素質拓展課程的虛擬仿真實驗教學改革與實踐

杜曉超　袁顯寶　張永紅　張彬航　毛璋亮

摘 要 針對傳統實驗教學內容和教學模式的不足，在素質拓展課程中開展虛擬仿真實驗教學改革。實踐證明，線上線下相結合的虛擬仿真技術實驗形式自由多變，對提升學生參與度和改善教學效果作用顯著。

關鍵詞 素質拓展課程 核工程 虛擬仿真實驗

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

實驗教學是工科專業培養學生創新精神和實踐能力的重要途徑，“新工科”背景下開展傳統實驗課程教學模式改革，可有效提升學生對實驗實踐環節的重視程度，同時培養適應社會快速變革的高素質人才。三峽大學開設面向全校所有專業開放的素質拓展課程《核科學技術及應用》，并增加素質拓展課程中的實踐教學環節，在傳統實驗教學的基礎上，開展虛擬仿真實驗教學改革，旨在培養學生的綜合素質和處理復雜問題的能力，更好地為辦好國家級一流本科專業服務。

1實踐教學改革目的

統計數據表明，全國高校在校學生約有35%為工科學生，實驗實踐教學承擔著培養學生的實踐能力、創新能力和跨專業整合能力的教育功能。傳統實驗教學內容相對單調，實驗設備種類單一且技術落后，開展虛擬仿真實驗教學改革的研究，增加開放性的實驗內容，可有效增加學生實驗參與程度和動手實踐經驗。

《核科學技術及應用》課程包括核醫學、核儀器儀表、核農學及放射性同位素技術等內容，在實驗室條件下實現相關設備儀表的操控、工作原理的驗證、實踐環節的訓練以及工業生產過程觀摩等的實驗內容，難度很大。借助虛擬仿真技術手段可以將不同專業領域的理論和實驗直觀、立體的展現在學生面前，結合實物模型或圖片、視頻資料等，易于理解和接受。依托核工程專業虛擬仿真實驗室開展，包括理論教學和實踐教學兩部分。實驗教學部分開設的實驗內容有：設備模型室參觀、反應堆控制演示模型、燃料循環模型等。

2實驗教學設計

2.1實驗項目的分級設計

從靈活度、開放性、多樣化的特點入手，改變原有實驗內容和教學形式，將實驗教學實行分級進行其中包括體驗型性實驗、設計性實驗和3D建模實驗等三級內容。

（1）體驗型實驗：包括核設備虛擬仿真操作、核電廠虛擬漫游、核燃料虛擬換料等內容，借助虛擬仿真技術手段，使學生提升體驗增加實踐經驗。

（2）設計性實驗：包括核產品概念設計、核技術應用工作原理、模型設計等，充分考慮不同專業的學科特點，盡可能讓各專業學生都能發揮其在不同領域的特長，同時啟發思維，培養科學創新能力。

（3）3D模型實驗：圍繞相關涉核設備的制圖和3D打印等任務設置開放性實驗內容，訓練學生的涉核設備和應用技術的文獻調研和數據處理能力，以及工程制圖能力等。

2.2線上線下相結合教學模式設計

《核科學技術及應用》虛擬仿真實驗教學項目是在國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務平臺——實驗空間（網址：http：//www.ilab-x.com/）平臺上進行，面向高校和社會免費開放并提供教學服務，同時由教育部組織相關部門進行持續監管。線上實驗項目分為實驗學習和實驗考核兩個欄目，不同設備的實驗項目彼此獨立。靈活采用“線上線下”相結合的教學模式，不僅為“新工科”背景下核工程類、能源動力類、機械工程類等專業的人才培養服務，也為廣大的高年級工科學生提供創新性實驗平臺和學科競賽平臺，使學生接受更加全面、深入的工程素質教育，增強創新能力。

3實驗教學實踐

《核技術及應用》課程的教學對象涵蓋了全校所有專業，近三年參與本課程學習的學生數近500人，包括理工類、醫學類、文科類和藝體類等多專業領域的學生。開展虛擬仿真實驗教學改革，學生的參與度獲得提高，特別是跨專業學生的學習興趣增加。針對跨專業學生開設創新型實驗，目的是考察學生的工程實踐創新意識，所以實驗考核應以過程考核為主，結果考核為次。例如，《核技術及應用》創新實驗目的旨在引入新鮮理念，用非專業的思維方式探索核領域，從技術思路、原理、方式等環節不成熟或帶有不確定性，但實驗創意、特色、交流與討論等方面表現可能很突出，所以對素質拓展課程創新實驗的考核方法不能以實驗結果作為主要考核依據，需要注重實驗過程的考核。

線上實驗課程的開展是以核電站系統與設備虛擬仿真實驗平臺為基礎，以教學班級為單位，參與線上虛擬仿真實驗項目的在線學習和在線操作考核，并獲得實驗成績。特別是今年春節新冠疫情爆發后，防控期間廣大師生返校受阻，各專業教學啟動線上課程的教學模式，核電站虛擬仿真實驗項目的線上實驗課程極大地助力了教育部“停課不停學”教學計劃。

4總結

隨著90后、00后逐漸成為大學生群體的主力軍，具有強烈個人意識色彩的他們不再滿足于單一教育教學方法，而更渴望個性化的培養模式。虛擬仿真實驗教學為個性化的大學生培養模式提供可能。通過《核技術及應用》虛擬仿真實驗使學生了解和接觸相關產品研發、設計、制造及生產管理過程，獲得對工業生產過程的感性認識和實際體驗;通過參與創新型實驗，鍛煉學生創新思維能力，綜合運用所學基礎知識和基本技能分析問題和解決問題。實踐證明，立足課堂扎實有效的開展虛擬仿真課程的創新，具有良好的教學效果。

基金項目：項目資助：2018年三峽大學教研項目“基于《核科學技術及應用》課程的混合式幕課建設與實踐研究”（J2018008） ;2019年三峽大學“課程思政”專題項目“《核科學技術及應用》課程思政”（J2019008）。