國內高校材料學科虛擬仿真實驗教學的發展探究

王曉敏?高志強?閆晉文

摘 要：我國高校材料學科虛擬仿真實驗教學工作還處于起步階段。本文分析了我國涉及材料學科的國家級虛擬仿真實驗教學中心和示范性虛擬仿真實驗教學項目的建設現狀，歸納了材料類虛擬仿真實驗教學課程特點。同時分析了材料類虛擬仿真實驗教學工作中存在的問題，即虛擬仿真教學資源開發工作滯后于材料學科發展以及各高校教學的差異化需求，導致虛擬仿真實驗教學課程還不能滿足材料學科發展的需要。應當圍繞虛擬仿真實驗教學中心和虛擬仿真實驗教學項目建設內容，以問題和需求為導向，根據高校自身特點，加強產學合作，加快當地經濟急需專業的虛擬仿真實驗教學資源建設，完善教學考核評價制度，引導虛擬仿真實驗教學在全國范圍內均衡發展。

關鍵詞：虛擬仿真;實驗教學;信息化建設;材料學科;教學資源

虛擬仿真實驗教學是我國高等教育信息化建設的重要內容[1-12]。2013年教育部高等教育司印發了《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》（教高司函〔2013〕94號），標志著虛擬仿真實驗教學中心建設工作正式啟動[13-15]。隨后我國在2013年、2014年和2015年先后批準建立了共300個國家級虛擬仿真實驗教學中心，有效推動了高校實驗教學改革和創新工作[16]。為了快速實現優質實驗教學資源的開放共享和高效集約應用，2017年教育部辦公廳印發了《教育部辦公廳關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》（教高廳〔2017〕4號），規劃自2017年至2020年分批認定1000個示范性虛擬仿真教學項目，形成高等教育信息化實驗教學項目示范新體系[17]。為貫徹落實教育部關于高等教育信息化建設工作會議精神，我國在2018年（教高函〔2018〕6號）、2019年（教高函〔2019〕6號）和2020年（教高函〔2020〕8號）分別認定了105、296和327個國家虛擬仿真實驗教學項目。至此，我國虛擬仿真實驗教學工作已經由“中心建設”為主的初級普及階段，轉換為以“項目建設”為主的全面實施階段，建設目標由“局部應用共享”發展為“大規模在線開發共享”。虛擬仿真實驗教學建設方式和建設目標的轉變反映了我國對高校實驗教學自身內涵發展的迫切需求，對推進高校實驗教學優質資源的建設與應用有重要意義[18]。

在我國已經建設的300個國家級虛擬仿真實驗教學中心中[1，19]，材料類的教學中心有5個，占總數的1.67%;而在目前認定的三批次共728個國家虛擬仿真實驗教學項目中，沒有將材料專業作為大類進行獨立規劃，而是將材料類的虛擬仿真實驗教學項目劃歸至機械大類之內。根據教育部關于2017—2020年示范性虛擬仿真實驗教學項目的建設規劃（教高廳〔2017〕4號），在2020年材料類將作為示范性虛擬仿真實驗教學項目分類之一，擬認定20個材料類國家虛擬仿真實驗項目，該數量占年度總數（350個）的5.71%。這一方面反映出材料類虛擬仿真實驗教學形式逐漸受到重視，另一方面也能夠看出材料學科虛擬仿真實驗教學工作還處于起步階段。

一、材料類國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設現狀

根據《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》的精神（教技〔2012〕5號），教育部自2013年開始，連續三年分別批準建設了100個國家級虛擬仿真實驗教學中心，其中的5個材料類國家級虛擬仿真實驗教學中心名單如表1所示。這5個材料類國家級虛擬仿真實驗教學中心分布于4所高校之中，4個中心建設于“雙一流”建設高校，并且3個中心位于首都北京。

