摘 要：隨著我國(guó)遠(yuǎn)程學(xué)生教育的快速發(fā)展，遠(yuǎn)程學(xué)生實(shí)踐課程急需引入創(chuàng)新模式來(lái)解決目前面臨的難題。教育部近年來(lái)印發(fā)了各類遠(yuǎn)程學(xué)生高等教育質(zhì)量規(guī)范，吹響了提高遠(yuǎn)程教育質(zhì)量的號(hào)角，并鼓勵(lì)各地、各校做好網(wǎng)上授課等線上教學(xué)以應(yīng)對(duì)目前國(guó)內(nèi)外環(huán)境帶來(lái)的不利影響。本文以可編程控制器課程為例，分析了傳統(tǒng)觀看視頻線上課程模式的不足，提出一種基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)和遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的在線實(shí)踐課程建設(shè)新方案，并通過(guò)課堂真實(shí)應(yīng)用評(píng)估了其有效性，對(duì)于多學(xué)科交叉、重實(shí)踐應(yīng)用等類別的課程具有較高的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：項(xiàng)目式學(xué)習(xí);遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn);遠(yuǎn)程學(xué)生在線實(shí)踐課程

一、遠(yuǎn)程學(xué)生實(shí)踐課程現(xiàn)狀

近年來(lái)隨著我國(guó)教育國(guó)際化、在線化的快速發(fā)展，遠(yuǎn)程學(xué)生數(shù)量已經(jīng)有了相當(dāng)大的增長(zhǎng)，但遠(yuǎn)程學(xué)生教育的質(zhì)量還有待進(jìn)一步提高。為認(rèn)真貫徹落實(shí)黨的十九大精神，提升高等教育內(nèi)涵，提高遠(yuǎn)程學(xué)生高等教育質(zhì)量，近年來(lái)教育部印發(fā)相關(guān)規(guī)定，要求改進(jìn)遠(yuǎn)程高等教育工作，提高教育質(zhì)量和管理服務(wù)水平。以我?！翱删幊炭刂破鳌睘槔?，目前針對(duì)遠(yuǎn)程學(xué)生的課程教學(xué)形式以理論授課為主，經(jīng)過(guò)多年的改進(jìn)和完善，已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了課程的英文化，其質(zhì)量也得到了廣大遠(yuǎn)程學(xué)生的認(rèn)可，課程考試通過(guò)率逐年提高。然而，有較大部分遠(yuǎn)程學(xué)生在課后甚至畢業(yè)后反饋，希望能夠增加更多的實(shí)踐機(jī)會(huì)，一方面能夠加深其對(duì)于書本知識(shí)的理解掌握，另一方面也能幫助其在今后的升學(xué)、就業(yè)中真正將可編程控制器作為一項(xiàng)重要技能熟練使用。分析其原因，現(xiàn)在的以授課為主的教學(xué)形式確實(shí)無(wú)法充分培養(yǎng)遠(yuǎn)程學(xué)生的實(shí)踐能力。尤其是可編程控制器這樣的軟硬件高度結(jié)合、工作原理較為復(fù)雜的學(xué)習(xí)對(duì)象，單純的課堂理論教學(xué)難以幫助遠(yuǎn)程學(xué)生深刻理解其工作原理并進(jìn)一步熟練應(yīng)用。雖然前期已經(jīng)針對(duì)這個(gè)問(wèn)題對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教材等做了一定的調(diào)整，增加了大量可編程控制器應(yīng)用案例的講解，但是學(xué)生還是無(wú)法看到實(shí)物，僅能憑借其想象力對(duì)案例進(jìn)行較為抽象的解讀理解，并且無(wú)法通過(guò)試錯(cuò)、調(diào)試等方法觀察控制器真實(shí)運(yùn)行過(guò)程中的各種重要狀態(tài)，也無(wú)法按照自己的想法設(shè)計(jì)硬件電路，探索同一個(gè)問(wèn)題的多種方案，因而極大地限制了其發(fā)揮創(chuàng)造力的空間，不利于遠(yuǎn)程學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。此外，雖然可以考慮通過(guò)增加實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練來(lái)緩解此問(wèn)題，但是受課時(shí)和實(shí)驗(yàn)室資源的限制，目前還無(wú)法給每一位遠(yuǎn)程學(xué)生提供大量的實(shí)驗(yàn)條件以及后續(xù)的創(chuàng)新實(shí)踐機(jī)會(huì)，僅能滿足其開展最基礎(chǔ)的訓(xùn)練，包括熟悉控制器軟硬件和基本指令等，并且許多人共用一套實(shí)驗(yàn)設(shè)備，往往造成“一人動(dòng)手、多人圍觀”的不良局面。多數(shù)遠(yuǎn)程學(xué)生反映實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)太少，剛剛熟悉了軟硬件平臺(tái)和基本編程方法就結(jié)束了，缺少自己嘗試的機(jī)會(huì)。

