王文舉 張玄 姜中敏

[摘 要] 為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、提高學(xué)生積極思維能力和動(dòng)手實(shí)踐能力的培養(yǎng)，提出了一種基于虛擬仿真技術(shù)的案例教學(xué)法，該方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程是“課前準(zhǔn)備：案例選擇與虛擬仿真制作—案例的簡(jiǎn)介—實(shí)驗(yàn)案例實(shí)現(xiàn)步驟的討論—學(xué)生做出決策—實(shí)驗(yàn)案例的虛擬仿真實(shí)踐—課堂總結(jié)”。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此種教學(xué)方法寓教于樂(lè)、學(xué)生積極參與、勇于探索;能夠突破時(shí)空限制使學(xué)習(xí)者對(duì)系列或系統(tǒng)的操作任務(wù)有明確的認(rèn)識(shí);通過(guò)良好的人機(jī)交互、啟發(fā)式導(dǎo)引，學(xué)習(xí)者自身對(duì)操作步驟、技術(shù)要點(diǎn)了然于心，同時(shí)對(duì)任務(wù)背后的設(shè)備、系統(tǒng)的工作原理產(chǎn)生了濃厚的興趣和深刻的理解。

[關(guān)鍵詞] 實(shí)踐教學(xué);案例教學(xué)法;虛擬仿真技術(shù)

[基金項(xiàng)目] 2019年上海理工大學(xué)教師教學(xué)發(fā)展研究項(xiàng)目“分布式3D包裝工藝虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)建設(shè)”（CFTD194045）;2019年度上海理工大學(xué)優(yōu)質(zhì)在線課程建設(shè)項(xiàng)目“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)”;2019年上海高校本科重點(diǎn)教改項(xiàng)目“沉浸式中國(guó)戲曲曲藝音樂(lè)理論課堂建設(shè)”

[作者簡(jiǎn)介] 王文舉（1979—），男，山東濟(jì)南人，博士，講師（通信作者），研究方向?yàn)楦叩裙こ探逃?張玄（1982—），女，山東濟(jì)南人，博士，講師，研究方向?yàn)橹袊?guó)傳統(tǒng)音樂(lè);姜中敏（1980—），男（滿族），河北承德人，碩士，講師，研究方向?yàn)樯使芾砗蛯?shí)驗(yàn)室管理。

[中圖分類號(hào)] G642? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）35-0322-03? ? [收稿日期] 2019-09-10

一、引言

傳統(tǒng)教學(xué)方法主要是基本知識(shí)和原理講解后，教師進(jìn)行示范傳授或在圖紙或模擬板上進(jìn)行模擬演習(xí)。傳統(tǒng)教學(xué)法僅著眼于知識(shí)的傳授，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性受到了限制，嚴(yán)重影響了學(xué)生積極思維能力和創(chuàng)造能力的培養(yǎng)。為克服上述缺點(diǎn)，產(chǎn)生了一種基于案例的教學(xué)法并被不斷地摸索探究成為了國(guó)內(nèi)外關(guān)于實(shí)踐教學(xué)的研究熱點(diǎn)。2017年，L.F.S.Minniti通過(guò)文獻(xiàn)回顧介紹了案例教學(xué)法和案例教學(xué)法在巴西的發(fā)展歷史，指出案例教學(xué)法是一種主動(dòng)學(xué)習(xí)策略的應(yīng)用，將促進(jìn)批判性思維，鼓勵(lì)辯論，激發(fā)師生互動(dòng)，可行性高。2014年，秦長(zhǎng)城提出在計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)課堂教學(xué)中采用小而精的案例教學(xué)法，使學(xué)生更有效的理解和掌握知識(shí)要點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)[1]。但上述案例教學(xué)方法因缺乏案例場(chǎng)景的沉浸感，學(xué)生參與體驗(yàn)不均等，受場(chǎng)地時(shí)間所限案例學(xué)習(xí)也不能系列化系統(tǒng)化，教學(xué)效果仍有進(jìn)一步改進(jìn)的空間。

