新工科背景下虛實結合的實驗教學模式研究

付百學，朱榮福

(黑龍江工程學院 汽車與交通工程學院，哈爾濱 150050)

高等工程教育是我國高等教育的核心部分，注重提高學生的工程實踐素質，培養學生工程實踐創新能力。我國工程教育專業認證體系于2016年6月實現了與國際實質等效，極大地推進了工程教育改革走向深入。教育部2018年1月頒布的《普通高等學校本科專業類教學質量國家標準》再次強調以學生為中心，以產出為導向和突出持續改進，要求我國高等院校要結合“一流本科、一流專業和一流人才”建設，完善高質量、多樣化的人才培養體系。教育部啟動一流本科專業“雙萬計劃”建設和一流本科課程“雙萬計劃”建設，提出我國高等教育一流課程“高階性、創新性、挑戰度”建設標準，明確指出，虛擬仿真實驗教學應根據學校自身特點，致力于解決實驗實訓教學老大難問題；堅持問題導向，重點解決實際運行困難或真實實驗條件不具備的問題，涉及到極端環境或高危環境，消耗高、成本高、操作不可逆、大型綜合訓練等問題；堅持需求導向，重點解決專業特色和行業產業發展需求緊迫問題、實踐能力培養需求緊迫問題。實踐教學過程是高等院校工程教育的重要環節，網絡互聯技術和計算機技術的快速發展，為實踐教學模式的虛實結合提供了廣闊空間，對于高質量人才培養起到了重要作用[1]。

一、虛實結合實踐教學模式研究現狀

教育部2010年發布的《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)》首次明確提出建設虛擬實驗室，鼓勵開發和共享網絡教學資源，加強教育信息化建設。國內高校教育信息化建設歷經十余年，目前在MOOC、虛擬實驗教學和虛擬實驗室建設等方面取得了一定成效。

哈爾濱工程大學將計算機虛擬仿真技術引入課程實驗教學，通過虛擬仿真實驗系統，驗證設計方案的可行性，彌補了傳統實驗的缺陷；國防科學技術大學開發的云實驗教學平臺融合了真實硬件實驗環境和遠程實驗環境，可服務于學生課程實驗、創新性實驗，以及課程設計、畢業設計，很好地解決了實驗室資金投入大、環境重復建設、儀器設備大量堆疊和實驗資源利用率低等問題；華中科技大學開發的虛擬實驗教學項目，做到虛實互補、能實不虛、以虛促實，開發的能獨立運行或實體實驗的項目，效果獨特；南通大學將真實實驗和虛擬實驗進行整合，構建課程實驗教學體系，實現虛實結合、優勢互補，并搭建開放式實驗教學管理平臺，實時更新實驗教學內容，學生可自主或合作學習，進行創新性實踐研究，采用多元化實驗教學評價體系，為開放式虛實結合實驗教學的高效進行提供保障[2]。

虛擬實驗教學能有效地解決傳統實驗教學存在的諸多問題，但本身也尚存不足。只有將傳統實物實驗和虛擬仿真實驗有效整合，形成虛實結合、優勢互補的實踐教學體系，才能更好地啟發學生進行自主性、創新性和探究性學習，培養學生的團隊協作精神，提高學生工程實踐能力、創新能力和綜合素質。

二、應用虛實結合實踐教學模式的必要性

(一)傳統實驗教學的不足

(1)傳統實驗教學通常采用“一講、二練、三考核”的方式進行，其教學內容有限、模式單一，學生被動學習。

(2)傳統實驗教學課程資源單一，實踐教學資源基本以教材為主，缺乏儀器設備功能展示、實驗操作視頻演示、實際應用擴展、關聯高新技術介紹等，學生對實驗內容未能全面理解和深刻思考，只駐留在想象中[3]。

(3)傳統實驗教學模式單一，多為驗證性或演示性實驗，教師以板書的形式講解實驗目的、內容、操作注意事項等，再進行操作示范，實驗過程枯燥抽象，學生學習印象不深，理解不透。由于實驗學時有限，教師不能進行知識回顧與拓展，對于復雜知識與實驗效果對比，不能直觀演示，且由于時間和場地限制，學生大都只能完成驗證性實驗操作，實驗興趣與創新意識未能得到充分激發。

(4)傳統實驗教學缺乏實際生產線所具備的廠房、儀器設備等生產一線的硬件，學生沒有直觀感受，對實驗儀器和元器件只有表面了解或僅為完成實驗，雖能對理論進行驗證與計算，但未能對實驗項目進行科學分析、調試與設計，難以滿足學生主動性、創造性和個性化學習的需求[4]。