此外，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外環(huán)境對(duì)遠(yuǎn)程學(xué)生的實(shí)踐課程造成了嚴(yán)重影響，大量遠(yuǎn)程學(xué)生無(wú)法到校學(xué)習(xí)。教育部鼓勵(lì)各地、各校做好網(wǎng)上授課等線上教學(xué)，各高校積極響應(yīng)，快速開始啟動(dòng)線上授課[1-2]。針對(duì)線上教學(xué)資源匱乏的問(wèn)題，我校錄制了《可編程控制器》實(shí)踐課程的實(shí)驗(yàn)操作視頻供遠(yuǎn)程學(xué)生觀看，部分解決了遠(yuǎn)程學(xué)生對(duì)實(shí)踐課程的需求，一定程度上允許他們反復(fù)觀看加深其理解。然而，線上觀看實(shí)驗(yàn)視頻的方式相比于線下實(shí)踐還存在如下問(wèn)題：

（1）學(xué)生僅觀看了視頻講解，并未真正動(dòng)手編程操作，體驗(yàn)不夠深刻;

（2）硬件配置無(wú)法更改，無(wú)法探究控制器的其他運(yùn)行方式;

（3）無(wú)法調(diào)整程序來(lái)嘗試各種解法;

（4）無(wú)法開展調(diào)試來(lái)理解控制器內(nèi)部的運(yùn)行機(jī)制。

因此，急需提出一種創(chuàng)新的適合于線上教學(xué)的實(shí)踐課程模式來(lái)解決上述問(wèn)題，為學(xué)生提供在線開展實(shí)踐活動(dòng)的條件。

二、基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)和遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的在線實(shí)踐課程建設(shè)

在教學(xué)方法方面，“可編程控制器”課程多學(xué)科交叉、重實(shí)踐應(yīng)用的特點(diǎn)決定了其更適合采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（Project-Based Learning，PBL）的教學(xué)法[3-4]，以學(xué)生為中心，通過(guò)教師引導(dǎo)，學(xué)生主動(dòng)探索現(xiàn)實(shí)世界挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，獲得更深刻的知識(shí)和技能。學(xué)生在教師的輔助下完成項(xiàng)目選題、規(guī)劃方案、解決問(wèn)題及項(xiàng)目成果的展示評(píng)估，在此過(guò)程中積極開展團(tuán)隊(duì)合作，運(yùn)用先進(jìn)的學(xué)習(xí)技術(shù)與工具，主動(dòng)學(xué)習(xí)，應(yīng)用多學(xué)科知識(shí)，理論聯(lián)系實(shí)際，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行深入探究，深刻理解可編程控制器的相關(guān)知識(shí)，并增強(qiáng)其自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力。具體體現(xiàn)在以下方面：

（1）項(xiàng)目選題。設(shè)計(jì)想要學(xué)生探究的問(wèn)題，可以是教師科研領(lǐng)域的前沿課題，也可以是學(xué)生在教師或行業(yè)專家引導(dǎo)下提出的兼具挑戰(zhàn)性和重要意義的真實(shí)問(wèn)題。

（2）規(guī)劃方案。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下分組，開展問(wèn)題的初步調(diào)研，通過(guò)頭腦風(fēng)暴等提出備選的研究目標(biāo)和解決方案，并開展分析、對(duì)比、辯論，最終達(dá)成一致。

（3）解決問(wèn)題。學(xué)生對(duì)任務(wù)進(jìn)行分工，確保角色分工明確，自主學(xué)習(xí)項(xiàng)目所需的課程相關(guān)知識(shí)，基于設(shè)計(jì)、建模、分析、仿真、實(shí)驗(yàn)等科學(xué)研究方法，利用互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、仿真軟件、開發(fā)平臺(tái)等先進(jìn)技術(shù)和工具對(duì)問(wèn)題開展深入探究，教師輔助調(diào)解可能的沖突，并鼓勵(lì)學(xué)生積極開展合作。

