基于数字教育平台的装备类课程智慧教学研究
印敏滕义超孟鑫杨磊
［摘要］装备类课程的实装教学存在人力物力投入大，可支撑人数少，教学时间和场地受限等问题，“互联网+”和“VR+AI”技术的数字教育平台可以推动传统装备教学方式的巨大转变。通过研究融合数字模拟与“互联网+”技术优势的开放式装备教学运行架构，提出了基于能力图谱和知识图的知识矩阵分解方法，运用AI技术构建了“智适应评测和导学”体系平台，提出基于翻转课堂的线上线下混合式教学模式，提高装备教学效率。
［关键词］智慧教学；数字教育平台；VR；AI；混合式教学
［基金项目］2021年度国防科技大学本科和任职教育教学研究课题重点课题“‘为战抓教气象海洋专业组训能力培养机制研究”（U2021213）；2022年度国防科技大学校级教学成果培育项目“气象海洋专业生长军士培养创新与实践”（65），“构建军士职业本科人才培养体系——以气象海洋专业为例”（174）
［中图分类号］G642.0［文献标识码］A［文章编号］1674-9324（2023）14-0149-04［收稿日期］2022-10-03
现代装备种类繁多，集成度高，技术发展迅速，建设场地和造价成本要求高，维护复杂，因此装备类课程的实装教学存在人力物力投入大、可支撑人数少、教学时间和场地受限、不便于设置故障等一系列问题。随着虚拟现实技术（VR）与人工智能技术（AI）以惊人的速度发展和应用，装备类课程的教学方法和教学模式有了巨大的变化。充分利用“互联网+”和“VR+AI”技术，构建开放集约型装备数字教育平台，对改进传统的实装教学模式，创新开展装备类智慧教学方法的研究具有重要现实意义，使装备教学全方位、多层次、看得清、有互动。
一、数字教育技术发展现状
VR生成集视觉、听觉和触觉于一体的逼真的三维世界，突破了时间、空间和其他条件的限制，自2015年左右开始应用于虚拟仿真实验教学，对教育领域意义重大。我国许多高校都建设了虚拟仿真实验教学中心，进一步推进虚拟现实技术与实验教学的深度融合，拓展实验教学内容的广度和深度［1］。大量学者与研究人员在VR课堂教学、创新创业教育、非正式学习空间等方面开展了广泛而深入的研究［2-4］。VR技术虽然给我们带来了全新的教学思维和服务体验，但是其在智慧校园中的应用还处于探索阶段，依然面临虚拟仿真系统孤岛、与实装教学衔接不成体系、效果分析评价不及时等问题［5］。
目前，人工智能技术在教育中的应用尚处于起步阶段。AI的一大优势在于能够通过教育状况、课堂互动、社交媒体等数据的采集，分析学生的学习能力、学习兴趣和潜力，制定最佳的学习方法［6］。AI技术以教师的多年教学经验为基础，通过数据挖掘与人工智能算法，为学生提供全程个性化评测，甚至可以智能推送个性化导学的内容，解决师生沟通不及时等问题，真正实现教学过程以学生为中心。
二、开展装备类课程智慧教学的方法思路
改进传统的装备类课程教学模式，首先要利用数字新技术构建数字教育新平台，在新平台下研究装备智慧教学的新模式和新方法。图1所示为装备智慧教学的体系思路，“互联网+”、数字模拟和AI是装备智慧教学的技术基础。在构建联网开放式装备教学架构的基础上，需要对知识体系进行分解，便于学生学习掌握和自我测试；可以分别从能力和知识体系的角度划分知识内容，按能力图谱和知识图谱將某一门课或者某一个领域的知识体系分解为知识矩阵，便于在知识矩阵的基础上，运用VR、AI等数字化教育技术，建立可探索、可互动的数字化“智适应导学”和“智适应评测”平台体系；可以充分利用已建数字教育平台及资源，采用线上线下和翻转课堂的混合教学模式，从体系设计的角度寻求课程内容与教学方法手段的最佳匹配，促进学生与教师的双向交流与提升，发挥数字教育平台的最大优势。
（一）融合数字模拟与“互联网+”技术优势的开放式装备教学运行架构
装备教学应打破传统实装教学时间、场地和人数固定的弊端，充分利用网络技术和数字仿真技术，构建如图2所示的开放式装备教学架构，体系化拓展装备教学思路和理念。
开放式装备教学能充分满足学生随时随地自主学习的需求，要求在教学建设上体现更体系化、智能化、网络化的特点。在模块内容的形式设计上，可以从基本的在线课程、模拟仿真训练器拓展到自我学习训练、自我测试评价、自我探索导学等方面；在展现形式上，可以从通用性、基础性场景拓展到复杂性和案例性场景，可以借助三维互动进行展示，模拟真实装备，既能生动形象地展示复杂概念，又能逐一探究装备内部的复杂结构，多元触发反馈，模拟实际故障情况，使装备教学“看得清、有互动”，还可以自己编写和设计脚本，不断积累更新案例；在学习使用模式上，既可以按部就班地按章节单元模式系统化学习，也可以从岗位任职需求出发，采用问题式学习法。
（二）基于知识图谱和能力图