构建虚拟仿真实验教学多元评价体系
龚成勇 韩伟 王之君 何香如
摘要：文章以《水电站》课程虚拟仿真实验为例，研究其成绩评价方法，通过研究虚拟仿真实验的特征、评估方法演变及改革思路与模式设计，进行实践应用。经过学生学习效果分析和实践证明，采用多元评价方法评价虚拟仿真实验教学成绩，不仅符合教学规律，适应教学模式，满足课程教学要求，而且在教学各环节均能起到提高学生学习主动性的作用，极大地提高了虚拟仿真实验教学成绩评价的客观性和准确性。
关键词：虚拟仿真实验;教学效果;多元评价方法;能力培养
中图分类号：G642.1 ? ? ?文献标志码：A ? ? ? ? ?文章编号：1673-8454（2020）06-0051-06
一、引言
虚拟仿真实验是学科专业与信息技术深度融合的产物，虚拟仿真实验教学突破了高校传统的实验教学模式，是当前实验教学的发展方向[1]。虚拟仿真实验是通过模拟真实的实验操作环境和实验对象，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展实验[2]。虚拟仿真实验教学除了具有重要的技术特征外，还要满足教学大纲的要求[3]。
笔者认为虚拟仿真实验教学是利用计算机网络、多媒体、信息、数据可视化、虚拟现实和人机交互等技术，融合相关专业原理和数据信息，派生出来的教学形式，其遵从教学的基本规律，具有传统教学的基本属性，像其他课程教学一样，由各环节构成了一个系统，该系统的关键组成主要包括教学主体、教学内容、教学方法、教学载体、实施策略、教学反馈与监管、教学评价和教学进化与发展等。
随着本科生虚拟仿真实验的普及，其教学效果如何考核以及學生成果如何评价，成为本科生课程考核的新问题。兰州理工大学水利水电工程系开设虚拟仿真实验以来，笔者对其进行了深入研究，结合多年教学考核评价的积累，逐步提出针对虚拟仿真实验课程相关的考核方法并不断完善，以便建立一整套适用于虚拟仿真实验的、操作性较强的、具有指标科学明确的质量评估体系。
课程教学多元化考核方法是高等教育发展的必然趋势，虚拟仿真实验教学作为新型的教学手段，其考核方式较传统教学模式而言，采用多元的考核方式有良好的先决条件。基于此，笔者对水利水电工程专业骨干核心课程《水电站》进行了教学改革，通过混合式和项目式教学项目的建设、改革与教学实践，开设了4学时的课内虚拟仿真实验，并将课程的虚拟仿真实验作为考核的分项，成绩列入课程成绩。
白冬松[4]等指出虚拟仿真实验教学可以有效解决传统实验教学缺乏统一、客观、全面、系统的评价考核实验操作过程这一弊端。但由于课程特点和教学环节存在差异，需要探讨如何将多元化的考核方法科学合理地应用于《水电站》课程虚拟仿真实验的教学。我国高等学校课程教学呈现多样化的形式，考核方法也逐步采用多元化的方法，因此，构建虚拟仿真实验教学多元评价体具有极为重要的意义。
二、构建《水电站》课程虚拟仿真实验教学的多元化评价方法
1.《水电站》课程虚拟仿真实验教学能力分解
面对现代水电站工程愈来愈呈现出“空间体量巨大、结构类型多样、施工周期漫长、管理关系复杂”的趋势，加之《水电站》课程涉及水工建筑物学、水能水利规划学、水力机组及其辅助设备、电力与电气设备、计算机网络与监控、机组运行和工程力学等多学科，知识点繁杂，通过课程虚拟仿真实验是为了更好地实施“基础—综合—系统—创新”的培养体系，提高人才培养质量进而适应社会需求。
根据教学改革的总体思路，我们制定了《水电站》课程虚拟仿真实验的教学目标。《水电站》课程虚拟仿真实验教学目标的定位是基于能力培养，即培养分析能力、模型表达能力、提出求解方法的能力、分析求解结果的能力、提出改进方案的能力、编写实验报告的能力、答辩汇报的能力。
2.《水电站》课程虚拟仿真实验平台与实验设计
（1）虚拟仿真平台构建
根据ADDIE（分析Analysis、设计Design、开发Develop、实施Implementation、评估Evaluation）的思想，构建基于仿真系统的课程实验教学执行模型，如图1所示。
模型包含：实验教学教师和学生两个主体，由教学大纲、目标、任务和教学过程设计等要素所构成的实验教学资料，专门仿真实验平台系统，基本的软硬件系统，实验教学实施管理，实验成果评价。
