“理实同步-虚实结合-资源...享”混合式人才培养模式探索_樊泽明.pdf

收稿日期:2 0 2 2-1 1-0 2基金项目:陕西省高等教育教学改革研究项目(重点攻关)“理实同步-虚实结合-资源共享”线上线下混合式人才培养模式探索与实践(2 1 B G 0 0 5);西北工业大学教学改革研究项目(重点)“机器人工程”一流专业建设的研究与实践(2 2 G Z 1 3 0 2 9);西北工业大学教学改革研究项目(重点)疫情防控背景下“线上+线下”混合式教学模式的研究与探索(2 2 G Z 1 3 0 3 0)作者简介:樊泽明,西北工业大学自动化学院陕西省自动化实验教学示范中心主任、教授,工学博士;刘准钆,西北工业大学自动化学院副院长、教授、博士生导师,工学博士;余孝军,西北工业大学自动化学院副教授、博士生导师,工学博士;黄攀峰,西北工业大学图书馆馆长、教授、博士生导师,工学博士。“理实同步-虚实结合-资源共享”混合式人才培养模式探索樊泽明 刘准钆 余孝军 黄攀峰【摘 要】针对当前高校课堂混合式学习存在的三个方面问题,本文给出作者课题组设计构建的一种“理实同步-虚实结合-资源共享”线上线下混合式人才培养模式。该模式具有基于互联网的线上线下同效远程教学实验、个性化知识的自主构建、创造性知识生成与多样化知识表示及资源共享等三大特色功能,有效解决了高校课堂中理论、实验、创新实践三个教学环节的时空分离问题,保障了教师在教学过程的主导性且激发了学生学习的主动性与创造性,实现了学生从入学到毕业期间随时随地学习、实验及创新实践的全程创新型人才培养效果。【关键词】混合式学习 培养模式 远程教学 理实同步 一、引言混合式学习是一种将高校课堂课程与慕课(M a s s i v eO p e nO n l i n eC o u r s e s,MO O C s)有机整合的线上线下混合式学习模式,被认为是提高高校教 学 效 率 的 一 种 全 新 学 习 方 式。12 0 1 6年2月,素有高等教育风向标之称的美国新媒体联盟(NMC)推出了一期 地平线报告(高等教育版),报告称混合式学习己经成为一种卓越人才培养模式,它的学习环境设计与应用推广将是未来高等教育发展的重要方向。2,3随后新媒体联盟 地平线报告2 0 1 7、2 0 1 8连续两年报告中均提到混合式学习设计和广泛应用。4,52 0 1 9年2月2 3日,中共中央办公厅、国务院办公厅印发了 加快推进教育现代化实施方案(2 0 1 9-2 0 2 2年)文件,从顶层设计了十项重点任务和四个保障措施。6但关于混合式学习等教育现代化如何具体构建这一问题更受到世界范围内的广泛关注。7理论、实验、创新实践是行为主义、认知主义、建构主义及联通主义等四大经典学习理论强调的重点,也是在混合式人才培养模式的三个关键环节。8经典学习理论强调:“情景是促进学习的有效途径”,即理论、实验、创新实践一体化同步集成混合式学习,在人才培养中可达到事半功倍的效果。2 0 1 6年英国教育部发布的 英国高等教育白皮书9、2 0 0 1年美国卡内基教学促进会发布 重塑本科教育:博耶报告三年回顾1 0、2 0 1 5年斯坦福大学发布 斯坦福大学2 0 2 5计划1 1、2 0 1 6年麻省理工学院发布 高等教育改革的催化剂1 2等均强调理论和创新实践是人才培养的关键环节。然而,当前混合式人才培养模式存在三个方面关键问题。首先,混合式学习的线下课堂中,理论、实验、创新实践三个教学环节时空分离,见图1,即在空间域,理论在教室、实验在实验室、创新实践在创新实践中心;而在时间域,则是理论在先、实验在中、创新实践在最后,各环节相互独立;以慕课为代表的混合式学习线下部分,只能讲理论,无法进行真实实验和创新实践。导致无论是传统课堂教学还是学生课下学习,造成教师理论讲解难、实验指导难、实践指引难的三难教学模式;对学生则因理解难、实验走形式、实践缺条件造成学习兴趣低、学习效率低、动手能力低的三低学习模式。