基于虚拟仿真技术的项目化教学模式探索

①基金项目：教育部“虚拟仿真技术在职业教育教学中的创新应用”专项课题“基于虚拟仿真技术的工业智能控制技术专业群教学模式和效果评价研究”。

作者简介：魏召刚（1968—），男，汉族，山东寿光人，硕士，教授，研究方向：高等职业教育。

［摘           要］  介绍了项目化教学法的特点和虚拟仿真技术，对基于虚拟仿真技术的自动化类课程“三自一探”项目化教学模式的实施过程和特点作了总结和分析，提出了虚拟仿真平台支持项目化教学应具有的功能，为更好地实施项目化教学提供了路径参考。

［关    键   词］  项目教学法；虚拟仿真；自动化

［中图分类号］  G712                    ［文献标志码］  A                  ［文章编号］  2096-0603（2024）11-0001-04

一、引言

技术技能型人才培养模式是职业教育研究的核心内容，国内外学者和基层教师已总结形成了体系化的理论模式。项目化教学作为以项目实施能力为培养核心，在项目的实施过程中培养学生的专业知识、专业技能和职业素质，得到了广泛的认可。其以学生为中心的教学模式和以团队学习为主要模式的教学组织都得到了广泛的验证。虚拟仿真技术是随着信息技术和人工智能技术的发展产生的更加形象直观的教学支持手段，目的是解决一些常规教学模式所不容易解决的看不见、摸不着以及实际操作不允許的问题，也对提高学生学习兴趣和主动性具有正向的促进作用。本文基于自动化类专业的项目特色，探索虚拟仿真技术在项目化教学实施过程中的作用，可以真正实现项目化教学的项目闭环。基于教学实践过程的探索和实施，对满足项目化教学的虚拟仿真平台的功能等提出了建设性的参考标准。

二、研究基础和起因

（一）项目化教学模式概述

项目化教学是以学生为主体的教学模式之一，教师根据教学目标设计具体的教学项目作为工作任务，学生团队在教师的指导下，通过团队协作独立完成教学项目中的工作任务，在项目的处理过程中达成学习目标。项目的处理过程完全由学生团队自己完成，包括信息的收集、方案的设计、项目实施及最终评价等。学生团队通过完成工作任务，不仅掌握了完成任务所涉及的知识和技能，还培养了学生的综合分析和处理问题能力、工作流程设计能力、沟通协同能力和团队合作精神。教师的任务是设计将相应知识和技能有序融入的教学项目，在学生团队的项目实施过程中把控进程、给予指导，组织对学生的学习成果进行评价，保证教学目标的更好达成。在教育尤其是职业教育越来越重视学生综合能力的背景下，项目化教学模式的优势日益突出。

对学生团队来讲，完成工作任务的工作流程如图1。在整个学习过程中，无疑从“分工查找学习”到“检查实施结果”的循环过程是核心，学生团队经过不断的“学习—实施—检查”的循环，最终实现工作任务。

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图1 项目化学习团队学习过程示意图

（二）虚拟仿真技术概述

虚拟仿真技术是利用信息化手段，对于要研究的实际对象，先建立该对象的同态模型，形成与实际对象特性一致的虚拟对象，在信息化平台支持下对虚拟对象的工作过程、结果等进行虚拟试验，以形成对实际对象的预测性结论。

虚拟仿真技术因其以虚拟对象代替实物的灵活性，有效避免了设计过程缺陷，提高了设计过程的成功率和效率，对设计领域来讲具有重大意义。归纳起来，虚拟仿真技术的优越性可表现为以下几个方面：（1）能解决很多需要进行破坏性试验或危险性试验才能决策的实际问题。（2）可以将很长的实验周期缩短，从而快速检验结果。（3）可以重复或反复进行某项操作，检查某些在实际操作中不容易把握的短暂过程。（4）简单易懂，结果能直观呈现。

在信息化手段越来越丰富的背景下，虚拟仿真技术也得到了全面的提升。从最简单的平面仿真到各种沉浸式场景，虚拟仿真技术越来越展示出直观、可感受等多方面的优越性，在多个领域的应用越来越广。

（三）自动化类课程项目化教学的困扰

自动化类专业相关课程的特点是：学生需要首先理解相关原理和方法，进而形成具有一定个性化特点的解决和分析问题方法。学生的学习过程强调的是对相关知识和技能的理解和掌握，而不是仅依靠对某一个固定过程的重复。学生只有从根本上对相关问题知其然，更知其所以然，才能真正掌握并形成自己解决问题的思路和方法，达到学习目标。

