基于学习软件的工程训练线上教学模式探索

陈宇姗，童 洲，江丽珍，焦文正

（广州城市理工学院 工程训练中心，广东 广州 510800）

0 引言

高等工程教育改革发展已经站在新的历史起点。工程训练中心是全校7个学院（含部分文科生）学生工程能力提升的机构。本中心近年开始构建引入虚拟仿真模块，比如虚拟注塑成型，虚拟五轴数控加工，CAD建模、CAE模流分析、ANASYS力学有限元分析、机器人自动化专业、模拟制造软件和网络通信应用等新技术内容，把以前孤立分开的传统实践教学以自动化控制的共性连接起来，但是这些项目都停留在与实体设备相连接，没有形成统一的线上教学内容。通过这次疫情的推动，尝试在实践中探索工科院校的金工实习线上教学虚拟仿真教学运作模式[1-4]。

疫情形势下的教育模式被动改变，促使以前没有开展网上教学的实操类科目不得不采取新的网上教学模式，催生出了一种虚拟体验教学模式创新，产生许多新的教学运行管理体系，使传统的实操课程也能像其他理论课一样在网上进行教学，智能制造实训教学能与互联网技术更好地进行融合[5-6]。

1 课程的基础和平台的建设

1.1 构建虚拟体验教学体系

线上教学的核心是能够模拟真实的情景体验，替代真实的实训场景，从而实现线上教学与线下教学的一致性，解决了传统的实训场地、设备仪器不足的限制、设备损耗、实训安全等问题。虚拟体验是利用虚拟现实技术或计算机仿真技术创设一种类似真实实习教学的场景、装置和方法，能够丰富和改善现有的教学手段，加深学生对实习内容的理解，能够为实习者带来沉浸感、交互性和想象性，增强实习的体验，同时能扩展实习场地边界，为实习者提供丰富的实习资源[7]。

学院开展了基于超星网络平台的线上虚拟体验教学，其课程资源应用了华南理工大学工程训练中心胡青春教授开发的“工程认知”和本校工程训练中心教师团队开发的金工实习部分虚拟实训体验项目；针对不同学院、不同专业学生对金工实习的学习任务，对“工程认知”线上实训课程任务内容进行规划设置。

1.2 搭建虚拟仿真实习平台

通过这个理念，构建了工程训练线上虚拟体验学习平台，以“超星网+学习通”的模式进行教学创新，如图1所示。

平台实现多功能的集成，提供的6大模块有：线上虚拟体验项目预习、超新线上虚拟实训、作业和考试系统、设备演示实训、学生和成绩管理、师生交流与互动平台。通过6大模块组合，涵盖实训全方位内容，从实训内容分配、实践演示指导和成绩管理和互动交流等组成全方位的教学框架，从而提升学生学习效果[8]。

图1 机械工程训练线上虚拟体验学习平台

2 工程训练网上虚拟体验教学具体运行实施

2.1 课程体系主要内容

“工程认知”这门课程包含5大部分的内容，主要介绍工程的内涵、工程的历史发展轨迹、工程教育的使命、机械制造工程、制造工程技术前沿[14-16]。特别是对工程与环境、社会、文化等的联系进行交叉融合介绍，这一视野的开阔，不仅提升学生的宏观认知层次，提升术的技能，更对道的理解和启发有深远影响。这门课程囊括了众多内容和领域，有助于全方位提升学生认知，形成高层次价值观，为后续的学习打下良好的理论基础[9]。

2.2 课程任务实施

在实际的运作中，我们将这种模式运用于5个工科学院总计1427名学生。不同的专业学分各有差异，但基本框架一致，线上成绩占比40%，见表1。

表1 各学院金工实习学时分配

平台的搭建首先登录超星网，进行设置，“工程认知”这门课的视频放入，并设置教学任务点，教学任务点是根据不同专业进行不同要求的课程内容。它是学时分配以及教学内容设计的具体体现，以视频观看的完成程度评价学习任务的完成[10]。