(5)隨著新技術不斷出現，傳統實驗教學需要的儀器設備應不斷更新，需要大量資金投入和場地空間。

(二)虛擬實驗教學的優勢

(1)虛擬實驗教學綜合運用網絡技術、多媒體技術、虛擬現實技術和計算機仿真軟件等，通過軟件模擬技術達到傳統真實實驗的效果[5]。

(2)虛擬實驗教學利用虛擬網絡資源建立針對課程的工廠生產線操作流程，或制作實驗教學視頻，學生可反復觀看，實驗過程清晰明確，實驗效果顯著[6]。

(3)虛擬實驗教學可使學生在虛擬工廠中參與生產全過程，學生如同身臨其境，可全面熟練地掌控生產流程，在具體操作中鍛煉解決實際問題的能力。

(4)虛擬仿真實驗教學可利用云平臺遠程教學，學生在課前可自主學習相關內容并進行仿真實驗，課上進行實物實驗，可很大程度地提高學生學習的自主性和學習效率。

(5)虛擬仿真實驗只需要一臺聯網計算機，即可模擬儀器設備功能，利用虛擬現實技術真實再現實驗過程，節約成本和空間，且無須各種實驗耗材，實驗過程安全性高。

(三)實踐教學采用虛實結合模式的必要性

虛擬實驗教學雖然具備諸多優勢，也存在不足：

(1)傳統實驗過程會隨機出現實驗元器件損壞、線路故障等情況，而虛擬仿真軟件則為程式化、理想化模型，不利于培養學生針對突發情況的應急處理能力[7]。

(2)傳統綜合性實驗通常較復雜，需諸多學生合作完成，有利于培養學生的團隊合作意識和交流溝通能力，但虛擬仿真軟件普遍缺失該項功能。

(3)教師在虛擬實驗環境中，不能面對面地指導學生實踐。

實驗教學只有采用虛實結合的模式，才能充分發揮虛擬實驗的優勢，彌補傳統實物實驗的不足。同時激發學生的學習興趣和專業熱情，引導學生自主學習，形成以學生為主導的交互式學習氛圍[8]。

三、虛實結合實踐教學體系新形態

(一)制作實驗教學微課，創建多元化實驗課程

采用新媒體技術，以文字為基礎，將實驗教學內容以微課形式進行展示；錄制視頻，進行實驗操作演示，將高新技術納入視頻，擴展實驗內容。通過互聯網發布微課視頻，使學生擁有豐富的學習資源，學生通過課下觀看進行課前預習，通過課內學習，有充分時間交流與互動，解決疑惑以及鞏固學習內容。學生可結合自身差異，選擇學習內容，也可基于微課擴展內容進行綜合實驗設計，還可通過基礎實驗關聯高新技術，衍生新想法，培養創新思維和創新能力。

(二)開設虛擬仿真實驗，進行混合式實驗教學

虛擬仿真實驗將信息技術與學科專業進行深度融合。加強校企深度合作，充分利用企業實踐教學資源和支持服務能力，整合校內信息化實驗教學資源，突出學生創新能力和綜合實驗設計能力培養，建設用于虛擬仿真實驗的內容豐富和多元協同的實驗教學資源，推進實驗教學方法的虛實結合。

虛擬仿真軟件有虛擬儀器功能，元件庫豐富，分析功能強大，能實時顯示數據和圖形，能自動調試。學生利用實驗虛擬仿真軟件，可在課余時間進行實驗項目設計與仿真，進行分析總結，再到實驗室進行驗證，完成由虛到實的混合式實驗，實現實驗過程的綜合訓練，培養自主學習能力和開拓創新能力。

(三)構建“互聯網+”實驗教學體系新形態，實現學生主動性和創造性學習

采用實驗教學微課和進行虛擬仿真實驗，有利于學生快速理解和掌握實驗技術，為學生主動性、創造性學習創造了良好條件。學生高效率做完實驗后，基于實驗教學微課和虛擬仿真實驗，自主進行實驗設計，驗證實驗相關理論，加深理解基礎理論知識，解決實驗過程中出現的問題。另外，還可結合專業知識，進行創新性實驗項目設計與研究，如教師指導學生開展大學生創新創業項目訓練，合理安排實驗內容和實驗進度，通過對實驗數據進行分析總結，進一步優化設計理論，完善創作作品，學生創新思維更加寬闊，創造能力不斷提升，解決復雜工程問題的能力得到訓練，真正做到學以致用、自主創新。實驗教學微課、虛擬仿真實驗、實物操作和多學科專業交叉融合，構建了“互聯網+”實驗教學體系新形態[9]。

(四)運用優質虛擬仿真實驗教學資源，創新虛實結合的實驗教學新方法

充分利用國家虛擬仿真實驗教學共享服務平臺中的優質虛擬仿真實驗教學資源，同時積極挖掘校內外虛擬仿真實驗教學資源，有效地開展線上實驗教學活動，促進一流課程共享服務體系建設，形成專業布局合理、教學效果優良、開放共享有效的高等教育實驗教學新體系，提高高等教育實驗教學質量和實踐育人水平[10]。