（2）仿真实验内容设计
根据《水电站》教学大纲，基于水电站工程发展，考虑行业人才需求，优化教学内容，构建教学方法，加之分析学生的生理、心理特点以及学习兴趣和其学习过程中的情绪变化、知识结构等特征，构建了本课程虚拟仿真实验项目，通过上机操作完成测试工作，并进行教学资料再组织、再加工，形成最终的实验项目。具体为：水电站枢纽规划布置专题项目、水电站厂房建筑物空间布置、输水系统建筑物流道数值模拟、水电站建筑物结构应力分析和安全评估、水电站机组安装维修、水电站机组运行与故障处理、水电站辅助设备与电气设备故障排查等。
3.《水电站》课程虚拟仿真实验考核方法改革思路与多元评价模式设计
虚拟仿真实验从时间上分为实验前准备、实验进行和实验后整理数据、完成报告并答辩，指导教师和学生既有分工又有合作。
（1）课程改革模型的要素构建
由于虚拟仿真实验关注的是学生实践应用能力的培养，因此成绩考核需要考虑教学内容、教学平台及操作、教学过程与教学成果，还需要考虑学生在成果答辩过程中对实验内容的理解和掌握情况，因此成绩评价应满足教学的全过程、动态性和多元性等特征。分析本课程由教学团队、学生、教学环境、教学素材、教学实施与组织、教学方法、教学评价与反馈等要素构成的教学维度，解析学生的认知规律，研究教学方法，总结教学经验，查阅大量文献，针对本课程教学改革，建立其教学实施模型。模型定义为多维度的教学实施模型，将多维度进行直观表达为“空间”，并重构教学中心任务、教学主体、教学内容、教学方法和教学改革等内容。
（2）成绩考核模型的要素重构
根据虚拟仿真实验的特征构建的模型要素，将考核的对象看成有维度的“空间”，并将各维“空间”按照教学过程中各环节进行有机整合，并对每一维“空间”定义一个量化指标，将其定义为对应的参数。由于虚拟仿真实验过程主要是由学生完成各个阶段的操作，引入“操作”的英文单词“operate”，将“空间”与 “操作”进行有机的耦合构造，将成绩考核转换为评价学生在实验过程中完成“操作”的表现，即得本课程成绩考核模型的雏形，称之为“多维操作模型”。
由于虚拟仿真实验过程表现出“观察力、判断力、想象力、创造力、控制力、执行力和表达力”等七种基本的能力，加之模型用于评价成绩，故称之为基于能力培养的七维操作及评价模型，用英文字母表示为7D-operate，由于实验平台开发以及实验项目的开发植入并遵从ADDIE思想，引入5个动词的首字母来替代单词operate中的每一个字母，又因为成绩考核关注的是实验过程学生的参与表现及实验过程中的成果，用operating代替模型中“操作”，表示考核过程与实验过程的同步连续。采用代数中分配原理，将进行时给每一个单词进行分配，得到五个单词的进行时态，分配后 “operating”恢复成原型“operate”，为了与模型雏形相区分，并用大写字母来表示模型，至此构建出成绩考核模型，即7D-OPERATE（Obeying+Practising + Emphasizing+ Reforming+ Aiming+ Transforming+ Expecting），同样引入ADDIE思想，每一个现在分词均引入5个首字母相同的动词来表示，構造出成绩评价模型的多元性，构造过程由于版面的限制进行省略，简要说明如下：
①遵从教学认知规律：Obeying（Obeying the Cognitive Law of teaching and learning），核心思想是实验过程中需要遵循教与学基本规律的同时，调整并适应虚拟仿真实验的学习。
②实践能力培养：Practising（Practising ability）。具体为培养分析能力、模型表达能力、提出求解方法的能力、分析求解结果的能力、提出改进方案的能力、编写实验报告的能力、答辩汇报的能力。
③强调虚拟平台功能：Emphasizing（Emphasizing virtual platform features），虚拟仿真实验借助流程化、交互性、可视化等特征，有效克服了传统实验的缺点，比较适合活泼的年轻学生，备受他们的喜欢，实现了寓教于乐。
