基于项目式学习和远程虚拟仿真实验技术的学生在线实践课程建设探讨
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作者:鞠锋
摘 要：随着我国远程学生教育的快速发展，远程学生实践课程急需引入创新模式来解决目前面临的难题。教育部近年来印发了各类远程学生高等教育质量规范，吹响了提高远程教育质量的号角，并鼓励各地、各校做好网上授课等线上教学以应对目前国内外环境带来的不利影响。本文以可编程控制器课程为例，分析了传统观看视频线上课程模式的不足，提出一种基于项目式学习和远程虚拟仿真实验技术的在线实践课程建设新方案，并通过课堂真实应用评估了其有效性，对于多学科交叉、重实践应用等类别的课程具有较高的参考价值。
关键词：项目式学习;远程虚拟仿真实验;远程学生在线实践课程
一、远程学生实践课程现状
近年来随着我国教育国际化、在线化的快速发展，远程学生数量已经有了相当大的增长，但远程学生教育的质量还有待进一步提高。为认真贯彻落实党的十九大精神，提升高等教育内涵，提高远程学生高等教育质量，近年来教育部印发相关规定，要求改进远程高等教育工作，提高教育质量和管理服务水平。以我校“可编程控制器”为例，目前针对远程学生的课程教学形式以理论授课为主，经过多年的改进和完善，已经初步实现了课程的英文化，其质量也得到了广大远程学生的认可，课程考试通过率逐年提高。然而，有较大部分远程学生在课后甚至毕业后反馈，希望能够增加更多的实践机会，一方面能够加深其对于书本知识的理解掌握，另一方面也能帮助其在今后的升学、就业中真正将可编程控制器作为一项重要技能熟练使用。分析其原因，现在的以授课为主的教学形式确实无法充分培养远程学生的实践能力。尤其是可编程控制器这样的软硬件高度结合、工作原理较为复杂的学习对象，单纯的课堂理论教学难以帮助远程学生深刻理解其工作原理并进一步熟练应用。虽然前期已经针对这个问题对教学内容、教材等做了一定的调整，增加了大量可编程控制器用案例的讲解，但是学生还是无法看到实物，仅能凭借其想象力对案例进行较为抽象的解读理解，并且无法通过试错、调试等方法观察控制器真实运行过程中的各种重要状态，也无法按照自己的想法设计硬件电路，探索同一个问题的多种方案，因而极大地限制了其发挥创造力的空间，不利于远程学生实践创新能力的培养。此外，虽然可以考虑通过增加实验训练来缓解此问题，但是受课时和实验室资源的限制，目前还无法给每一位远程学生提供大量的实验条件以及后续的创新实践机会，仅能满足其开展最基础的训练，包括熟悉控制器软硬件和基本指令等，并且许多人共用一套实验设备，往往造成“一人动手、多人围观”的不良局面。多数远程学生反映实验机会太少，刚刚熟悉了软硬件平台和基本编程方法就结束了，缺少自己尝试的机会。
此外，近年来国内外环境对远程学生的实践课程造成了严重影响，大量远程学生无法到校学习。教育部鼓励各地、各校做好网上授课等线上教学，各高校积极响应，快速开始启动线上授课[1-2]。针对线上教学资源匮乏的问题，我校录制了《可编程控制器》实践课程的实验操作视频供远程学生观看，部分解决了远程学生对实践课程的需求，一定程度上允许他们反复观看加深其理解。然而，线上观看实验视频的方式相比于线下实践还存在如下问题：
（1）学生仅观看了视频讲解，并未真正动手编程操作，体验不够深刻;
（2）硬件配置无法更改，无法探究控制器的其他运行方式;
（3）无法调整程序来尝试各种解法;
（4）无法开展调试来理解控制器内部的运行机制。
因此，急需提出一种创新的适合于线上教学的实践课程模式来解决上述问题，为学生提供在线开展实践活动的条件。
二、基于项目式学习和远程虚拟仿真实验技术的在线实践课程建设
在教学方法方面，“可编程控制器”课程多学科交叉、重实践应用的特点决定了其更适合采用项目式学习（Project-Based Learning，PBL）的教学法[3-4]，以学生为中心，通过教师引导，学生主动探索现实世界挑战性的问题，获得更深刻的知识和技能。学生在教师的辅助下完成项目选题、规划方案、解决问题及项目成果的展示评估，在此过程中积极开展团队合作，运用先进的学习技术与工具，主动学习，应用多学科知识，理论联系实际，对问题进行深入探究，深刻理解可编程控制器的相关知识，并增强其自主学习和实践能力。具体体现在以下方面：
（1）项目选题。设计想要学生探究的问题，可以是教师科研领域的前沿课题，也可以是学生在教师或行业专家引导下提出的兼具挑战性和重要意义的真实问题。
（2）规划方案。学生在教师的引导下分组，开展问题的初步调研，通过头脑风暴等提出备选的研究目标和解决方案，并开展分析、对比、辩论，最终达成一致。
（3）解决问题。学生对任务进行分工，确保角色分工明确，自主学习项目所需的课程相关知识，基于设计、建模、分析、仿真、实验等科学研究方法，利用互联网、虚拟现实、仿真软件、开发平台等先进技术和工具对问题开展深入探究，教师辅助调解可能的冲突，并鼓励学生积极开展合作。
（4）项目成果展示评估。要求学生以仿真模型、视频、论文、报告等丰富的形式展示其研究成果，邀请相关领域专家评估项目完成情况、学生掌握相关知识的程度及其在项目过程中的表现，给出反馈和改进意见。
此外，探索基于远程虚拟仿真实验技术的新型实践教学模式[5-6]：通过虚拟化可编程控制器软硬件的方式，给学生提供逼真的模拟仿真实验环境，学生仅需电脑即可随时随地开展仿真实践训练;通过网络技术搭建远程实验平台，可远程上传程序至实验室的可编程控制器设备运行，并通过摄像头观测运行结果，达到和真实实验几乎相同的效果。
在教学内容方面，对可编程控制器传统的实验内容做较大改进：将占用实验课时的编程软硬件熟悉环节调整为线上观看视频教程，既节省了时间，又便于学生反复观看，达到熟练掌握其使用方法的目的;除原有基本指令编程训练外，增加可编程控制器高级综合应用训练和开放式创新能力训练，培养学生应用可编程控制器解决复杂实际问题并开展创新的能力。此外，基于项目式学习的思想，本着突出实践应用、引导学生自主探索学习的总体思路，对课程内容进行以下的改革创新：
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