基于“线上线下”、“虚实结合”的智能实验与实践教学体系的应用
来源：河南应用技术职业学院 作者：赵扬 何璐红 岳瑞丰等 发表于：2019.03.29 874浏览
人类社会进入二十一世纪，信息技术已渗透到经济发展和社会生活的各个方面，人们的生产方式、生活方式以及学习方式正在发生深刻的变化，全民教育、优质教育、个性化学习和终身学习已成为信息时代教育发展的重要特征。
《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》明确指出：“信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视”。为进一步推进落实其中关于教育信息化的总体部署，教育部又颁布了《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》及《教育信息化“十三五”规划》。
随着国家“创新驱动发展”、“中国制造2025”、“互联网+”、“新工科”等重大战略部署，以教育信息化带动教育现代化，教学信息化改革成为必然趋势。目前，理论课程与信息化技术融合发展进行了较多探索，获得了在线开放课程、MOOC公开课等形式的成果；但是，实验与实践等环节的课程仅仅停留在虚拟仿真等形式，存在着片段化、分散化和失真化等缺陷。怎样使信息化技术推进实验与实践教育发展，尤其是将信息化技术与整个专业实践环节系统融合是值得研究的难题。
为解决这一难题，2015年初，河南应用技术职业学院与莱帕克（北京）科技有限公司、河南莱帕克化工设备制造有限公司联合成立“莱帕克”化工设备研发中心，通过将互联网和物联网等新兴技术植入教学各个环节，创新“互联网+化工实践”模式，构建化工实践教学平台，从而构建了基于“线上线下”、“虚实结合”的化工智能实验与实践教学体系，把产业行业对人才的各种能力需求融入实践教学各环节、引入实践教学全过程，最终培养具有较强行业背景知识、工程实践能力以及引领行业发展需求的“新工科”人才。
一、技术方案
信息化课程建设的理念是以学生为中心、以能力为重点和关注学习过程。信息化课程建设的重点是实现三个转化：将教材转化为支持学习的数字化资源，将学习内容转化为学习过程和学习活动，将结果性评价转化为发展性评价。信息化课程设计的关注点是平台、内容和活动。
该成果在开发过程中根据化工生产以及现代教育的特点，依托互联网和物联网等新兴技术，通过构建化工实践教学平台，实现了知识讲授、操作训练和实践考试三个环节的线上虚拟学习与线下实际操作有效融合，具体思路见图1，技术方案如图2。
图1 智能化工实验与实践教学体系逻辑图
图2 智能化工实验与实践教学体系技术路线
二、成果的核心概念及意义
1、核心概念
“线上线下”、“虚实结合”的智能实验与实践教学体系是将互联网和物联网等新兴技术植入到教师教学、学生学习、学习成效反馈等过程中，通过构建化工实践教学平台，实现化工实践过程线上线下相互结合、互相贯通、互相促进，将线上虚拟学习与线下实际操作有效融合，共同完成实训教学环节，形成新型教学组织模式，实现教学与学习的智能化。
2、意义与价值
该成果围绕实现化工实践教学学习目的、学习内容、学习方式、学习情境、学习内涵的五个改变，探索实现“线上线下”、“虚实结合”的化工实验与实践教学模式。
该模式可以促进学生知识领会能力、工程技能的提升及职业素养的养成；可以培养学生的化工思维、化工技能和化工素养，形成自主学习的习惯，具备适应化工业发展的能力；可以变“结果验证”为“兴趣激发”，做到“玩中做”、“做中学”、“学中玩”；
可以变化工实践的“装置操作”为“情境再现”，通过3D仿真演示和“生产线”模拟，实现行业企业工作场景的虚实结合，从而实现“沉浸式”学习；可以变“单一操作”为“团队协作”，使学生在实践过程中通过角色分工、协作一致，完成实践教学任务，树立工程理念、积累工程素养。
三、成果的主要内容
该成果包含“智能学习系统”和“实验实践平台”两大模块。“智能学习系统”包含“管理员”、“教师”、“学生”三个子模块；“实验实践平台”包含“标准化实验室”、“实验装置”和“实习装置”三个子模块。该成果通过化工工艺流程的认知、化工装置的学习、化工装置的模拟与实际操作、全过程的考核等功能促进学生知识领会能力、工程技能的提升及职业素养的养成。
1、智能学习系统
智能学习系统围绕互联网展开，将管理者、教师、学生连接到网络平台上，通过物联网技术将实验装置（3D装置）以及学习资源也接入到网络平台上（如图3所示）。
图3 智能学习系统
（1）管理者
智能学习系统管理者包括实验室管理员、二级学院管理员和学校管理员，实行分级管理，逐级监管。实验室管理员页面由通知、教务管理、平台管理、组织机构、账号五个模块组成。管理员可在系统上发布新闻通知，对教师信息、学生管理、教师分类等进行分类管理。
管理员通过浏览器登录账号（如图4所示），能够为教师和学员分配系统账号，实现实验教学数据的实时分析（如图5所示），可以对历史数据进行统计分析，为实验教学质量评价提供一手资料，为持续改善实验教学质量提供客观数据，满足工程认证评价体系的要求。