同时，可将课程有关的其他视频和课件，放进资料库，给学生们充足的学习补充，补充资料帮助对这门课有兴趣的同学，提供丰富的补充教学资源。比如绪论部分，除了将绪论和竞赛与认知的PPT之外，还增加了“身边的工程活动”其他材料，如“手机按键疲劳试验台”的视频、“水浮莲处理船工作过程”的视频、身边的工程活动的电子版教材；又比如“竞赛与工程认知-接力小车”部分，设计了内容丰富的PPT。视频观看，高效快速认知的方式，常用于基本认知的拓展。对于有一定深度的问题，如果要深刻思考其中的内在联系，或者工程细节的联系展示及内在的原理思考，是需要静态的PPT作为启发，能在脑中进行思考，进行有效的学习消化。因此PPT的合适设计，完美的对视频内容进行了补充。这个有助于理解真实的实操学习场景，能提升学生各种学习能力，扩展思维认知维度。

将课程发送给学生后，学生只需要在手机“学习通”里进行学习，并不需要特定的时间及地点进行学习，加大了学习的灵活性。同时，也能为每一个学生自主学习提供个性化指导。总之，提供多样性，个性化的学习平台，更有利学生消化吸收知识。

学生端的操作也非常简单，进入“学习通”APP后，在“全部课程”下面选择“工程认知”，然后选择里面的“章节”，接下来可以看到任务点总数，任务点就是需要学生学习的内容。比如，点开第一个任务点“（一）课程介绍”，即可观看学习视频，操作非常便捷，看视频的过程中，如果有其他事情，可以返回，在选择其他时间继续观看。如果学生理解不够，也可以重复观看。这样学生可以分散学习，减少集中，有利于疫情的平稳控制。

2.3 典型训练项目实施

以PLC实习线上虚拟体验教学、3D打印虚拟体验教学为例。PLC实习的线上虚拟体验教学，是让学生通过线上虚拟体验实习，对所学内容进行理解和掌握，通过平台提供的若干典型的线上虚拟体验案例，对PLC的逻辑运算进行消化理解，同时为学生自我编程提供验证程序，以此积累编程经验，进行PLC知识的深化和巩固。引入形象化的实例，帮助学生理解并掌握抽象化的触点和线圈的逻辑含义，对于触点的深度掌握灵活运用，特别是定时器线圈对触点的延时控制，触点之间的相互影响，常开触点和常闭触点之间的异同，非常有帮助，还有助于学生克服对于逻辑理论的相对抽象而难以理解的困难。

为了线上虚拟体验，借鉴了线下实习的上课案例，通过软件进行范例的线上化的优化，从而保证学习效果的一致性。如图2所示，从基础编程、设计拓展、实战仿例多层次为学生开发了三个线上虚拟体验案例：案例1.基本指令编程练习；案例2.十字路口交通灯；案例3.LED数码显示。这3个案例由点带面，层层推进，有助于学生快速形成整体编程概念，融会贯通，提升编程开发能力。并且由于仿真实验的调试过程与实物实验极为相似，当线下实训平台开放时，学生可以回到到实物平台上直接进行再次验证。

3D打印训虚拟体验教学目的是让学生形成自主创意创新产品设计，转化为概念草图为三维数字模型的设计工具和将数字模型快速生成实物模型的理念。主要利用学生已经学过的solidworks等建模软件对3D模型进行建模，以掌握3D打印技术，从中熟悉3D打印软件和设置，材料的选择，打印过程的要点难点，完成零件的设计建模、3D打印加工、验证。形成一系列产品设计的方法和原理认知，最后完成产品加工链的闭环输出，整个流程如图3所示。

图2 PLC实习线上虚拟体验平台架构

图3 3D打印网上体验教学工作流程

2.4 线上虚拟体验考核评价

工程训练线上考核的方式也需要根据疫情的情况重新设计，必须监控学生的学习效果。因此题库的设置非常重要，以“第二章机械制造工程认知”为例，简述一下题库的建设。题库的建设需要对知识点进行逐一考核。如图4所示，目的让学生理解常见的切削加工主方法。然后对各种加工的适用范围，又可以出选择题，诸如此类，把知识点逐一进行量化，灵活设置不同的考题，达到加深学生对所学内容的理解目的，这样优于死记硬背。

图4 以切削加工为例的题库设计

基于这样的题库设计思想，对于各章节都设置了类似的题目，每学完一个章节，就可以进行测验，以检查自己的学习效果。这种测验时间随机，可以利用各种空隙时间完成，通过这种充分利用非正式学习空间的学习方式，能够给学生带来空间参与感，可选择性和成就感，能够很好地提升学习效率。同时营造出一种轻松的学习氛围，有利于学生发挥创造性思维，激发大脑潜能。