在此类课程的项目化教学中，存在几个方面的工作任务不能很好地实现循环反复，从而成为学生真正悟透相关知识和技能的困扰点。（1）硬件条件不能有效支持真实的工作任务，学生只能模仿过程而不能看到结果，影响了项目化教学循环提升的效果。基于客观条件，任何一个学习场所不可能提供让学生无限发挥的硬件支持系统，学生的项目化学习过程只局限于完成设计，不能真正地通过实施验证结果，从而使学生的项目化学习过程缺少最重要的环节，学习效果大打折扣。（2）学生对任务的完成局限于模仿而不能悟透，结果是知其然而不知其所以然，任务完成了，学习目标未达成。自动化类专业课程的特点决定了重复模仿并不能达成学习目标，只有理解清楚任务完成的每个环节的理论起点和技能精髓才能完成学习任务。但是硬件系统对学生不能提供随时的自主学习支持，在师生比受限和课程进度约束下，学生的关注点可能是是否完成任务而不是是否达成学习目标，从而失去了项目化教学的最终目标。（3）硬件支持系统下的项目化教学不能满足学生探索创新的素质提升需求。硬件支持系统可完成的项目基本都是预先设定的，学生在项目实施过程中只能沿既定路径进行，创新性的解决方法难以落地实施，更不允许学生通过试错对个性化的方案进行验证，一定程度上学生被框在一个很窄的范围内，限制了学生形成自己的方法思路和创新。

基于硬件支持系统的项目化教学，硬件系统的局限对项目化教学学习目标的达成形成了很大的制约，一定程度上对项目化教学培养学生解决问题方法和创新能力形成了约束，使项目化教学的教学效果不及预期。

三、基于虚拟仿真平台的项目化教学模式实践

山东工业职业学院电气自动化技术教学团队在多年的项目化教学实践中，对硬件系统支持的项目化教学的局限性进行了充分的研究和思考，开发了相应核心课程的虚拟仿真教学平台，探索形成了基于虚拟仿真平台的“三自一探”项目化教学模式和虚拟仿真平台与硬件支持系统协同的虚实混合项目化教学模式。“三自一探”项目化教学模式下，学生的学习过程具有“自由组态、自主学习、自我评价、探究学习”的特点。本文以电气控制技术课程的三相交流电动机正反转控制项目为例进行介绍。

项目如下：某运料小车用一台三相异步电动机驱动，要求实现按钮手动控制的小车往复运动，电动机额定参数为：Pe=15kW，Ue=380V，Ie=28.5A，除完成要求的操作功能外，电路还需要包括短路保护、过载保护、失电保护等基本保护功能。设计控制电路并选择相应元器件，完成功能测试。项目的学习目标是：掌握电气互锁逻辑电路并能够正确完成电路连接；复习电气自鎖逻辑电路、热继电器等相关元器件选型等。

自由组态：学生团队通过查阅相关资料，学习理解并完成电路原理图设计；复习以前学习内容，完成相关元器件参数选择；完成电路设计。在虚拟仿真平台按设计选择相应元器件，对元器件参数进行设置，完成元器件布局设计并完成电路连接。在组态过程中，学生团队可以进行任意的线路连接，虚拟仿真平台不对其逻辑是否正确进行校验。

自主学习：在组态过程中，虚拟仿真平台提供元器件学习支持，学生团队可根据需要直接查看元器件的特性、使用方法。组态完成后，学生可对组态结果进行操作验证，虚拟仿真平台按实际组态的电路产生相应动作，在发生短路等致命错误时会弹出提示。学生团队根据仿真结果可对电路进行修改并即时测试修改方案。

自我评价：学生团队的项目完成情况可即时由虚拟仿真平台呈现，学生团队可以自我检查评价项目完成情况，实现对相关内容是否掌握的自我评价。

探究学习：学生团队可以设置电路逻辑故障，测试短路、过载、不能自锁等错误产生的实际现象，当出现短路等致命错误时，虚拟仿真平台会对错误现象及原因弹出提示。通过教学实践证实，学生对错误现象印象更深刻，对错误发生原因的理解更透彻，探究式学习更容易引起学生兴趣，学习目标达成的效果更好。

