基于对分课堂和虚拟仿真“金课”的“船舶柴油机拆装”实验课程设计

梁大龙，杜太利，崔文彬，冯伟，赵俊豪

(大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026)

为提高航海类专业毕业生在船工作的适任能力，航海本科院校轮机工程专业在大四上学期集中开展一系列实验实训课程。由于船舶设备通常具有经济成本高、占用空间大、更新需求快等特点[1]，实际运行存在高风险、高能耗的问题，加之新冠肺炎疫情对线下授课的不确定性影响，开展虚拟仿真项目建设已成为各门实验实训课的必选项。“船舶柴油机拆装”实验课采用了虚实结合、线上线下相结合的教学模式[2]，所开发的虚拟仿真系统具有还原度高、业务覆盖面广、拥有独立网络协作客户端等优点，被评为省级虚拟仿真一流课程。然而，在建好虚拟仿真“金课”的基础上，根据学生的实际情况，如何解决实验课程教学存在的问题，真正利用好虚拟仿真系统，同样值得深入探究。

“船舶柴油机拆装”是轮机工程专业的一门核心实验课，为期一周，共40学时。实船安装的柴油机多为大中型柴油机，而航海类高校实验室通常仅配置若干台拆装用中小型柴油机。教研团队以市场主流机型船舶柴油机为建模对象，开发虚拟拆装项目，以提高轮机工程专业学生和社会学员的实践能力和创新意识。虚拟仿真“金课”的建设一定程度上提高了实验教学效果，但在教学实施过程中仍存在如下问题。

1.大四学生学习意愿低

本科轮机工程专业主要培养能够胜任现代海洋平台和海洋工程船舶等海洋工程装备操作、管理、维护和修理的高级海洋装备技术与管理人才，即在远洋船舶从事技术与管理工作是本专业的主要就业方向。但近年来由于多种因素的影响，毕业后愿意从事海上工作的学生越来越少，读研、考公或选择陆上工作的学生日益增多，因此相当数量的学生对专业课程缺乏兴趣[3]，课内做与课程无关事情的学生不在少数，“船舶柴油机拆装”等专业实验课尤甚。

2.课程虚实结合不佳

虚拟仿真项目教学的主要原则是“能实不虚”[4]，因此很多实验课课内仅进行实操练习，课外进行虚拟仿真训练，“船舶柴油机拆装”实验也不例外。之前的课程安排是课内8学时进行柴油机实物拆装学习，虚拟拆装练习则连续5天被安排在晚上。学生的课后练习无法及时与实物相印证，学习效率不高，学习效果不佳；
加之当天练习时间有限，虚拟训练效果整体较差。这种实验安排并未充分考虑大四学生的真实学情，虚与实在时间和空间上相对孤立，不利于课堂知识的及时巩固和内化。

3.课程挑战度不足

以往教学是由教师带领学生进行柴油机各部件的拆装训练，因每组人数较多，部分学生没有机会动手参与，只能作为旁观者。相对单薄的实物拆装内容不足以支撑40学时，学生虽拥有大量自主学习时间，但因自主学习任务较少，因此常常处于无所事事状态。本应体现“挑战度”的课外虚拟拆装练习也未能有效形成对实物拆装的良性反馈，学生的实验报告内容千篇一律。此外，实验课一般只注重学生团队协作和动手能力的培养，对于沟通表达、创新思辨、解决复杂工程问题等未来岗位工作亟须的综合能力却少有涉及。综合来看，在整个实验课程中，学生仍以被动学习为主，课程并未体现出足够的“高阶性”和“挑战度”。

1.对分课堂教学法的选择

为转变学生学习态度，促使学生有效参与，培养学生岗位综合能力，充实课程教学内容，让虚拟仿真“金课”更好地为“船舶柴油机拆装”课程服务，教学设计需要作进一步调整。“以学生发展为中心”的“对分课堂”教学法是将课时进行师生对分，一部分时间教师进行讲授(Presentation)，另一部分时间交由学生讨论(Discussion)，讲授和讨论错时进行，让学生有充足的时间自主安排学习，进行个性化的内化和吸收(Assimilation)，简称PAD Class[5](如图1)。

图1 对分课堂基本流程[6]：隔堂对分(上)和当堂对分(下)

对分课堂因其简单易用、普适性强等特点，在高校课堂教学中得到广泛应用。笔者在轮机工程专业的几门理论课和实践课中进行对分课堂教学模式的探索实践，也取得了较好的教学效果。其中，结合大四学生的实际情况，在实验课“辅机综合训练2”中采用了对分课堂(PAD Class)与同伴教学(Peer Instruction)[7]相融合的教学新模式，简称PAI Class[3]。该模式借鉴“当堂对分”教学流程，教师精讲(Presentation)后，将余下实训内容(Assignment)分成三部分，交由三组学生课内自学掌握，之后互相讲授(Instruction)本组内容，实现所有内容的学习与操作训练。“同伴教学”的融入可使学生知识留存更多、表达时间更长、考核评价更多维、教学资源利用率更高[3]。该模式已在轮机工程专业2017级和2018级两届约500名学生中进行了教学实践，教学效果和学生反馈良好，可推广至其他实验实训课程中采用。

