基于“线上线下、虚实融合”创设的新工科教学模式与实践

基于“线上线下、虚实融合”创设的新工科教学模式与实践

赵雷*,徐连勇,韩永典,郝康达

天津大学 材料科学与工程学院 天津 300354

摘要：新工科教学需要积极探索“以学生为中心”的教学模式，提升新工科教育质量。针对材料成型及控制工程专业，建设了以焊接与3D打印技术为基础的“设计与制造”新工科课程，探索了立体化的“线上线下，虚实融合”教学模式，以基础理论学习为基石，重在真实的环境虚拟的条件或仿真实验室中真实的环境设置的直观体验来验证基础理论，探索焊接与3D打印应用于汽车、火箭、压力容器、钢结构等工程结构的设计与制造的解决方案，总结理论、分析问题、解决问题，丰富了材料成型及控制工程专业学生实践培养体系。

关键词：虚实融合；焊接与3D打印；设计与制造；教学模式

Analyses on Emerging Engineering Education Teaching Mode and Practice Based on "Online and Offline, Virtual and Real Integration"

Zhao Lei, Xu Lianyong, Han Yongdian, Hao Kangda

(Tianjin University, School of Materials Science and Engineering, Tianjin, 300354)

Abstract: Up to date, the student-centered teaching mode has been widely paid attentions and developed in the emerging engineering education teaching to improve the quality of education. Focusing on the Material Processing and Control Engineering major, a new emerging engineering education course of "Design and Manufacturing" based on welding and 3D printing technology has been constructed and has successfully employed the three-dimensional "online and offline, virtual and real integration" teaching mode. In this course, the basic theory of students was still paid more attentions and had been the core of the course. Moreover, the students were needed to verify the basic theory with the real environment virtual conditions and the intuitive experience of the real environment settings in the simulation laboratory. They also needed to explore the application of welding and 3D printing to the design and manufacture of engineering structures such as automobiles, rockets, pressure vessels, and steel structures. Though this mode, the ability of summarizing problem, analyzing the basic theory and providing solution of students were all greatly improved. This was apt to enrich the practical training system for students in Material Processing and Control Engineering major.

Keywords: virtual and real integration; welding and 3D printing; design and manufacturing; teaching mode

国内外教育教学改革持续深化，越来越强调对学生科学探究、问题解决能力和交流合作能力等“高阶能力”的培养，应结合社会需求加大核心能力培养，积极探索适合学生的教学模式，改善以往教学中的不足，实现教学质量有序提升。探究式学习作为一种以学习者为中心的学习方式，追求以探究为本的教学，让学生自己思考如何做和做什么，转变传统学生直接接受教师思考或制定好的现成结论。然而，现在教育教学中直接应用探究式学习方式时，学生学习的自主性、实践性和情境性明显不够。而虚实融合学习环境的发展及其在教育中的应用，创新了教育教学方式，有利于增强学生的学习体验，在情境创设、资源获取、学习反馈等方面能够为探究式学习提供强大支持。本文开展了以焊接与3D打印技术为基础的“设计与制造”新工科课程教学，虚实融合学习环境应用于探究式学习中，提高学生动手做、做中学等实践能力，倡导知行合一，发展探索精神与创新能力。

一、虚实融合教学模式发展的新趋势

（一）工科教学发展趋势

2013年德国颁发“工业4.0”计划，支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新，是第四次工业革命的代名词，强化制造业和新一代信息技术深度融合，实现“智能制造”[1]。我国也颁布《中国制造2025》，打造具有国际竞争力的制造业，实现中国制造向中国创造、中国速度向中国质量、中国产品向中国品牌三大转变，推动中国迈入制造强国行列，全面提升我国工业和产品在国际中的竞争力，力求在第四次工业革命占据一席之地[2]。高等教育教学改革发展与工业领域的科技革命和产业变革一脉相承。第四次工业革命带来了人们生活方式的转变，科学技术变革速度天翻地覆，不断打破学科界限，多学科之间融合、创新推动科技发展，解决工业发展难题，对工程领域人才培养也提出了全新要求。

（二）工科教学发展要求

在美国，素有核心素养之称的“21世纪技能”教育改革运动自从2002年提出并兴起，正如火如荼地推进并影响了包括中国在内的多个国家。不论是“核心素养”还是“21世纪技能”，都强调要培养学生的科学探究、问题解决能力、交流与合作能力等。国际学生评估项目（The Program for International Student Assessment, PISA）将学生科学素养和合作问题解决能力作为学生知识和能力测试的重要方面之一[3]。在世界各地教育改革浪潮下，我国高等教育改革也把科学素养的培养作为改革的重点。对以科学探究能力、问题解决能力、交流与合作能力为核心的“高阶能力”的培养，迫切需要变革和创新教学方法。而探究式学习从“教师中心”转变为“学生中心”，突出学生主体地位，注重提高学生的自主、合作、探究的学习能力，从学生对知识的被动接受到积极主动获取知识，强调个人素质、创新能力和综合能力的全面提升，促进学生在知识、能力和情感方面的全面发展[4]。