二、基礎(chǔ)教學(xué)方法與技術(shù)

1.CBL教學(xué)法。案例教學(xué)，指的是指以案例為基礎(chǔ)通過(guò)設(shè)置特定的情境，以學(xué)習(xí)者為主體，在教師的導(dǎo)引下通過(guò)學(xué)習(xí)者之間對(duì)案例的相互討論交流和總結(jié)，從而切實(shí)提高學(xué)習(xí)者分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力的一種高效教學(xué)方法。案例教學(xué)一般主要包括四個(gè)階段：第一階段：案例討論的課前準(zhǔn)備;第二階段：案例討論的開場(chǎng)白;第三階段：案例的課堂討論;第四階段：案例討論的總結(jié)。案例教學(xué)的優(yōu)勢(shì)是：①以真實(shí)案例為切入點(diǎn)，啟發(fā)式教學(xué)學(xué)生參與熱情高;②以學(xué)生為主導(dǎo)，注重學(xué)生主體性、自主性的發(fā)揮;③鼓勵(lì)思考、交流、合作;④注重實(shí)務(wù)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生分析處理能力。案例教學(xué)的局限性是：①案例的完整展開受課堂時(shí)間、所在空間有限性的約束，案例片段肢解化;②經(jīng)典案例缺乏，形不成系列化、系統(tǒng)化，理論深度不夠;③學(xué)生參與度、接觸知識(shí)要點(diǎn)機(jī)會(huì)無(wú)法均等;④課程成績(jī)?cè)u(píng)定無(wú)法客觀公正。

2.虛擬仿真技術(shù)。虛擬仿真是使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，它將虛擬現(xiàn)實(shí)與系統(tǒng)仿真結(jié)合成一個(gè)有機(jī)的整體：充分利用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸感、交互性、想象力的三大基本特性來(lái)進(jìn)行真實(shí)環(huán)境的營(yíng)造;利用了系統(tǒng)仿真技術(shù)建立相應(yīng)物理系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的能力用于充分揭示系統(tǒng)的內(nèi)在運(yùn)行規(guī)律[2]。虛擬仿真教學(xué)是指利用虛擬仿真技術(shù)模擬出案例發(fā)生的真實(shí)情境，讓學(xué)生在模擬的情境下進(jìn)行探究和學(xué)習(xí)。這種教學(xué)方法因其具有高效率、低成本、案例內(nèi)容豐富、性能有效和安全等優(yōu)勢(shì)，在教學(xué)上得到了越來(lái)越多的應(yīng)用和推廣。

三、基于虛擬仿真技術(shù)的CBL教學(xué)法

將虛擬仿真技術(shù)與CBL教學(xué)法相結(jié)合提出了一種基于虛擬仿真技術(shù)的CBL教學(xué)法。本教學(xué)方法共分為以下幾個(gè)步驟：