2.基于对分课堂和虚拟仿真“金课”的实验课教学设计

针对“船舶柴油机拆装”实验课程教学中存在的问题，充分考虑大四学生的个性化学习需求，以“金课”的“两性一度”和工程教育认证12条毕业要求为指引，确定了“船舶柴油机拆装”课程设计的总体原则——以PAI Class教学模式为主体，课外学习轻量化“增负”，将虚拟仿真有机融入课中及课后，旨在培养所有“准毕业生”都应具备的多项综合能力。具体教学设计流程如图2所示。

图2 “船舶柴油机拆装”实验教学设计流程

(1)课前轻量预习

充分利用学生进入教室的课前10～20min，通过雨课堂推送当天学习任务清单。清单包括拆卸内容的相关知识概述、当天工作的时间安排及几道思考题，分别用于帮助学生回忆理论知识，明晰工作任务并引发思考。思考产生的困惑发至雨课堂弹幕，等待教师课上解答或学习过程中自行解惑。

(2)教师精讲要点

教师主要进行船舶柴油机相关知识点的梳理，并结合虚拟仿真网站的教学视频讲解实际拆卸要点。讲授内容可根据学生上节课课后在雨课堂讨论区的留言及课前学生的疑问进行适当调整，做到课前课中课后相联系、相呼应。时间控制在45min以内，以维持较高的听课专注度。

(3)学生分组学习

因实验室共有4台拆装用船舶中速柴油机，学生被平均分成4组，每组约7～8人，每2～3人共用一台笔记本电脑。首先对教师讲解的知识框架进行填充学习，之后在电脑上登录虚拟拆装软件客户端进行当天拆装部件的虚拟拆装练习。练习成绩单以PDF或Excel形式呈现，其中详细记录操作过程中的得/失分点，便于学生总结失误，迅速掌握正确的拆装流程。小组学习不仅可以减少因自学造成的各自为战、效率低下问题，还可提升学生沟通表达、团队协作等人际领域的社会能力[8]，具有一定的挑战度。

掌握虚拟拆装部件的拆装流程后，组员间相互配合，对实物进行拆卸、检查、测量、维护保养、装配与调整操作[1]。在此期间，学生依旧可以反复查看虚拟拆装流程以指导实际操作，了解虚实拆装间的异同。在保证安全的前提下，学生拥有最大限度的自主权，合作探索拆装方案；
而教师仅进行学习监督，必要时才进行指导，且仅允许每组学生至多求助两次。

(4)学生分队互讲

不同组间的柴油机拆装部件及流程因柴油机品牌、型号不同而有差异。为全面了解各种柴油机的内部结构及拆装方法，同时锻炼学生的表达能力，实操后即进入“同伴教学”环节。每组学生平均分成“讲解队”和“倾听队”。“倾听队”到不同类型组别，在该组讲解员的带领下，学习部件的异同及拆装要点；
而本组讲解员们则与其他小组前来倾听的队员交流经验体会，展示实践过程要点。讲授完毕后，教师依次提问倾听者，查验“同伴教师”的授课效果。学生需在讲解过程中全程录像，方便教师课后对该队讲授效果打分。之后讲解员和倾听者的“师生”身份互换，实现互听互讲[3]。该流程结束后，全体学生匿名投票，选出若干名优秀讲解员，给予他们平时成绩加分。最后，教师进行当日内容总结，针对共性错误、弹幕困惑进行讲解。

(5)课后个性复习

教师通过雨课堂推送延伸资料供学生个性化学习。学生课后可对当日拆装部件进行虚拟拆装练习，更新拆装部件的课上练习成绩至最优值，训练时长不限。学生有疑惑可在雨课堂讨论区留言，教师或同学帮忙解惑。将“亮考帮”延伸至线上，既减少了学生书写和教师批改的负担，也锻炼了学生分析解决问题的能力。

(6)测验、考试与报告

每日学习完成后，通过雨课堂对当天学习内容进行测验，了解学生的真实学习情况。通过发布调查问卷及时获得教学效果反馈，并结合学生提出的好建议，持续改进授课内容和教学方法。