（三）新工科教学发展方向

现代工业在发展中涉及技术、经济、社会、文化等领域，要求不同学科之间进行融合，通过合作创新的方式解决工业发展难题对工科人才培养提出了更高要求。因此，教育部发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》，号召全国高校积极响应新工科建设政策，全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设。自2017年教育部积极推进新工科建设，旨在中国教育的基础上探索适合中国特色的人才培养模式。2020年10月20日，吴岩司长最新的报告中指出未来工程教育发展的方向是新理念、新结构、新模式、新标准、新体系、新人才，构建“三结合、四协同”的深度融合育人新机制[5]。目前，在第四次工业革命的浪潮中，工业生产在前三次工业革命的基础上进一步进化，一种基于信息物理系统（Cyber Physical System）实现智能制造被提出和广泛应用。因此，基于智能制造的工程教育教学方式成为了实现工业进步的重要动力。

（四）虚实融合教学核心内涵

为了满足新工科时代下的工程教育教学需求，虚实融合教学在第一次提出后便被广泛应用实践，是一种利用各种虚拟仿真技术、互联网技术等获取真实环境或虚拟环境中学习活动的信息数据，并且通过信息技术将真实环境中的客观信息与虚拟环境中的数字信息资源有效融合的一种新型教学方式[6]。该种学习环境其具有的情境性、沉浸性和交互性，能够引发学生情感反应，促进学生知识、技能与其他能力的建构，主要包括桌面虚拟学习环境、沉浸式虚拟现实系统、增强虚拟现实环境及分布式虚拟现实环境等。虚实融合学习在我国教育教学改革发展过程中，对学生的培养经历了从最初培养学生的“双基”，至后来受布鲁姆教育思想的影响发展为“三维目标”，到现阶段提倡培养学生的“核心素养”。虚实融合教学模式具有以下特点①真实世界和虚拟世界的学习空间有机融合；②真实环境和虚拟环境中的学习数据有机互通；③真实学习资源和虚拟学习活动、学习工具情境等有机互融；④真实环境与虚拟环境之间的学习主体自然交互[6]。

（四）新工科的虚实融合教学

新工科背景下，学生的培养思想、培养方式必须进行相应的转换。针对以焊接与3D打印技术为基础的“设计与制造”新工科课程，开展立体化教学资源建设适应这种思想转换，从学生的实际诉求与体验出发，整合教学资源，建立“线上线下、虚实融合”的教学模式，借助于多媒体、虚拟现实、数值仿真实验室等技术[3,6]，应用微观、细观、宏观等多尺度虚拟模型以及多尺度仿真软件，跨尺度、跨维度、全方面展示实际工程结构的设计、加工、制造、运行等过程，形象展示焊接与3D打印部件实际工程环境下应力、应变、损伤等难以测量物理量的演变过程和演变规律。“线上线下、虚实融合”的教学模式，把材料力学、机械设计、工程图学、有限元分析、材料成型结构设计等理论作为基石，重在真实的环境虚拟的条件或仿真实验室中真实的环境设置的直观体验来验证基础理论，解决焊接与3D打印应用在工程结构的设计与制造中面临相关问题，总结理论、分析问题、解决问题，建立符合本科学生的实践培养体系

[7,8]。

二、虚实融合教学内容模式与实践

（一）虚实融合教学内容

以焊接与3D打印技术为基础的“设计与制造”新工科课程教学，包括分为研究与设计、工艺设计与优化、加工与制造等三个模块，融合焊接与3D打印等先进制造方法和连接方法，围绕缩尺工程实际结构的结构设计、强度校核、制造全链条过程中设计理论、校核理论、制造理论与技术等教学和实践环节展开，通过建设教学内容演示平台、工程案例资源平台、数值模拟资源平台，以培养学生独立设计创新思维、发散思维和科研思维，全方位提高材料成型及控制专业学生综合应用专业知识解决实际问题的能力。

