领域。在娱乐方面，虚拟现实技术可以提供沉浸式的游戏体验；在教育方面，它可以为学生提供具有互动性和视觉冲击力的学习环境；在医疗方面，虚拟现实技术可以用于手术模拟、康复训练等方面。

虚拟现实技术通過模拟感官体验和交互性，为用户提供了一种身临其境的体验，使用户能够与虚拟环境进行互动，并在各个领域发挥重要作用。

3.2 翻转课堂的内涵

翻转课堂是一种教学方法，其核心思想是将传统的课堂教学过程中的知识传授和讲解环节与学生的自主学习、合作学习环节交换位置。在翻转课堂中，教师会事先录制讲解视频或提供学习材料，学生在课前学习并做好预习准备工作。而在课堂上，教师则引导学生进行深入讨论、解答疑惑、开展合作学习等互动活动。

翻转课堂的内涵具有以下几个方面：

（1）学生主体性：翻转课堂注重发挥学生的主体性，让学生在课前通过自主学习获取基础知识，培养他们的主动学习能力和自我组织能力。

（2）合作学习：翻转课堂强调学生之间的合作学习，通过在课堂上展开团队合作、小组讨论等形式，促进学生之间的互动和合作，培养学生的合作精神和团队合作能力。

（3）深度思考：翻转课堂鼓励学生在课前自主学习的基础上，在课堂上进行深度思考和探究，培养学生的批判性思维和创新能力。

（4）个性化学习：翻转课堂可以根据学生的不同需求和学习进展，提供个性化的学习资源和指导，帮助学生更好地发展自己的潜能。

翻转课堂的内涵是通过颠覆传统课堂的教学模式，在学生主体性、合作学习、深度思考和个性化学习等方面进行创新，旨在提高学生的学习效果和学习动力。

4 基于虚拟技术（VR）的翻转课堂模式的设计

翻转课堂是一种以学生为中心的教学模式，其中学生在课前通过预习的方式获得基础知识，然后在课堂上进行深入学习和实践。虚拟现实技术（VR）作为一种创新的教育工具，可以为翻转课堂提供更加沉浸式的学习体验和互动性。在设计基于虚拟现实技术的翻转课堂教学时，需要对课程内容和学生需求进行综合考虑。以下是一些设计原则和教学策略，可用于提供课后反馈：

（1）多样化的VR学习资源包：利用VR技术提供多种多样的学习资源，如模拟实验、场景演示、专家讲解等，以满足学生不同的学习需求和学习风格。

（2）个性化学习体验：VR技术可以根据学生的学习进度和兴趣提供个性化的学习体验，如智能导航、自适应学习路径等。通过分析学生在虚拟环境中的行为和反应，可以为他们提供有针对性的反馈和指导。

（3）学习成绩追踪和评估：利用VR技术可以对学生的学习过程进行记录和分析，包括学习时间、完成任务的准确性、学习资源的使用情况等。这些数据可以用于评估学生的学习成绩和反馈给学生及家长。

（4）社交互动与合作学习：在虚拟现实环境中，学生可以与其他学生、教师或专家进行实时互动和合作学习。这种互动可以帮助学生在课后反馈中进行知识分享、思想碰撞和问题解决，加深对所学内容的理解和应用能力。

总之，基于虚拟现实技术的翻转课堂教学设计课后反馈需要关注学生的学习需求和个性化。通过提供多样化的学习资源、个性化的学习体验、学习成绩追踪和评估以及社交互动与合作学习等策略，可以帮助学生更好地理解和应用所学知识，教学设计见图1。

5 翻转课堂教学实施与评价

5.1 教学实施

电力机车走行部是电力机车的核心部件之一，本文选择以“电力机车走行部检查”内容为例，分析教学实施过程。

5.1.1 课前基础学习

教师利用线上平台发布学习资源包，主要包含：

通过学习发布的设备操作说明，会基本的VR设备操作，知道各按钮功能；

通过学习电力机车走行部基本构造视频，知道走行部的基本构造，知道走行部在牵引、制动时的受力传递过程，电力机车走行部实訓指导书；

通过电力机车走行部实训指导书，知道各检查要点及要求，例如检查走行路线见图2。

通过让学生观看课题组成员自制的走行部检查视频。更深一步了解走行部检查的顺序及各项注意事项，对接铁路作业。

5.1.2 课中VR深度学习

通过使用VR设备可以为学习电力机车走行部提供更加直观、实际的学习体验。首先，通过VR技术，学习者可以身临其境地感受电力机车走行部的运行机制。通过虚拟仿真场景，学生者可以亲身体验电力机车走行部的各种部件，包过前后端部、左右两侧，从而更好地理解电力机车走行部的结构和功能。学生还可以通过手柄、头盔等设备与虚拟场景进行互动，VR技术还可以实时反馈学习者的操作情况，帮助他们纠正错误、提升技能。此外可以利用VR技术还可以进行故障诊断训练。在虚拟环境中，学习者可以接触到各种走行部的故障情况，并学习如何通过分析、判断和修复来解决问题。这种虚拟维修训练可以有效提升学习者的实际操作能力和应急处理能力，更加贴切的对接铁路。

5.1.3 课后反馈提升

通过电力机车走行部结构内容做成树状图，通过线上平台发送给学生，便于学生加强复习，再依据所学内容让学生自己总结出思维导图或者树状图，随后针对本次课学习内容，设置习题题库用来检测学习效果，依据效果总结出针对于下一次的更适应学生的教学设计。

5.2 评价机制

基于虚拟技术（VR）的翻转课堂模式是一种创新的教学方法，它将传统的课堂教学过程中的知识传授与学生互动相结合。在这种模式下，学生课前在线上进行基础学习，通过课中虚拟现实技术进行深度学习，并课堂上与教师和其他学生进行互动、讨论和实践，课后参与总结反思。基于虚拟技术的翻转课堂模式在提高学生参与度、个性化学习、拓展学习空间、提升实践能力等方面具有显著优势。学生的参与度非常高，故其评价机制应包含多个方面，多个节点，涉及课前自主、课中VR使用效果、课后题库练习等方面。

6 结语

虚拟现实技术为翻转课堂教学提供了全新的可能性。通过设计精美的虚拟现实场景，结合个性化学习和互动合作机会，可以提高学生的学习积极性和主动性，促进他们的深度学习和创造力发展。尤其对于铁道机车领域学科中，可以低成本，高安全深入学习课程，为机务段等单位培养更合格的人才，然而，虚拟现实技术仍然处于不断发展和完善的阶段，教师需要持续关注最新技术和研究成果，不断优化教学设计和实施方式，以提升翻转课堂的效果。

基金项目：2022广西高校中青年教师科研基础能力提升项目（2022KY1408）；

名师工作室项目：覃莉莉机车装备大师工作室（2022-DS005）；

2021年柳州铁道职业技术教改项目（2021-JGA04）。

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