在虚拟仿真平台的支持下，学生团队可以自主完成项目“学习—实施—检查”的螺旋提升，自主理解并掌握相关现象产生的原因，形成对电路结构与功能的深刻理解，在项目实施过程中掌握相关知识和技能，并探究可能产生的不正常状态，达到对相关内容更深的把握，并提高学生积极探究的兴趣和分析能力。

在虚实混合模式下，学生完成相关虚拟仿真项目化学习后，可以根据经过测试的电路在硬件支持平台上进一步练习配线等，进一步理解并掌握专业规范。但是，在硬件支持平台上的操作，不再强调元件参数的匹配与否，仅验证物理接线是否正确。

四、虚拟仿真平台的功能要求

虚拟仿真平台要满足项目化教学个性化实施的需求，在基本的操作便捷等基础性功能之外，还必须具备更高的功能需求，包括：（1）虚拟仿真平台的元器件仿真必须是基于元器件的底层动作逻辑，要完全仿真一个实际元器件所具有的物理特性，不施加额外约束，更不能简化元器件的物理特性。（2）虚拟仿真平台必须具备完全开放的可组态功能，支持使用者根据个人需求进行组态，并按实际组态准确呈现组态结果，从而使学生团队能准确观察动作结果并有兴趣进一步探索。（3）虚拟仿真平台需具备学习支持功能以满足学生的高效率学习。虚拟仿真平台支持操作者随时查看相关元器件的特性和使用规范，从而支持学生在组态的过程中即时查看学习相关知识，最大限度地提高学生的学习效率。（4）虚拟仿真平台需具备便捷的断点保存功能。对于相对复杂的项目来讲，学生团队可能要通过多个学习阶段才能完成一个学习项目，在事实上不可能为一个学生团队配置专用的学习平台的客观条件下，学生团队应当可以便捷地存储完成的工作并在任意地点取回继续实施，这就需要虚拟仿真平台具备便捷的断点保存功能。

五、自动化类虚拟仿真平台的参考标准

按照要求制定标准以保证工作质量是必要的，在教学实施过程中，通过对自动化类相关课程虚拟仿真教学平台的使用验证，对自动化类虚拟仿真教学平台的技术和功能要求形成部分具有参考意义的标准。以下以“虚拟仿真教学管理平台”和“自动线安装与调试仿真软件”为例对公共部分做简单介绍，供同行参考，以期共同完善和发展。

（一）虚拟仿真教学管理平台技术要求

1.基本功能

虚拟仿真综合教学管理平台作为仿真软件的信息管理平台，具备前端登录与后台管理等相关功能，教师通过平台统一同步课程信息，分发任务项目，集成多媒体及题库管理，且具备考核及报表分析功能。同时，虚拟仿真综合实训教学平台可以开放信息接口，可以统一集成多种虚拟仿真软件，统一进行信息及功能管理，满足教学的信息集成化需求，方便统一管理。