（4）項(xiàng)目成果展示評(píng)估。要求學(xué)生以仿真模型、視頻、論文、報(bào)告等豐富的形式展示其研究成果，邀請(qǐng)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜以u(píng)估項(xiàng)目完成情況、學(xué)生掌握相關(guān)知識(shí)的程度及其在項(xiàng)目過(guò)程中的表現(xiàn)，給出反饋和改進(jìn)意見。

此外，探索基于遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的新型實(shí)踐教學(xué)模式[5-6]：通過(guò)虛擬化可編程控制器軟硬件的方式，給學(xué)生提供逼真的模擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生僅需電腦即可隨時(shí)隨地開展仿真實(shí)踐訓(xùn)練;通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)搭建遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可遠(yuǎn)程上傳程序至實(shí)驗(yàn)室的可編程控制器設(shè)備運(yùn)行，并通過(guò)攝像頭觀測(cè)運(yùn)行結(jié)果，達(dá)到和真實(shí)實(shí)驗(yàn)幾乎相同的效果。

在教學(xué)內(nèi)容方面，對(duì)可編程控制器傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容做較大改進(jìn)：將占用實(shí)驗(yàn)課時(shí)的編程軟硬件熟悉環(huán)節(jié)調(diào)整為線上觀看視頻教程，既節(jié)省了時(shí)間，又便于學(xué)生反復(fù)觀看，達(dá)到熟練掌握其使用方法的目的;除原有基本指令編程訓(xùn)練外，增加可編程控制器高級(jí)綜合應(yīng)用訓(xùn)練和開放式創(chuàng)新能力訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用可編程控制器解決復(fù)雜實(shí)際問(wèn)題并開展創(chuàng)新的能力。此外，基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的思想，本著突出實(shí)踐應(yīng)用、引導(dǎo)學(xué)生自主探索學(xué)習(xí)的總體思路，對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行以下的改革創(chuàng)新：FEA13F87-8594-4C1A-B251-F71883B69B98

（1）以項(xiàng)目為中心設(shè)計(jì)課程內(nèi)容，摒棄傳統(tǒng)課程內(nèi)容過(guò)于全面且死板的組織形式，以適量的簡(jiǎn)介和概述內(nèi)容引導(dǎo)學(xué)生開始自主學(xué)習(xí)探索，將培養(yǎng)方案知識(shí)點(diǎn)精心設(shè)計(jì)融入項(xiàng)目中，保證完成項(xiàng)目時(shí)學(xué)生學(xué)到必需的知識(shí)總量。

（2）以項(xiàng)目流程的順序分階段引入知識(shí)點(diǎn)，采用先問(wèn)題后方法的思路，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題主動(dòng)去尋找答案，自發(fā)地去學(xué)習(xí)了解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，循序漸進(jìn)，根據(jù)自身能力差異調(diào)整每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)時(shí)間，突出學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和個(gè)性化。

（3）為學(xué)生自主學(xué)習(xí)探索搭好腳手架，以突出實(shí)踐應(yīng)用改造傳統(tǒng)課程知識(shí)點(diǎn)，增加實(shí)踐所需的仿真軟件和開發(fā)平臺(tái)硬件的視頻、教程等內(nèi)容，縮減原理、發(fā)展歷史等過(guò)于理論冗長(zhǎng)的內(nèi)容，突出課程實(shí)踐特色。

在教學(xué)條件方面，基于上述新型的教學(xué)模式和實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建完善的可編程控制器實(shí)踐課程條件，包括：在現(xiàn)有編程軟件的基礎(chǔ)上，利用其仿真、網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)功能;錄制用于線上觀看的編程軟硬件熟悉環(huán)節(jié)的英文視頻資源;編寫新的英文實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，設(shè)計(jì)多個(gè)高級(jí)綜合應(yīng)用編程案例及開放式課題案例。

在教學(xué)效果的評(píng)估方面，研究改進(jìn)傳統(tǒng)以課堂考試為主的評(píng)估方式，提高開放式創(chuàng)新設(shè)計(jì)課題等實(shí)踐評(píng)估比例，更能有效反映可編程控制器這類編程實(shí)踐類課程的教學(xué)效果，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