④改革实验学习行为：Reforming（Reforming experimental-learning behavior），更好地形成学习行为循环推进效果，从虚拟仿真实验实现过程中，要求学生能培养适应多种教学场景的学习能力，需要在虚拟仿真实验过程中能够改变学习习惯，更好地提高知识的学习效果。
⑤瞄准虚拟仿真教学内容特征：Aiming（Aiming at the characteristics of virtual simulation teaching and learning），虚拟仿真实验系统有较强的交互性、可视化、数字化、形象化、可重复性、拓展性。为了适应基于可视化设计虚拟仿真实验造成数据信息量倍增的环境变化，实验过程中对学生严格要求。
⑥转变教与学的基本方法：Transforming（Transforming the basic methods of teaching and learning） ，虚拟仿真实验不仅依赖搭建的平台，实验内容的优化重构也非常重要，随着其教与学的不断改革与实践即可形成教学自身进化系统，因此教学改革下虚拟仿真实验教学需要实现教与学方法的转变，最终形成虚拟仿真实验自身的教学实施进化路线。
⑦期待最佳的教学效果：Expecting（Expecting best teaching and learning results），虚拟仿真实验的实施目的是培养学生的知识技能，与此同时此类实验的开设能拓展学生的视野，激发学生的积极性，这是实验设置的又一目标，即美好的期望。
（3）课程成绩评价模型系统分析
通过分析虚拟仿真特征，梳理重构模型要素，引入ADDIE思想，考虑教学环节中教学内容、教学主体、教学方法与认知、教学环境作用关系、信息传达与反馈作用等要素，利用系统分析原理对课程改革模型进行系统分析，得到其功能分析关系图（见图2）。分析图2可知，所建立的评价模型涵盖了实验教学环节的方方面面，不仅涉及实验前、实验中、实验后，也关注学生综合能力的培育，尤其是学习能力以及处理数据的技能培养得到重视，其特征为多元化的特征。
将教学能力目标作为评定依据，量化虚拟仿真实验各阶段的成果、过程表现、操作熟练程度、交流积极性、实验报告质量和答辩效果等内容，进行评定成绩。经过分析研究，对考核的成绩进行了设计，得到相应的成绩结构关系，如表1所示。
综上所述，《水电站》课程虚拟仿真实验的评价是基于上述多元化评定体系，符合课程教学内容，满足了教学改革的基本构想，不仅具有易操作性、可量化性和持续性等特点，其改革思路充分采用多元化考核方式、注重过程管理，培养了学生的创新性思维能力，达到了课程大纲的要求。
三、多元化评价方法在课程改革的成效分析
1.选题分析
本课程以《水电站》压力管道水锤知识点的虚拟仿真实验为例，为了对比分析学生的学习成效，在2019年春季学期完成该实验的班级中，以人数较为接近的两个班级为研究对象， 一个为2016级水利水电工程（以下简称水工），人数57人;另一个为2017级给排水科学与工程（以下简称给排水），人数53人。按照专业进行对比，研究教学成效。
2.基于实验前期准备的教学效果分析
整理两个班级实验前准备信息统计及比较成果，分析成果如表2所示。根据数据可知，两个班的学生在实验前准备较积极主动，途径、方法和利用的资料呈现多样性，学生对实验相关资料进行不同程度的整理，通过多种手段进行不同侧重面的学习准备，并提出相关问题。虽然实验前准备阶段关注的内容各不相同，学习的掌握程度存在差异，但是证明了虚拟仿真实验在实验项目方面满足了大纲要求，符合教学目标，教学素材合理，实验前预习环节设计有效，各方面改革是有成效的。基于此，我们得出虚拟仿真实验教学环节采用多元考核方法的设计思路符合教学规律，考核方法将实验成绩的25%分配给前期准备阶段是合理的。
3.基于虚拟仿真实验过程的教学效果分析
教学过程评价是《水电站》课程虚拟仿真实验多元评价方法的重要组成部分。朱定局[5]在文献中指出，也有少数教学过程评价的研究和尝试。学生在虚拟仿真实验教学平台上不受实际条件限制反复进行虚拟操作，弥补了实验条件的不足[6]。因此，本课程实验过程的落实主要采用以教师评价学生的方式，利用的是虚拟仿真实验与传统实验方法的差异，实验实施过程也是多元评价方法的关键环节，其效果关系到教学质量的达成与否。