1.課前準(zhǔn)備。①教師確定教學(xué)目標(biāo)，選取經(jīng)典案例。在基于虛擬仿真技術(shù)的CBL教學(xué)法進(jìn)行實(shí)踐課程教學(xué)時(shí)，圍繞教學(xué)對(duì)象，課時(shí)安排中的每一節(jié)課教師都要有明確的教學(xué)目標(biāo)，并通過(guò)QQ、手機(jī)微信app在線等軟件提前告知學(xué)生本次課上要實(shí)踐的教學(xué)內(nèi)容。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，教師羅列出與此相關(guān)的所有案例，而后從真實(shí)性、示范性、簡(jiǎn)潔性、開放性四個(gè)角度做進(jìn)一步的篩選，保證選取的案例不虛構(gòu)-能夠復(fù)原再現(xiàn)、不復(fù)雜、不具爭(zhēng)議性、過(guò)程清楚明了。②學(xué)生閱讀有關(guān)的理論。針對(duì)教師提前告知的既定的教學(xué)目標(biāo)與內(nèi)容，學(xué)生在網(wǎng)上或者圖書館進(jìn)行查找相關(guān)文獻(xiàn)、閱讀相關(guān)理論，提出自己的實(shí)驗(yàn)步驟方案，并列出自己的疑問(wèn)。③案例的虛擬仿真制作。根據(jù)教師授課所選定的經(jīng)典案例集合，分析每個(gè)案例操作中所牽涉到的廠房環(huán)境、設(shè)備型號(hào)、性能、具體操作步驟、設(shè)備在每一步地操作過(guò)程中給予的響應(yīng)變化、理清設(shè)備變化背后所蘊(yùn)藏的基本工作原理。到案例事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)研拍照獲取設(shè)備的紋理照片并經(jīng)過(guò)photoshop軟件進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。對(duì)于案例所涉及到的廠房環(huán)境、設(shè)備、天氣狀況使用3Dmax軟件進(jìn)行1∶1的三維實(shí)體建模、紋理貼圖、燈光渲染生成。并將所建三維模型導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)軟件unity中，供在unity軟件所構(gòu)造的虛擬視景里，使用者能在觸發(fā)虛擬設(shè)備部件時(shí)進(jìn)行交互操作體驗(yàn);構(gòu)建專家知識(shí)庫(kù)使軟件對(duì)使用者的每一步操作給予指導(dǎo)。在unity軟件中，根據(jù)課堂教學(xué)所在環(huán)境將上述虛擬仿真程序進(jìn)行發(fā)布生成在個(gè)人計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)端可運(yùn)行的虛擬仿真教學(xué)exe文件。

2.案例的簡(jiǎn)介。在課堂上，教師首先通過(guò)簡(jiǎn)單提問(wèn)來(lái)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入案例情境，該案例情境此時(shí)還是由教師口頭描述。隨后教師通過(guò)文本、影片、報(bào)紙文章等方式介紹案例內(nèi)容，并告訴學(xué)生課程實(shí)驗(yàn)的工作內(nèi)容及計(jì)劃，此時(shí)在學(xué)生頭腦中形成了一個(gè)案例發(fā)生過(guò)程的情境框架。教師指導(dǎo)學(xué)生打開虛擬仿真教學(xué)軟件程序，使用鍵盤、鼠標(biāo)在案例虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行虛擬漫游，使學(xué)生沉浸在案例所發(fā)生的虛擬情境中，對(duì)案例產(chǎn)生的背景、環(huán)境、設(shè)備有了直觀的視覺(jué)感受。

3.實(shí)驗(yàn)案例實(shí)現(xiàn)步驟的討論。對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，組內(nèi)成員協(xié)作分工，通過(guò)書、網(wǎng)絡(luò)等途徑獲得解決實(shí)驗(yàn)案例的相關(guān)信息、并于成員對(duì)各自所形成的初步解決方案進(jìn)行交流和討論。老師在學(xué)生討論過(guò)程中要求只進(jìn)行線索引導(dǎo)不對(duì)學(xué)生給出詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)方案步驟。

4.學(xué)生做出決策。學(xué)生經(jīng)過(guò)小組討論提供了各種可能的解決方案，并總結(jié)出各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，但每人心中都會(huì)有一種最優(yōu)方案。

5.實(shí)驗(yàn)案例的虛擬仿真實(shí)踐。每個(gè)學(xué)生操作計(jì)算機(jī)或智能手機(jī)在虛擬仿真平臺(tái)上進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)學(xué)生心中所提供的決策方案是否是最優(yōu)方案。在學(xué)生具體的虛擬仿真操作過(guò)程中，軟件將依據(jù)專家知識(shí)庫(kù)實(shí)時(shí)針對(duì)學(xué)生的操作給予語(yǔ)音、文本、動(dòng)畫的指導(dǎo)。

6.課堂總結(jié)。重申實(shí)驗(yàn)案例操作重點(diǎn)，加強(qiáng)記憶;討論并進(jìn)行細(xì)致的分析操作失誤的主要問(wèn)題并引導(dǎo)學(xué)生揭示該現(xiàn)象背后蘊(yùn)含的專業(yè)理論，加強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐、指導(dǎo)實(shí)際動(dòng)手的能力。