以焊接与3D打印技术为基础的“设计与制造”新工科课程教学将虚实融合教学的内容从整体上划分成“工程认知模块”“工程实践模块”“工程综合模块”三大内容板块，层次递进，符合本科生的学习体系、认知体系以及专业能力培养需求。其中，工程认知模块主要教学目标定位为了解设计需求和设计目的、掌握设计基本方法、体验真实的工程现场、认知真实的制造环境等。而工程实践模块中教学目标定位为零部件工程设计、零部件材料选择、零部件加工工艺设计与优化、零部件实际加工与制造等核心技术教学层面，使学生在虚实融合教学中，重点掌握专业设计理论与思想、加工工艺选择与优化、基本操作等。工程综合模块定位为创新能力、创新意识、团队合作、技术能力等综合素养培养，为材料成型及控制专业学生的就业奠定基础。通过将“线上线下、虚实融合”方式解决教学目标模糊、教学内容设置不合理等问题，真正体现虚实融合教学课程价值。

（二）虚实融合教学实践过程

焊接与3D打印技术为基础的“设计与制造”新工科课程教学建设教学内容演示平台，展示不同阶段的项目目标、知识点、理论与方法体系等方面，形象展示三个阶段教学任务、教学目标和教学体系的联系。建设工程案例资源平台，围绕汽车结构的设计与校核、火箭的结构设计与校核、压力容器的结构设计与校核、钢结构的结构设计与校核等方面。建设多尺度、多维度的虚拟仿真实验平台，围绕流体计算、强度校核计算、碰撞计算、应力与变形计算、疲劳计算等方向，实现理论分析、上机实操和结果演示的形象、立体化展示。建设先进制造平台，围绕特种连接技术（激光焊、电子束焊、超声波焊等）、3D打印技术（激光选取熔化、激光金属沉积等）等材料选择、工艺选择、工艺优化方面建设立体化教学资源平台。

（三）虚实融合教学目标

课程教学的目标在于促进学习者基于虚实融合实验环境的探究式学习效果，对于虚实融合实验环境的设计与开发以及探究式学习活动和任务的设计，从知识与技能、科学探究过程以及情感态度与价值观三个领域培养。需要学生在学习阶段掌握更多解决问题的能力，建立完善的知识结构，力求学生在学习中形成个人效能、知识能力、学术能力、技术能力和社会能力等核心能力，同时也提出了在探究式学习评价方面的必要性，需要更加关注能够显著影响探究式学习效果的指标项的评价，注重评价结果的科学性与准确性[9-11]。

三、线上线下、虚实融合教学特色

（一）能力培养

依托材料成型及控制工程专业的新工科实践教学目标，秉持培养学生创新思维和创新实践能力的教学理念，根据研究-设计-工艺-制造-应用的制造行为逻辑和分析-研究-创新设计-应用实践的能力培养逻辑，设计了以“焊接与3D打印”新技术为载体的新工科实践教学课程，通过建设教学内容演示平台、工程案例资源平台、数值模拟资源平台、先进制造平台等立体化教学资源平台，实现线上和线下教学的结合、基础理论和实践教学的结合、实操实验和数值实验的结合，充分满足学生自主学习与创新思维能力培养需求；实现数字化信息化资源、数值模拟、实景演示及纸质教学资料等多种形式的融合运用，做中学，学中做，相对传统教学模式将显著改善教学效果。

（二）全面评价

应用工科实践教学课程的虚实融合实验环境中探究式学习，并对探究实验的学习者探究式学习效果进行评价，能够从不同维度全面、准确地评估学习者的探究式学习过程和学习结果。其中，评价指标体系改变传统的唯成绩论的总结性评价，利用虚实融合实验环境的功能和特点，提供直观、形象的评价结果与反馈以及多种评价方式[12]，并且从不同方面对基于“线上线下、虚实融合”实验环境下的探究式学习进行评估。综合评价的结果清晰、准确地呈现了学习者在不同维度、不同阶段与指标内容下的学习结果，以及反映了学习者在探究学习中的情感状态与价值倾向，为学习者客观认识自身学习效果、查漏补缺提供有效帮助[13]。

四、结语

综上所述，与传统教学相比，采用线上线下、虚实融合的混合教育模式，结合项目式新工科教学方式，围绕提升学生的“知行合一”，学从实践中来，实践反哺理论知识的认知和掌握，利于提升教学的深度和广度，夯实学生理论基础，充分调动和发挥学生的主管能动学习能力，培养学生的自主创新能力，有助于疫情时代教师合理安排教学活动，提升学生自主学习兴趣、主观能动学习能力。本文描述的学生和教师这两个主体要素数字化转型的特征，有些是正在进行的，但更多是未来发 展的图景，其真正的实现需要漫长的探索过程，还有很多问题值得进一步研究，如人机结合的认知规律、面向学生数字素养全面发展的教学体系、人机协同教学能力的内涵及其评价、教师与智能系统协同教学的理论与方法等。

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作者简介：赵雷（1985-），男，汉族，河北石家庄人，副教授、博士生导师，研究方向焊接结构的蠕变、疲劳、断裂与损伤

通信作者：赵雷，zhaolei85@tju.edu.cn