其次,现有虚拟仿真,若为线上模式,则与真实实验、创新实践分离,若为线下模式,虽然可以与真实实验和创新实践结合,同样出现与理论教学无法同步问题。导致二者无法互补、互85联、互助。最后,因课程实验室、专业实验室、学科实验室独立,虚拟仿真与真实实验分离,各类教学资源缺乏科学统筹规划,导致实验、创新实践资源和理论教学资源关系松散、教学资源重复建设、学生创新实践个性化缺失等问题。图1 混合式学习模式现状针对创新型人才培养模式当前存在的上述具体问题,作者课题组采用“互联网+教育”技术,探索构建了一种“理实同步-虚实结合-资源共享”线上线下混合式人才培养模式。首先,基于教学实验系统的网络控制模型,提出自主补偿网络时延策略,构建了线上线下同效远程教学实验学习环境;然后,以浏览器为混合式人才培养模式的信息交互界面,构建了 个性化知识学习环境,并实现了人才培养模式安全控制策略集成;最后,应用联通主义学习理论,给出创造性知识生成,多样化知识表示及资源共享法,最终探索并实践了一种理论与实践同步、虚拟仿真与真实实验结合、理论教学资源和创新实践资源共享的随时随地线上线下混合式人才培养模式。二、“理实同步-虚实结合-资源共享”线上、线下混合式培养模式构建1.学习环境中线上线下实验与创新实践的同效技术首先,针对现有混合式学习模式中存在理论、实验及创新实践三个环节的时间及空间异步、虚拟仿真与真实实验分离、各类教学资源封闭等问题进行分析,结合工程教育教学需求和网络控制技术,提出并开发一套由设备群、服务器群、教师群和学生群组成的新型混合式学习环境,实现理论、实验、创新实践的一体化集成,为高校课堂提供了一种“理实同步-虚实结合-资源共享”线上线下混合式学习环境,该学习环境中的理实同步是指理论、实验、创新实践同步,虚实结合是指虚拟仿真与真实实验结合,资源共享是指课程实验室、专业实验室、学科实验室共享,以及与理论教学资源有机融合,线上线下混合指的是集成了理实同步-虚实结合-资源共享的慕课课堂和传统课堂通过学习环境有机混合。该学习环境整体采用分层式结构,主要包括用户层(浏览器)、服务层(服务器)和设备层(实验设备)三个层级。其中,用户层主要由在线实验、在线编程、虚拟仿真、用户功能、资源查询等模块组成;服务器层主要由实验数据处理、虚拟仿真模型、远程监控、用户功能后台处理、教学资源(包括:课件、教材、视频)等模块组成;设备层主要由课程实验室、专业实验室、学科实验室内的各种实验设备组成。这三个层次由校园网进行互联,而校园网是一个动态非平稳随机时延系统,该系统因时间、地点、网络通信路径和能力不同及学生访问量变化等随机原因引起通信网络的时延、丢包、乱序等现象,会出现网络延迟问题,导致远程线上实验结果与本地实验不同效、甚至失效的问题。针对远程网络环境下的实验必须与本地真实实验同效这一难题,提出一种多层自主网络时延处理方法,采用大系统理论的自主网络延时、丢包、错序处理机制,解决了由网络的引入而影响实验原理、性能、结果等实验失效问题。首先,构建了由前向通道和后向通道连接用户层-服务器层-设备层的双通道三级改进型S m i t h预估补偿器时延补偿方法。该方法由实验与实践程序、服务器群维调度算法、学习者浏览器呈现、控制周期调度算法、设备安全监测与控制、设备群维调度算法等模块组成。该方法采用“实验设备”及其“仿真模型”双对象与“Q 1”“Q 2”“Q 3”三缓冲区网络时延补偿策略。在前向通道,实验与实践程序 模块输出的信息序列分两路,一路送给 仿真模型 模块,称为信息序列1。另一路送入 服务器群维调度算法模块,称为信息序列2。信息序列2通过网络发送到 控制周期调度算法 模块的前向缓冲区序列Q 1中,控制周期调度算法 模块从Q 1中取出信息,经过 设备安全监测与控制 模块后生成信息序列4,信息序列4进入 实验设备 进行实验与创新实践。这样,信息序列1和信息序列2完全相同,只是信息序列2滞后信息序列1最大时延。