三、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)題庫(kù)構(gòu)建及說(shuō)明材料制作

項(xiàng)目式教學(xué)的核心在于選取一個(gè)好的問(wèn)題供學(xué)生開展深入探究。這樣的問(wèn)題既可以是教師科研領(lǐng)域的前沿課題，也可以是學(xué)生在教師或行業(yè)專家引導(dǎo)下提出的兼具挑戰(zhàn)性和重要意義的真實(shí)問(wèn)題，此外還必須緊密圍繞課程的主題“可編程控制器”來(lái)進(jìn)行題目設(shè)計(jì)。因此，本課程針對(duì)幾種典型的可編程控制器控制對(duì)象（移動(dòng)機(jī)器人、工業(yè)機(jī)械臂、飛行機(jī)器人、無(wú)人船）構(gòu)建項(xiàng)目題庫(kù)，并且通過(guò)企業(yè)調(diào)研的方式為每一個(gè)題目設(shè)計(jì)其真實(shí)的應(yīng)用背景，由行業(yè)專家提出真實(shí)的需求，以此為目標(biāo)指導(dǎo)學(xué)生開展研究任務(wù)。結(jié)合研究基礎(chǔ)及實(shí)驗(yàn)室條件，提出管道內(nèi)壁檢測(cè)、自動(dòng)化生產(chǎn)線物品抓取、高空巡檢和水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)喂食等典型應(yīng)用場(chǎng)景下的可編程控制器設(shè)計(jì)開發(fā)項(xiàng)目，并將其分解成子任務(wù)，明確其對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)知識(shí)點(diǎn)。以自動(dòng)化生產(chǎn)線物品抓取機(jī)械臂為例，將其分解為：機(jī)械結(jié)構(gòu)及電氣設(shè)計(jì)與仿真模型搭建、可編程控制器系統(tǒng)安裝與調(diào)試、機(jī)械臂控制軟件工具包學(xué)習(xí)、機(jī)械臂抓取程序模塊設(shè)計(jì)與調(diào)試、機(jī)器視覺(jué)物品識(shí)別程序模塊設(shè)計(jì)與調(diào)試、自動(dòng)識(shí)別抓取物品綜合程序設(shè)計(jì)與調(diào)試、模擬自動(dòng)化生產(chǎn)線場(chǎng)景測(cè)試、成果總結(jié)展示與評(píng)估。

為了使學(xué)生能夠清楚了解項(xiàng)目的詳細(xì)要求，針對(duì)每一個(gè)項(xiàng)目制作完整的說(shuō)明材料，包括說(shuō)明文檔和視頻。到企業(yè)實(shí)地考察其真實(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景及任務(wù)流程，拍攝相關(guān)圖片和視頻素材，將其制作成精美的PPT和視頻等多媒體材料供學(xué)生觀看，使其能身臨其境地體驗(yàn)到項(xiàng)目的真實(shí)需求，并發(fā)掘其中的問(wèn)題，為其開展項(xiàng)目打下良好的基礎(chǔ)。學(xué)生完成項(xiàng)目選題并充分了解項(xiàng)目背景后，在教師的引導(dǎo)下按照項(xiàng)目式教學(xué)PBL的實(shí)施流程自主開展對(duì)問(wèn)題的探究。考慮到首次接觸項(xiàng)目式教學(xué)的學(xué)生缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，因此，在起步階段教師引導(dǎo)學(xué)生采用由淺入深、循序漸進(jìn)的方式來(lái)開展項(xiàng)目。教師先引導(dǎo)學(xué)生對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行規(guī)劃，提出基本的設(shè)計(jì)目標(biāo)，學(xué)生利用其現(xiàn)有的知識(shí)儲(chǔ)備嘗試解決。在完成初步的要求后，教師進(jìn)一步提出更高的要求，學(xué)生由于知識(shí)所限暫時(shí)無(wú)法解決。此時(shí)教師引導(dǎo)學(xué)生有針對(duì)性地自主學(xué)習(xí)新知識(shí)，并引導(dǎo)其應(yīng)用新知識(shí)去解決問(wèn)題，最終學(xué)生自主完成設(shè)計(jì)目標(biāo)，并在此過(guò)程中學(xué)習(xí)掌握了新的知識(shí)。