3 线上虚拟体验教学的学生成绩管理

如图5所示，对课程的相关进行设置。比如作业、章节测验、考试分数的线上学习分配占比，观看视频的次数，单个视频的观看进度得分，都可以根据要求自由设置。还可以设置线上教学和线下教学分数分配的比例。

图5 学生成绩管理

该系统还可以同步监控学生的学习情况，综合评价学生的学习质量。具体在“成绩管理”-“成绩统计”，可以看到每一位学生的每个部分的完成情况，用“综合成绩”来检验学习效果。综合成绩的评定，不是单方面的，而是多维度发散式的考验组合，这样就保证了线上学习的真实效果，也对学生的学习规划有很好的监督和导向作用。

4 教学实施的成效与反馈

本课程因受疫情影响被动地由线下教学转为线上进行，当实训场景由真实环境转向虚拟环境时，学生可充分利用先进的软件开发工具，以现代自动化领域中最重要的人机交互模式来完成实训任务。2020年开展了基于超新网络平台的线上虚拟实训教学，其课程资源应用了华南理工大学工程训练中心开发的“工程认知”和本校工程训练中心教师团队开发的金工实习部分虚拟实训体验项目。

4.1 线上虚拟实施效果

本次教学完成了五个工科学院（电气工程学院、机械工程学院/机器人工程学院、汽车与交通工程学院、电子信息工程学院、通信工程学院）机械工程训练线上虚拟体验线上教学和手机APP考试平台应用。2020年共计1415名学生的网上虚拟工程训练实践教学，并应用手机“学习通”APP平台进行了工程训练线上考试，以及学生成绩统计。如图6所示，以2019级机器工程学院机器人3~4班的金工实习线上实训考试为例：考试之后，在“金工实习在线考试”-“考试”中调出机器人3~4班的试学生成绩统计，即可进行查阅分析。

图6 机器人专业金工实习线上实训考试表

4.2 线上虚拟的优点

（1）突破实际空间场景，创新教学模式。通过这种新的教学模式，较好完成了疫情期间的线上教学任务。但仍然会保留线下的教学内容，因为有部分内容已经在线上学习，因此线下的课时进行了优化，主要把课时分配到实践类。比如，数控车床切削加工，理论的内容在线上已经讲过，那么在优化后的实践，主要集中在上机床实操。

（2）激发学生学习热情，提高学习效率。线上资源丰富，有利于激发学生的实训兴趣与学习探究的积极性，拓展学生的思维层次，发展认知空间。把线上的学习占总成绩的40%，既肯定了线上学习的内容，也保证了线下学习的重要性。通过减少线下实习的比例，减少学生聚集的时间，有利于疫情的防控，同时也不减少学习效果，取得双赢结局。

（3）教学素材的循环利用。以教学视频形式呈现软件使用的基本操作，能够使学生在任何有需要的时候观看、揣摩。对于重点难点的学习，尤其有利，重复观看学习，有助于学生消化理解，使教师教学效率更高。

（4）快速学习关键技术。实操时设备演示需要的准备工作需要繁冗的简单重复，需要较多时间才能进入重点工艺部分，而线上虚拟可以快速跳过多余的演示环节，最快地了解制造过程的关键技术环节，体验关键工艺过程，还可以横向比较不同的技术仿真方案产生的效果，更好地积累工艺经验。

（5）提高实习安全系数。传统的冲压成型、压力铸造，热处理和焊接等，实训演示过程会产生高温高压等危险因素，网上虚拟体验能避开这种危险环境体验此类工艺技术过程，能够更安全的学习。

5 结语

随着互联网加和疫情发展的推动，在线教育持续发展，谋划更新教学模式势在必行。交叉融合的教学内容模块跟随智能化的发展而持续更新，突破传统教学模式，改变单纯认识的枯燥教学方式，以智能制造改造为导向，进行在线实训课程改革实践与探索，疫情形势下的教育模式被动改变，使得智能制造实训教学得到了与互联网技术更好地进行融合。该教学模式将实训教学应用场景转化为实践教学影像资料，突破实际空间场景，形成独特的线上教学模式及考核模式，保证教学质量不会因疫情影响，从而保证教学效果。