四、教學(xué)法實(shí)例與分析

本教學(xué)方法應(yīng)用于職業(yè)教育——電力系統(tǒng)實(shí)習(xí)訓(xùn)練的實(shí)踐教學(xué)中。為使學(xué)生全面掌握110KV變電系統(tǒng)設(shè)備的操作，教師親自到上海洋山港配電系統(tǒng)深入調(diào)研，共完成283個(gè)變電站操作票案的選取與整理。在實(shí)踐教學(xué)上，教師簡(jiǎn)介了實(shí)習(xí)訓(xùn)練的內(nèi)容并以問(wèn)題的方式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入實(shí)習(xí)情境。隨后教師指導(dǎo)學(xué)生使用虛擬仿真軟件在110KV變電系統(tǒng)中進(jìn)行3D場(chǎng)景漫游沉浸在案例所發(fā)生的虛擬場(chǎng)景中，見圖1。而后學(xué)生分組，在組中討論如何實(shí)踐操作任務(wù)并形成書面的解決方案。學(xué)生打開虛擬仿真軟件，對(duì)設(shè)備按照自己擬定的操作任務(wù)實(shí)現(xiàn)步驟利用鼠標(biāo)、鍵盤或點(diǎn)擊觸摸屏進(jìn)行仿真操作。具體操作步驟如下：

在程序界面里選取149操作票“10KV 1號(hào)電容器從開關(guān)檢修改為冷備用”案例如圖2a。

1.按下“x”鍵出現(xiàn)第一步操作語(yǔ)音提示“將10KV 1號(hào)電容器車式閘刀推至試驗(yàn)位置”在此語(yǔ)音提示下，鼠標(biāo)左擊圖2b紅筆標(biāo)示處，車式閘刀被推至試驗(yàn)位置。

2.出現(xiàn)第二步操作語(yǔ)音提示“放上10KV 1號(hào)電容器開關(guān)二次插頭”，鼠標(biāo)左擊圖2c紅筆標(biāo)示處，二次插頭合上。

3.出現(xiàn)第三步操作語(yǔ)音提示“合上10KV 1號(hào)電容器開關(guān)合閘電源開關(guān)”，鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)選圖2d紅筆標(biāo)示處，開關(guān)合閘電源開關(guān)被合上。

4.出現(xiàn)第四步操作語(yǔ)音提示“合上10KV 1號(hào)電容器開關(guān)直流操作電源開關(guān)”，點(diǎn)選圖2e紅筆標(biāo)示處，直流操作電源被合上，上柜門的綠燈變亮見圖2f紅筆標(biāo)示處。

5.出現(xiàn)操作票操作成功對(duì)話框如圖2g，各種設(shè)備恢復(fù)到冷備用起始狀態(tài)，整個(gè)實(shí)習(xí)訓(xùn)練案例結(jié)束。

上述交互操作過(guò)程中，虛擬仿真軟件給予的語(yǔ)音、flash、動(dòng)畫都取自專家知識(shí)庫(kù)。100名學(xué)生上過(guò)該課，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)100%的學(xué)生在最后的總結(jié)過(guò)程中，每個(gè)學(xué)生都樂(lè)于談及切身的感受并做體驗(yàn)小結(jié)：表示此種教學(xué)方法能夠突破時(shí)空限制使學(xué)生對(duì)系列或系統(tǒng)的操作任務(wù)有明確的認(rèn)識(shí);通過(guò)良好的人機(jī)交互、啟發(fā)式導(dǎo)引，學(xué)習(xí)者自身對(duì)操作步驟、技術(shù)要點(diǎn)了然于胸;學(xué)習(xí)者對(duì)任務(wù)背后的設(shè)備、系統(tǒng)的工作原理產(chǎn)生了濃厚的興趣和深刻的理解。

參考文獻(xiàn)

[1]秦長(zhǎng)城.計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)案例教學(xué)法及小而精案例探討[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2014（2）：45-47.

[2]趙經(jīng)成.虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.