合理制定線上實驗教學實施方案，根據實驗目的、要求和實驗內容覆蓋的知識點等核心要素的匹配情況，擇優選取可采用的虛擬仿真實驗教學項目資源，開展線上實驗課程和線上線下混合式實驗課程教學。線上實驗課程的基本實驗教學單元涵蓋專業基礎課程實驗、專業課程實驗、專業方向或涉及該專業的前沿學科領域實驗，線上學科前沿實驗課程的基本實驗教學單元涵蓋一個專業或相關專業的前沿學科領域實驗，符合經濟社會產業發展對人才培養目標的要求。

線上線下混合式實驗的基本教學單元由虛擬仿真實驗項目和實體實驗項目組成。以課程實驗為主，引入符合人才培養目標和經濟社會產業發展的虛擬仿真實驗項目。針對實體實驗項目，應淘汰簡單驗證性、陳舊落后的實驗項目，保留優質、綜合性的實驗項目，通過優化實體實驗項目內容、減少實體實驗項目學時數，為引入虛擬仿真實驗項目創造條件。

(五)采用開放互動式實驗教學模式，激發學生創造力和潛能

建立以專業導師具體負責、大學生創新團隊積極參與的專業工作室，突出其工學結合、創新創業能力和實踐能力培養特色，進行開放互動、虛擬結合的實驗教學模式推廣，為人才培養模式創新開辟新路徑，學生可突破實驗教材、實驗學時和實驗場地的限制，根據教學需要或興趣愛好選擇實驗項目或自行設計課題，由導師指導獨立完成實驗，可將創意帶入實驗，學生變成實驗的主體，充分發揮其個性和潛質，激發其靈感和創造力，從而提高學生學習動力、實踐能力和綜合素質。

(六)虛擬現實技術、可穿戴設備和增強現實技術為信息化實驗教學提供強力支撐

虛擬現實(VR)技術涉及到計算機圖形學、傳感技術、人機交互技術和人工智能技術等，由各種傳感器、仿真軟件和計算機硬件構成三維虛擬環境，借助于虛擬現實數據手套、眼鏡、頭盔和光學位置追蹤系統等設備捕捉操作者的位置和動作信息，經過虛擬現實處理系統，通過3D立體顯示系統將操作結果進行反饋，操作者如身臨其境，可多人協同交互[11]；增強現實(AR)技術包含三維建模、多傳感器融合、多媒體、實時跟蹤及注冊、實時視頻顯示及控制、場景融合等新技術，利用頭盔顯示器將真實信息與虛擬信息同時疊加到同一畫面或空間，實現二者無縫集成。

通過構建與課堂平行的三維虛擬環境，師生之間可實時交互、完成學習任務和參與集體活動，教師還通過虛擬環境與異地學生進行交流與輔導；引入電腦、白板、反饋裝置、無線投影儀等高新信息設備，滿足學生各類學習活動需要，激發學生學習自主性。學生進行自主化、個性化、交互式實驗操作，可觀察到現場實驗不能獲得的實驗現象，驗證實驗方案，強化知識運用，同時創新思維也得到訓練。

四、虛實結合實踐教學模式的應用與發展思考

采用虛實結合實驗教學模式，虛擬仿真軟件可視化，教學過程師生良性交互，學生實際動手操作，大大地提高了學生學習的主動性和趣味性，學生利用移動端可隨時訪問教學資源，獨立分析問題、思考問題，養成良好的終身學習習慣。

虛實結合實驗教學模式以混合式學習、設計與合作學習為主，逐漸更加注重學習測量和重新設計學習空間，未來趨勢為推動創新文化和深層學習方法。物聯網技術、移動學習、自適應學習技術、人工智能、學習管理系統以及自然用戶界面等六大技術將對虛實結合實驗教學質量產生重要影響。

目前要解決提高數字化素養、整合正式與非正式學習問題，未來還將面臨推進數字化公平、應對知識過時和反思教育者的角色等嚴峻挑戰。

五、結束語

實驗教學是學生鞏固專業知識、培養工程意識和創新意識、掌握工程實踐技能和創新能力的重要途徑、采用虛實結合的實驗教學模式，突出運用融合計算機技術、互聯網技術及大數據技術的信息化技術，極大地改變了實驗教學環境、內容與模式，豐富了實驗教學資源，能激發學生學習興趣，為學生提供學習便利，使學生及時學到新知識、掌握新技能，有助于培養大學生的創新精神和創新能力，有助于提升學生解決復雜工程問題的能力，推動高等教育工程化、戰略化和國際化的教育教學改革不斷走向深入。