2.功能模块

（1）登录及用户管理功能

角色类型：用户分为教师用户、学生用户以及管理员用户三种。

用户注册：用户可以通过用户名和手机号登录平台。

用户登录：平台角色管理员、教师、学生通过统一登录入口进行登录，通过角色权限不同进入不同权限页面。

用户管理：添加、修改、删除教师、学生信息。

个人中心：用户可以通过个人中心修改个人信息以及登录密码。

（2）教务管理系统

包括：班级管理、课程信息管理、课程签到等管理功能。

（3）多媒体管理系统

文档管理：教师用户可上传实训指导书，学生用户可在线浏览PDF文档、下载文档。

視频资源管理：教师用户可以上传不同类型的视频到实训任务中，学生用户可以在线观看视频。

（4）题库管理系统

题库管理：教师用户可以添加、修改和删除题库中的习题内容。

错误记录：教师用户通过Excel进行批量导入习题时，录入错误的习题可以通过提示框来帮助教师修改录入错误的习题记录。

试卷设置：教师用户组成试卷可以通过系统随机选择试题和手动选择试题两种方式来组成试卷。

试卷下发：教师用户可以将组成的试卷以班级为单位下发给学生。

自动评分：学生用户提交作业、试卷后，系统可以进行自动判分，主观题试卷需要教师进行打分。

（5）报表分析系统

用户数据分析：教师用户可以通过平台统计分析用户的类型、数量，查看当前用户登录的人数以及提供用户在线时长。

用户成绩分析：教师用户可以了解学生提交的作业和考试的记录，并且可以查看学生的分数。学生用户可以查看自己的实训任务考核成绩，教师用户可以查看班级内学生各项成绩。

资源数据分析：教师用户可以了解资源数量，管理上传的资源文件。

（6）实训管理系统

每个任务包含学习模式、练习模式、考核模式三种状态。每个任务默认包含学习模式和练习模式，学习模式包含文字类知识准备、文件类实训指导书、任务附件，并包含设备认知，练习模式为虚拟仿真操作。考核模式需要通过教师用户按照班级进行下发。

（7）接口管理

平台可管理30个仿真软件模块，仿真软件模块的添加可由管理员以操作说明文件指引自行操作。

（二）自动线安装与调试仿真软件技术标准

1.软件概述

仿真教学软件集3D资源学习、产线装调技术虚拟仿真训练、过程评价考核于一体，可实现工作站的设备选型、机械装配、线路连接、系统调试，并可以通过PLC控制器或现有编程软件、实现虚拟场景中各站点的策略控制，能够培养学生在产线及设备结构认知、工具使用、机械装配、气路调试、控制系统设计、参数设置与调试、编程与调试、运行与维护等方面的专业技术能力。

2.功能描述

（1）教学功能

软件具备学习、练习和考核三种模式，覆盖实训教学的各个环节，做到利用软件即可完成整个实训过程，既能通过数字资源多维度了解实训过程，又能通过虚拟仿真达到反复练习，检验学习效果的目的。

学习模式：学习模式以学生的知识目标培养为主，通过设备认知、实训指导书、相关学习附件等内容帮助学生自我学习。

考核模式：考核模式以验证学生理论与实践的学习情况为主，为学生的仿真考核提供内容与技术支撑。系统将自动完成结果评价和自动打分，完成过程评价考核。

（2）通用功能

①支持机房直接部署，且支持60台PC机同时运行。

②软件具备断点保存功能。学员可任意定义过程断点，并可在任意一台终端选取同一用户任意断点继续进行。教师可设置公共断点，所有学员可以由该断点继续进行。

③支持虚拟场景漫游功能。支持用户以第一人称视角和上帝视角观察虚拟场景中的对象。

④支持新手指引功能。能够进入功能与操作指引模式，引导学员学习操作。

⑤支持虚拟工具的选择与使用。操作界面具备工具辅材库，学员可自主选择相应的工具与材料。

⑥支持虚拟仪器仪表的使用。学员可以通过选择各类虚拟仪表，对系统线路或设备进行数量或状态测量。

⑦支持视频录制功能。支持将实训操作过程录制成通用视频文件，并保存到本地的指定位置，可供在提交实验报告时作为附件提交。

⑧支持导出实训操作数据。实训过程中，学生可随意分配PLC的I/O点位，可导出PLC的I/O点位信息表，用于实训报告的编写。

⑨支持切换场景视角。学员能够通过鼠标和键盘调整场景视角，也可以通过选择特定的视角调整场景视角。

六、结束语

项目化教学的核心目标是学生团队在完成项目任务过程中达成学习目标，完成任务只是手段，掌握相关知识和技能才是目的。理论指导实践是自动化类课程的重要特点，需要学生团队能个性化地完成项目任务，从而在探究的过程中更好地掌握相关理论，培养学生的创新能力，提高学生的分析和解决问题能力。硬件支持系统必然存在格式固化等不利于学生进行自主和探究式学习的不足，而虚拟仿真技术提供了解决这些问题的有效手段，以虚拟仿真平台作为支持的项目化教学可以成为自动化类课程教学的有效模式。

参考文献：

［1］赵猛，成建峰.高职院校项目化教学法实施存在的问题及对策［J］.辽宁高职学报，2020（3）：40-42.

［2］杜梦.高职院校开展项目化教学的实施路径探究［J］.职业技术教育，2022（5）：24-28.

［3］韩磊，沈青，杨晨，等.高职电力类课程项目化教学探索与实践：以“电气设备及运行”课程为例［J］.广东水利电力职业技术学院学报，2022（2）：39-41.

［4］荣标.信息化教学的优势及其对职业教育可持续发展的作用分析［J］.职业教育研究，2014（7）：40-45.

◎编辑 王亚青