周五下午学生进行上机、口试和实操三部分的考试。上机考试时，虚拟拆装系统会在34项子业务中随机抽题组卷，学生在规定时间内回答，交卷后系统自动评分。口试题目涉及实船故障处理、柴油机部件原理介绍等多个方面，学生从10道题中抽取1道进行回答，考官根据学生的回答情况给分。实操考试前，根据拆装难度及拆装配合人数要求，学生抽签确认自己的拆装任务，并加入对应的单人组、三人组或四人组。根据柴油机拆装顺序，组内和组间成员相互配合，依次完成气缸盖、活塞、高压油泵、喷油器等柴油机主要部件的拆卸和装复工作，教师根据小组和个人表现给出综合分数。

实验报告分为工作总结和拓展探索两部分。工作总结须对整个实验过程的主要工作进行描述记录。而拓展探索则有多道题目可供选择，学生结合自身就业意向和预计花费时间自主选择。拓展探索分为三个难度等级，满分分值不同。简单级仅需要投入较少精力，适合陆上就业学生，主要在于复制和理解所学知识；
中等难度则适合上船就业学生，多为贴合船舶实际且有一定难度的工程问题，涉及多门专业课知识，倾向于简单应用；
而困难等级则对应读研学生，侧重于知识的搜集、汇总、凝练和简单创造，学生需要查阅一定量文献，了解轮机相关的前沿知识，进行多学科的融合与创新。

此外，该课程设计对学生的表现评价贯穿整个教学始终，过程性评价(上机练习加平时表现)与终结性评价(多维考试加报告)成绩比例为1∶1(如图3)。该课程设计以教师和同伴作为评价主体，个人和团队作为评价对象，采用过程性评价和终结性评价并重的评价方式对学生的多维能力进行评价。此种评价体系从多维度、多层面、多视角[9]对学生的整体表现进行考查，适用于工程教育认证。

图3 实验课成绩分配方案

综合来看，该教学设计流程既有效解决了此前出现的教学痛点，又满足了“金课”“两性一度”和工程专业教育认证的相关要求，普遍适用于虚实结合且排课密集的工科实验实训课。

1.学习状态明显改善

教学改革前，因课程设计不够合理，虚拟拆装的加入并未改善课内学习氛围，反而增加过重的课外练习任务，学生仅有的晚上自主学习时间被挤压，产生逆反情绪。教学改革后，课堂上不认真听课的学生明显减少，学生之间讨论热烈，讲解员态度认真；
课外虚拟拆装练习数据显示，绝大多数学生进行3～4次练习后即可获得满分，雨课堂讨论区学生乐于发帖与评论，分享学习体会。调查问卷显示84%的学生对课程的各个教学环节都给予认可。从学习成绩来看，学生雨课堂测验答题的平均正确率约为78%，虚拟拆装考试平均成绩高达91分，各课程目标的达成度超目标阈值11%～18%。

2.多维能力同步提高

授课时教师不过分干预学生的实验过程和实验结果，学生通过独立思考及团队协作来解决实际问题。学生借助虚拟仿真训练，熟悉柴油机内部构造，正确使用拆装工具，实操拆装又快又好。“同伴教学”给予工科学生表达的平台，改善工科学生不愿意、不善于表达的普遍问题。很多学生起初讲解效果不佳，经过几次讲授过后就能够逻辑清晰、言简意赅。口试时，多数学生能积极思考、敢于表达，思辨和解决实际问题能力得到提升。多人组高质量完成实操反映了学生已拥有较强的动手能力和团队协作能力。实验报告书写训练培养了学生学术写作和创新能力，助力其参加各类创新创业大赛，部分优秀本科生进实验室后发表多篇高水平论文。

虚拟仿真项目可助力实验课程教学，但必须做好教学流程设计。首先，通过课前轻量预习进行目标导引，引发思考，提升学生课上注意力。其次，教师精讲重难点，适当留白，为学生腾出思考和探索的空间。多元的课内任务让学生忙碌又充实。学生在分组学习中进行多人协作，通过分享、质疑、探究达到知识迁移、思维创新的目的[8]。增加课中虚拟仿真训练，“先虚后实”“以虚助实”，即时而紧密地相互印证，使得虚拟拆装和实物操作两者相辅相成，既可让学生高效掌握正确的拆装流程，又可减少实际拆装的错误和危险。再次，进行同伴间知识传递，学生表达能力得到锻炼。当日测验是对知识点的汇总考查，而教师的最后总结则是对孤立知识点的必要串联。课内虚拟拆装练习保证了学生课后在短时间内高质量完成练习。考试是学生多维能力外化的集中展现。最后的实验报告书写是能力培养的延续。具有针对性的拓展探索选题满足各层次学生需要，内容贴合工程实际，具有合适的挑战度。改革实践表明，该教学流程设计可提升学生课内外的学习状态，培养“准毕业生”的创新、思辨、沟通、表达、团队协作等多项普适能力，为工科专业虚拟仿真“金课”建设提供新思路。

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