本课程考虑到实验过程对能力培养的评价，主要从实验内容及原理、软件操作和成果展示与分析等三个方面展开，数据分析如表3所示。分析数据可知，教学过程是一个教与学相互作用的动态过程，分析学生在《水电站》课程虚拟仿真实验过程中的信息可知，实验实施过程作为课程考核评价的重要环节和内容，关注学生学习过程的参与。实验环节中除了培养学生的建模能力之外，还注重培养其设置求解的能力、分析模拟结果的能力、报告编辑能力。此外，还以实验为载体培养了学生的分析、交流和接触新事物的能力，且教学效果良好，满足了教学要求。因此，本课程将虚拟仿真实验过程作为成绩评价的主要内容，占50%比例，符合工程教育认证评价体系的基本要求。
4.基于虚拟仿真实验答辩环节教学效果分析
向福[7]等认为，通过改革传统的实验报告和实验考试，可以锻炼和提高学生在文献分析、数据处理、问题讨论、成果总结以及语言表达等多方面的能力，让学生体验科研的系统过程，培养学生的科研素养。林丽惠[8]等指出对于实践教学考核， 除了提交实验报告， 增设课程答辩环节。 孟佳娜[9]等提出，实践教学考核增设课程答辩环节后， 部分偷懒的学生就不能再依靠抄袭实验报告来应付实践环节的考核， 激发了他们必须通过努力扎实掌握实验内容，切实保障实践教学应有的教学效果。陶洁[10]等以“水资源规划与利用”为例，提出课程结束的答辩—总结点评，引发后续兴趣和思索空间。为了督促学生学习，达到培养学生能力的目的，需要设置答辩环节。并提出了课设启动之初的思维引导、课设过程中的答疑指导、课设结束的答辩、总结、指导的全过程指导方法以及答辩准备、答辩过程、成绩判定标准的课程设计答辩方式。因此，《水电站》课程虚拟仿真实验也设置了答辩环节。
下面笔者以两个班为例，分析虚拟仿真实验答辩情况，揭示采用多元评价方法的《水电站》课程虚拟仿真实验成绩的效果。比较两个班级学生的答辩情况、实验报告的完整性和所回答问题与本实验内容的相关性等项目，学生的能力得到展示，其余各项相对较低，虽然由于答辩成绩只占总成绩的25%，答辩成绩在一定程度上影响了学生成绩的分级，也对教学效果的分级有明显的影响。因此《水电站》课程实验成绩考核办法采用多元评价方法是符合学习效果的，即能以成绩差异来评价学生能力的分级，这也证明了本课程采用多元评价方法的合理有效性。
为了改善答辩环节的效果，还需要进一步进行调整：第一，合理安排答辩环节，给学生足够的时间去准备答辩。第二，为学生下发相关的学习资料，尤其要下发针对答辩环节有较强指导性的资料。第三，优化答辩模式，利用答辩环节，更好地培养学生的综合能力。第四，为了本课程后续更好地开展，调整评价体系的分值分配系数，增强对答辩环节的考核。
四、结束语
《水电站》课程虚拟仿真实验内容既包括多学科基础知识，也涵盖了虚拟仿真实验的基本型。针对该虚拟仿真实验的特点，展开改革实践，主要有以下四个方面成果：
（1）成绩的评价应该贯穿实验实施的各个环节，建立一套考核成绩多元评价方法，该方法基于多元考核理论，具有操作性强、比重分配合理、构思符合教学基本规律，能够满足工程教育认证的理念要求和以能力培养为主的教学改革需要。
（2）进行了基于多元化考核方法理论分析，提出了本课程考核方法改革的思路，设计了多元化考核模式，并进行了探索性实践研究，分析了學生学习效果。
（3）教学实践表明，基于本课程的多元化考核方式有利于引导学生自主学习、深度学习，能培养学生分析、模型表达、提出求解方法、分析求解结果、提出改进方案、编写实验报告、答辩汇报等多方面的能力，并提高了学习成效。
（4）本课程虚拟仿真实验成绩采用多元评价方法，效果良好，值得参考借鉴。
总之，在目前教育教学改革的要求下，尤其为落实“以学生为中心，以学生学习与发展成效为驱动”的教育理念，更好地贯彻“以产出为导向、以学生为中心、持续改进”的工程教育认证评价体系的要求下，随着本科生虚拟仿真实验的普及，本课程率先进行了教学改革与实践，效果良好尤其针对虚拟仿真实验成绩，采用了多元评价方法，值得参考与借鉴。
参考文献：
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