四、實(shí)踐課程教學(xué)效果評(píng)估

該課程建成后已開展兩年教學(xué)，經(jīng)過(guò)廣大遠(yuǎn)程學(xué)生的應(yīng)用，反映良好。對(duì)學(xué)生開展問(wèn)卷調(diào)查，統(tǒng)計(jì)其對(duì)于在線實(shí)踐課程的使用感受和對(duì)未來(lái)發(fā)展方向的建議，參與調(diào)查的學(xué)生數(shù)量為50人。結(jié)果有98%的學(xué)生認(rèn)為新的實(shí)踐課程方式比僅觀看視頻講解能獲得更加深刻的體驗(yàn);94%的學(xué)生嘗試按照自己的想法調(diào)整程序來(lái)解決問(wèn)題;90%的學(xué)生嘗試通過(guò)調(diào)試來(lái)理解控制器內(nèi)部的運(yùn)行機(jī)制;100%的學(xué)生認(rèn)為新的在線實(shí)踐課程解決了無(wú)法實(shí)地開展實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題;92%的學(xué)生認(rèn)為項(xiàng)目式學(xué)習(xí)方法提高了其學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性;94%的學(xué)生認(rèn)為遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)幫助其按需反復(fù)開展實(shí)踐訓(xùn)練而無(wú)須占用實(shí)驗(yàn)室資源;92%的學(xué)生認(rèn)為自己學(xué)習(xí)時(shí)間的安排更加靈活，有效避免了不同地區(qū)作息時(shí)間不同對(duì)教學(xué)造成的影響。

對(duì)學(xué)生的使用情況開展統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)采用新課程后，學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)的頻次大幅提升，最高達(dá)到68次/天，比原先未采用新課程時(shí)提高約2倍，學(xué)生的主觀能動(dòng)性得到了大幅提高。在實(shí)踐學(xué)習(xí)效果評(píng)估方面，分析采用新課程后的實(shí)驗(yàn)成績(jī)，比往年有顯著提高，平均分提高約20%，且缺交、晚交實(shí)驗(yàn)報(bào)告的學(xué)生人數(shù)比原來(lái)下降約60%，可見新的實(shí)踐課程大幅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和效果。

最后，學(xué)校征集了學(xué)生對(duì)于進(jìn)一步改進(jìn)課程的建議，如下表所示。

五、總結(jié)與展望

在遠(yuǎn)程學(xué)生數(shù)量快速增長(zhǎng)的背景下，遠(yuǎn)程學(xué)生實(shí)踐課程面臨很多困難，傳統(tǒng)的基于視頻觀看的線上課程模式雖能解決部分問(wèn)題，但在動(dòng)手操作體驗(yàn)、擴(kuò)展性等方面存在明顯不足。本文提出的基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)和遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的遠(yuǎn)程學(xué)生在線實(shí)踐課程模式，可為學(xué)生提供開展虛擬實(shí)驗(yàn)動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)，比觀看視頻印象更深刻，也便于其在此基礎(chǔ)上開展進(jìn)一步的自主探索和創(chuàng)新應(yīng)用，為培養(yǎng)遠(yuǎn)程學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力發(fā)揮重要作用。

未來(lái)，我們將在進(jìn)一步提高虛擬化程度、增加更多真實(shí)實(shí)例等方面繼續(xù)深入研究，以期為我國(guó)遠(yuǎn)程學(xué)生教育提供更多創(chuàng)新思路。

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基金項(xiàng)目：南京航空航天大學(xué)來(lái)華留學(xué)生教學(xué)改革研究專項(xiàng)，基于虛擬仿真和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)技術(shù)的可編程控制器實(shí)踐課程建設(shè);南京航空航天大學(xué)本科教學(xué)建設(shè)項(xiàng)目，機(jī)器人操作系統(tǒng)實(shí)踐探究，2021JG0531A;南京航空航天大學(xué)教育科學(xué)與改革研究專項(xiàng)課題，疫情防控常態(tài)化背景下機(jī)械工程專業(yè)線上項(xiàng)目式生產(chǎn)實(shí)習(xí)研究與實(shí)踐，2020JYKX-19

作者簡(jiǎn)介：鞠鋒（1982— ），男，漢族，江蘇常熟人，博士，副教授，研究方向：機(jī)器人技術(shù)。FEA13F87-8594-4C1A-B251-F71883B69B98