图4 实验室管理员登录系统界面
图5 管理员统计信息图
二级学院管理员通过该系统可以把握教学动态、学生学习的状态和效果、实验装置利用率等，从而全面把控二级学院实验室的各方面情况，做到宏观把控、整体布局。
学校管理员担负着全校实验室的组织管理工作，为二级学院管理提供平台操作、信息技术等层面的支撑，以保障系统的顺利运行。作为学校管理员应及时了解各二级学院实验室的活动动态，并起到督促作用。
（2）教师
教师可通过浏览器登录账号，进行课程管理、题库管理、测试考试管理等。教师可在课程管理页面创建课程；在题库管理页面添加选择、判断等理论试题；在测试考试页面为实验添加理论试卷，供学生网络答题；在实操训练页面进入装置的三维模拟实景训练，完成认识设备、模拟训练、实验考试等活动，协助完成课前准备。
图6 教师操作界面
（3）学生
学生通过浏览器登录账号，可进行在线学习：在“我的课程”查看教师上传的课程资料；在“实操训练”里查看装置视频动画或进行3D实景模拟训练，完成模拟练习与考核；在“在线测试”中可以看到教师针对实验配置的理论试卷，可在线进行理论题测试。
图7 学生操作界面
2、实验实践平台
实验实践平台包含三个平台：“标准化实验室”、“实验装置”和“实习装置”。
（1）标准化实验室
该实验室以满足工程认证为前提，体现责任关怀，贯彻HSE管理体系，规范化建设实验室，提出区域化概念，包括设备区、防护区、工具区、中控区等，如图8所示。
图8 标准化实验室
（2）实验装置
基础实验装置是学生学习的起点。该成果加入可视化设计理念，管路系统均透明化，流体内部流动状态全程可视；实验装置具备网络信息化智能系统，可进行自动权限识别；考评系统可判断学生操作的正确性。如图9、图10所示。
图9 可视化实验装置
图10 信息化智能装置
（3）实习装置
实践能力是新工科建设的重要内容，该成果以模块化的理念搭建小中试生产线，实现虚实教学与真实物料生产，包含多种工艺单元，实现多学科交叉与融合，不仅适合学生实习，还可完成科研实验，如图11所示。
图11 模块化的实习装置
四、成果创新
1、创新“互联网+化工实践”模式，实现“虚实结合”，突出“以学生为中心”的理念
该成果通过线上“互联网+化工实践”的化工实践平台，实现了教学资源的学习、实践装置的认知与操作、学生学习成效评价等教学功能；通过线下的实验室进行综合学习和训练，提高实验效率，降低了废物排放、危险因素等，实现了“环境友好型”化工教学。
2、发挥“化工实践平台”作用，实现“线上线下”协同，突出“化工行业岗位需求技能”的提升
该成果通过建设规范化化工实验室、系列化的化工实验实践装置等，形成项目广度和难度梯度，从而形成实验实践平台。利用全模拟技术将不当操作现象虚拟呈现，提高了“绿色化工”意识，提升了岗位技能。
3、拓展实践教学内涵，突出学生职业素质的培养与提升
通过“以学生为中心”的自主学习与训练，该成果将“新工科”对应的教学、教育理念承载在化工实践中，将岗位责任、岗位意识、质量观念灌输其中，同时在实践项目中增加环保指标评价、技术指标评价、经济指标评价等内容，加强对生产过程对环境和社会可持续发展影响的评价意识，培养团队合作意识，提升沟通能力，培养工程职业道德，培养和提升职业素质。
五、下一步计划
1、进一步丰富实验实践装置的数量和功能，丰富实验实践的项目和内涵
课题组将进一步建设规范化的化工实践室、系列化的化工实践装置等，进一步完善化工实践平台，为该成果的“线下”实验、实习提供硬件保障。
2、在智能学习平台设计上进一步体现“趣味化”，激发“闯关式学习”的欲望
为激发学生学习兴趣，培养学生解决实际问题的能力，课题组把化工实践的各个环节设置成“闯关”模式，将进一步使学习界面生动化、形象化，提高答题闯关的趣味性。
3、进一步拓宽使用面，实现“随时”“随地”的泛在学习方式
课题组将进一步丰富网络学习资源库，为高校、企业提供学习培训新模式，为化工行业各层次学历教育与非学历培训提供时间灵活、方式多元的进修学习条件，为建设学习型企业和员工职业生涯发展提供教育服务。
六、推广应用
2015年3月至2016年6月，项目完成了包含具有交互学习功能的“智能化学习系统”和具有工程背景的“实验实践平台”体系的研发，该成果已广泛应用于高校实验实践教学及企业生产技能培训等。
该成果在河南应用技术职业学院经过两届学生试用，取得了良好的教学效果与系列化成果，并借助河南化工职教集团进行推广，目前已在济源职业技术学院、河南工业职业技术学院、河北化工医药职业技术学院等省内外高职院校进行推广应用。
随着“新工科”在河南的落地和推广，该成果入选郑州大学牵头编写的“新工科”建设书籍——《化工实验与实践》，在郑州大学、河南工业大学、西北工业大学等高校进行试用，为“新工科”的落地提供可借鉴的范式。
该成果在职工培训方面提供了有效的支撑，在宝舜科技股份有限公司、开祥化工有限公司等企业技术骨干培训中，有效提高了培训效果。
随着持续推广和用户的认可，在“新工科”建设以及高校专业工程认证的机遇下，该成果应用前景广阔。（本项目获得“2018年度河南省教育信息化优秀成果奖（创新应用类）”一等奖。）