基于虚拟现实技术的教学手段在职业院校电工电子课程中的应用探索

2022-11-16

一、课程定位及学情分析

《电工电子技术》是职业院校非电类工科专业一门重要的机电类专业基础课程, 其人才培养的目标是培养生产、管理、服务一线需要的技能型人才, 对于本校机辆系的学生而言, 面向的工作岗位主要是机车、车辆上的电气设备的检修。电工电子课程既有自身独有的理论体系, 又与实际操作紧密结合, 属于理论和实践并重的学科, 并且理论知识较抽象, 难以理解。

目前我系的电工电子课程仍然采用传统教学模式, 课程设置偏重理论, 实践课较少。虽然也设置了电工电子技能实训, 但技能实训时间短, 内容不全面, 并且理论学习和技能实训没有同步进行, 使得学生的知识和技能掌握都不到位。

对学生的学习需求进行分析, 发现他们希望加强实践课教学, 并且希望理论课可以简单、形象、容易理解。因此本文首先对电工电子课程内容进行整合, 对偏难的理论进行删减, 使课程内容变得简单实用, 同时将课程基础理论知识与和本专业相关的实际技能操作相结合, 以工作过程为导向, 以学生为主体, 以项目为载体, 设置合适的工作任务, 创设更接近实际工作场景的教学情境, 即采用教学做一体化的项目式教学法, 优化了课程知识结构, 以适应学生的学习特点和相关岗位的需求。

采用教学做一体化的项目教学法, 虽然更符合学生的学习需求和岗位需求, 但是相关的电工电子实操项目需要分组进行, 这就需要投入大量的实验设备、器材和工具, 同时也需要多位指导教师指导学生安全正确地进行实验操作。在实际操作过程中, 学生经常会出现粗心大意或是盲目动手操作等问题, 在实践过程中很容易发生触电等危险情况, 同时也有可能因为误操作而损坏实验设备。

二、虚拟现实技术的特点

虚拟现实技术可以很好地解决这个问题。虚拟现实技术是指利用计算机生成一种模拟环境, 通过计算机图形构成三维数字模型, 利用软件程序和计算机设备生成以视觉感受为主的综合可感知的人工环境。在这个环境中, 人有一种视觉上的沉浸感, 可以观察、操作周围环境及事物, 并能与之进行自然交互的技术[1]。利用虚拟现实技术, 可以模拟显示那些在现实中存在的事物, 以及实际操作过程, 供学生学习和探索。

虚拟现实技术具备交互性、沉浸性及想象性等特征。根据交互性和沉浸性的不同, 虚拟现实系统可以分为桌面式、沉浸式、增强式和分布式四种类型[2]。其中桌面式虚拟现实系统是使用个人计算机和低级工作站来产生三维空间的交互场景。这种方式虽然使用者会受到周围现实环境的干扰, 而不能获得完全的沉浸感, 但是成本相对较低, 因此普及程度较高[3]。

本文将讨论针对电工电子课程中理论实践相结合的工作任务, 借助虚拟现实技术, 通过桌面虚拟现实系统, 实现项目教学法。

三、基于虚拟现实技术的项目教学法在电工电子课程中的应用——以三相异步电动机的拆装为例

(一) 教学设计

首先按照岗位要求将课程内容简化并分解为六个项目, 分别为电工电子仪器仪表的使用、交直流电路的分析、三相异步电动机及其控制电路的安装、电子元器件的识别与检测、共发射极放大电路的连接及测试以及直流稳压电源的安装与参数测量。

其中项目三:三相异步电动机及其控制电路, 是依据学生将来从事的城轨车辆电工岗位设置的, 该岗位需要学生能对城轨车辆牵引电机、城轨车辆牵引、制动控制电路及辅助供电电路等进行维护和检修, 因此对电动机和控制电路的认识是非常重要的。在该项目的教学设计中, 由易到难设置六个工作任务, 分别为:三相异步电动机的拆装 (电动机的结构及原理认知) 、常用低压电器的拆装 (低压电器的结构及原理认知) 、三相异步电动机点动控制线路的安装与调试 (简单电动机控制电路的认知) 、三相异步电动机连续运行控制线路的安装与调试 (一般电动机控制电路的认知) 、三相异步电动机正反转控制线路的安装与调试 (较复杂电动机控制电路的认知) 、三相异步电动机星-三角减压启动控制线路的安装与调试 (较复杂电动机控制电路的认知) 。在教学中, 采用任务驱动法, 让学生在完成工作任务的过程中, 掌握三相异步电动机和常用低压电器的结构、工作原理;以及三相异步电动机几种常用控制电路的结构、工作原理。采用以工作任务为导向的教学做一体化的项目教学法, 避免了烦琐的理论推导, 提高了学生的学习兴趣以及学习的积极性和主动性, 使学生通过自主学习以及动手操作掌握基本理论知识, 并初步具备实践操作能力。

(二) 教学实施 (应用基于虚拟现实技术的教学手段)

教学做一体化的项目教学法是以工作任务为导向, 以项目为载体的教学模式, 在整个教学过程中, 教师只是引导者, 学生才是教学活动的主体。在教学实施过程中, 我们采用桌面虚拟现实系统作为平台来完成其中动手操作的部分。以项目三中任务一, 三相异步电动机的拆装为例, 教学实施过程可以分为以下几个阶段:

第一阶段, 教师发布任务。

该任务采用案例导入新课, 通过图片和视频观摩三相异步电动机的不同工作情境。然后将学生分组 (每四人一个小组) , 由教师确定学习任务, 提出任务要求, 包括:任务内容:小型三相异步电动机的拆卸和装配。任务目的:1、知识目标: (1) 掌握三相异步电动机的结构。 (2) 掌握三相异步电动机拆装步骤。2、能力目标: (1) 学会小型三相异步电动机的拆装。 (2) 熟练使用拆装工具。 (3) 会进行三相异步电动机简单故障的维修。3、情感目标: (1) 培养学生遵守电工安全操作规程的专业素养。 (2) 培养学生动手操作的能力。 (3) 培养学生独立思考和严谨细致的学习态度。

第二, 帮助学生进行任务分析:该任务需要学生能够正确使用工具进行三相异步电动机的拆卸和装配, 首先需要学生自己查找资料了解三相异步电动机的组成和结构, 然后仔细观察三相异步电动机各部分之间的位置关系以及连接情况, 其次进一步查找资料了解三相异步电动机的拆卸和装配步骤, 最后进行实际拆装训练。这个阶段的主要任务是引导各组学生学会如何展开思路去分析问题、解决问题, 是一个引导阶段。

第二阶段, 学生自主学习。

学生进入探索学习阶段, 查阅该任务相关资料, 确定该任务的知识点、技能点, 每个学生独立完成学习任务, 并记录存在的疑问。小组成员分享素材, 共同学习, 通过交流互动解决自学时遇到的问题, 无法解决的问题可以求助教师。任务中的基本理论知识 (即三相异步电动机的结构) 掌握后, 小组成员共同讨论, 制定实践部分工作计划及实施步骤。与教师沟通, 得到教师认可后, 确定最终的任务实施步骤, 即:三相异步电动机的拆卸步骤及装配步骤。

第三阶段, 组织任务实施。

学生根据已确定的任务实施步骤, 完成实践环节的学习任务, 即:小型三相异步电动机的拆装。该环节利用桌面虚拟现实系统来完成, 本文采用的桌面虚拟现实系统为100唯尔教育网。在该虚拟现实平台中, 实施三相异步电动机的拆装任务时, 首先打开页面看到的是小型三相异步电动机的三维立体图, 如图1所示, 每一个螺丝、接线端、每一个部件都和实际小型三相异步电动机相同。学生直接通过鼠标对三维立体电动机进行操作, 完成拆装。首先通过鼠标拖拽旋转三相异步电动机, 从各个角度观察其外观, 确认观察到的各个构成部分的名称。下一步进行三相异步电动机的拆卸, 根据已确定的操作步骤, 先选择适当的工具, 然后按顺序一步步地用鼠标点击要拆卸的电动机构成部分, 系统会演示该步骤的操作过程, 完成每一步操作后, 观察剩余部件, 明确其名称, 并确认下一操作步骤。拆卸完成后, 再按照已确定的装配步骤一步步完成装配过程。在任务实施过程中, 教师对每组的任务实施情况进行检查及记录, 同时进行监督和辅导。在实践过程中, 使学生达到知识与技能的融会贯通。

第四阶段, 成果展示。

每组学生派代表对本小组的工作成果进行展示、总结和自我评价, 最终形成书面报告, 作为学习成果。

第五阶段, 考核评价。

由教师进行检查评分。师生共同讨论, 总结任务中出现的问题, 学生解决问题的方法, 教师根据对学生任务实施过程的记录以及学生的任务总结报告进行总结点评。

从实践中看, 这种基于虚拟现实技术的教学做一体化教学模式, 不仅有益于学生知识技能的掌握, 而且有助于学生的责任感和协作精神的形成。

四、虚拟现实技术应用于电工电子技术课程的优缺点

采用虚拟现实技术实现教学做一体化具备很多优点:

1.与传统教学模式相比, 能够通过虚拟仿真平台提供的电工电子器件、设备的三维模型, 让学生更直观地了解其内部结构和工作原理。

2.桌面虚拟现实系统提供了仿真的学习情境, 学生通过人机界面操作, 自己动手进行电工电子仪器的使用、电工电子器件的检测、电工电子电路的连接、故障处理等, 更符合学生喜欢自己动手的学习特点, 提高了学生的学习兴趣, 培养了一定的动手能力。

3.利用虚拟现实技术创设的教学情境, 使学生在情境中, 通过鼠标操作完成每个工作任务, 实现了更容易操作的教学做一体化。

4.利用人机界面进行操作, 避免了学生现场实验实训可能出现的触电等安全隐患[4]。

5.解决了学校实验实训室设备陈旧以及设备不足使得实验实训教学经常无法正常有序进行的问题。

虚拟现实技术作为一种新型的教学媒介, 应用在电工电子课程教学中的确具有很多的优势, 但也同时存在一些问题。例如:1.虚拟环境是一个理想化的环境, 它不可能充分考虑到电路实际连接、工作过程中出现的所有问题, 因此, 并不能让学生充分了解实际电路连接中可能出现的问题。2.采用桌面虚拟现实系统, 沉浸性较差, 并且采用鼠标进行操作, 和实际操作区别较大, 真实性不足。如果投入资金开发一套沉浸式虚拟现实系统会更接近实际操作, 但也和实际操作有一定区别。因此, 虚拟现实技术作为一种新型教学手段, 还需和传统实验实训教学相结合, 优势互补, 才能达到更好的教学效果[5]。

摘要：本文首先对电工电子课程内容进行整合, 优化知识结构, 由简到繁, 循序渐进地设计典型项目和学习任务, 然后利用虚拟现实技术的优势, 探索更易操作的“教、学、做”一体化。

关键词：虚拟现实,教学手段,电工电子课程