在反向通道,仿真模型 响应信息序列1反馈给 实验与实践程序 模块,构成仿真闭环反馈,产生信息序列3;实验设备 响应信息序列2后生成信息序列5,同时通过摄像机采集设备运行状态,生成信息序列6。信息序列5和信息序列6通过网络分别送到浏览器呈现模块中的后向缓冲区序列Q 3、Q 2中,客户端,Q 2、Q 3中的信息序列通过95“理实同步-虚实结合-资源共享”混合式人才培养模式探索 学习者浏览器呈现模块 将以视频、曲线等信息序列表示形式显示给学生。由于 实验设备 及其 仿真模型 基本相同,从而实现响应信息序列3和5基本相同,只是5滞后3两倍的最大时延。在学生群维的浏览器上显示时,Q 3缓冲区中的响应信息序列5从第一个元素开始显示。通过该时延补偿网络结构,不仅补偿被控对象反向通道时延、并将前向通道网络时延排除在实验控制器之外,而且还将干扰反馈通道网络通信时延和干扰前向通道网络通信时延排除在干扰控制器之外,从而解决了混合式学习中本地实验、创新实践与基于浏览器的远程网络实验、创新实践的同步问题。2.个性化知识的学习环境构建与安全控制策略为满足学生个性化算法的编写需求,本学习环境设计了安全闭环实验与创新实践环境。该环境由仿真模型、入口参数、实验与创新实践程序执行、出口参数、程序编辑器、编辑检查、差错监控等模块组成。该实验与创新实践环境由三级闭环组成:一级为实验与创新实践运行环境,即 设备模型 入口参数模块 实验与创新实践程序执行模块 出口参数模块 设备模型 的运行环境;二级为实验与创新实践编程环境,即 设备模型 入口参数模块 程序编辑器模块出口参数模块设备模型 的运行环境;三级为编辑检查环境,即 程序编辑器模块 查错监控模块C编辑器模块 环境。同时,学习环境采用三级安全策略,保障学习环境的安全性:一级安全环境为C编辑器模块 查错监控模块 程序编辑器模块 的反复测试,保证学生编写程序的正确性;二级安全将基于浏览器的程序策略的实验与创新实践环境集成封装,从而保证实验与创新实践环境的可靠性;三级安全采用组态软件封装技术将实验与创新实践设备完全封装,保证设备群维的可靠运行。为解决学生仅通过登录w e b浏览器,即可实现无网络时延的实验程序编辑、编译、运行、实验控制这一难题,学习环境还完成了时延处理算法与编译环境有机集成:学习环境采用C、J AVA等通用性计算机编程语言,作为学生实验、创新实践学习的基本语言,为编辑、编译、运行、实验控制的程序级开放性实验和创新实践提供运行环境,不仅满足大多数学生操作的简易性要求,还实现设备最底层、深度、完全开放的实验、创新实践操作。此外,该环境面向本地客户端设备与远程实验的供需问题,解决了实验设备的个人专有和多人共享这一矛盾,实现了学生从入学到毕业期间时时能学、处处能练。3.创造性知识生成、多样化知识表示及资源共享的培养模式构建联通主义学习理论认为学习存在于混沌、复杂、动态和碎片化的网络结点当中,学习不再是内化的个体活动,而是基于大规模的网络化和社会化的交互过程中,是一个连接建立和网络形成的过程。因此,我们采用“互联网+教育”技术,将设备群维、服务器群维、学生群维和教师群维四个维度集成,将理论、实验、创新实践三类环节有机融合,将慕课与高校课堂二种课堂有机混合,并采用联通主义学习理论,通过其历史使用记录,由深度学习算法进行分析后,采用线下高校课堂与线上慕课无缝混合策略,构建创造性知识的生成系统,完成服务器知识库的自动更新,构建了创造性知识的生成系统;为便于理论、实验、创新实践结果展示,学习环境还根据所生成知识特征,采用曲线、视频、动画、课件等多种知识表示形式,在个人浏览器上以菜单切换模式和同屏显示方式呈现给用户,提高了教学效率和可操作性。设计现实社会、教学环境、认知学习环境的临场感。通过大规模、网络化、社会化的线上交互来帮助学习者在混沌、复杂动态的网络节点中寻找到关键结点,实现混合式学习的线上、线下活动互动,促进学习者与关键结点的深层次交互与意会。课题组探索构建了可随时随地进行“理实同步-虚实结合-资源共享”线上线下混合式学习的人才培养模式,见图2。此外,本培养模式采