另外，這4所高校中的3所為教育部直屬高校，并且2所高校位于京津地區，1所高校位于珠江三角洲地區。以上分析結果表明，一方面位于北京市的教育部直屬“雙一流”建設高校在虛擬仿真實驗教學中心建設工作中起到了模范帶頭作用，另一方面反映出獲批的國家級虛擬仿真實驗教學中心匯聚于優質教育資源集中或經濟發達地區。國家級虛擬仿真實驗教學中心的集聚現象，與高校接受先進教學理念的緊迫性和資金投入量有較大關系[20-21]。然而，這種平臺建設發展不均衡現象與建設虛擬仿真實驗教學中心的“共享優質實驗教學資源”的核心思想相悖。但是，集中建設具有示范和引領作用的虛擬仿真實驗教學中心對持續推進我國高校實驗教學信息化改革還是起到了不可忽視的作用。

二、材料類國家虛擬仿真實驗教學項目的建設現狀

為了使虛擬仿真實驗教學在全國得到均衡發展，以支撐高等教育教學質量的全面提高，我國在加強虛擬仿真實驗教學平臺建設的同時，又開展了實驗教學項目建設工作[22-23]，并且在2017年教育部印發的《教育部辦公廳關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》（教高廳〔2017〕4號）中，明確提出優先支持向中西部高校，特別是西部地區高校定向在線開放的虛擬仿真實驗教學項目。

目前我國已經認定了2017年度（首批）來自全國91所高校的105個國家虛擬仿真實驗教學項目（教高函〔2018〕6號）、2018年度來自186所高校的296個國家虛擬仿真實驗教學項目（教高函〔2019〕6號）和2019年度來自193所高校的327個國家虛擬仿真實驗教學項目（教高函〔2020〕8號）。表2列出了2017、2018和2019年度的國家虛擬仿真實驗教學項目的認定詳情。由表2可以看出，2017年度認定的首批實驗教學項目被劃分為8大類，2018年度認定的項目類型增加至23類，增加了將近2倍，2019年度認定的項目數量又增加4類。根據教高廳〔2017〕4號文件中的規劃，2020年度的認定學科分類為27類，認定項目總數將增加至350個。每年的認定實驗教學項目分類和內容是根據全國高校實驗教學需求和實驗教學項目建設情況等因素做適當調整后的結果。

盡管在目前公布的《虛擬仿真實驗教學項目建設指南》中，將材料類的實驗教學項目歸納到機械大類之中，然而，由于學科交叉的原因，其他大類中也有部分涉及材料的項目。根據表3、表4和表5分別列出的2017、2018和2019年度涉及材料的虛擬仿真實驗教學項目名單可知，2017年度認定的項目包括來自4所高校的4個項目，2018年度認定的來自13所高校的14個項目，2019年度認定的來自16所高校的16個項目。圖1給出了2017、2018和2019年度材料實驗教學項目的占比情況，同時與2020年擬認定材料類實驗教學項目的占比進行了對比，可以看出近3年來我國對材料類虛擬仿真實驗教學項目的支持力度逐漸加大。

值得注意的是，目前認定的3個年度涉及材料的虛擬仿真實驗教學項目分布于全國19個省市自治區，除了京津地區、長江三角洲和珠江三角洲地區等經濟發達地區之外，還有湖南、湖北、陜西、山西和甘肅等中西部地區，并且中西部地區的項目超過三分之一（圖2）。同時，認定項目分布于31所高校之中（部分高校多次獲批項目），由圖3給出的3個年度認定項目所在高校隸屬關系和辦學層次分布可知，省屬高校和普通高校也占有不小的份額。以上分析結果進一步說明了國家虛擬仿真實驗教學項目建設充分考慮了不同區域和不同層次高校對實驗教學項目運行的需求，提高了地方高校參與實驗教學項目信息化建設的積極性。

由此可見，國家虛擬仿真實驗教學項目建設在不降低立項門檻水平的前提下，傾向于以學科建設水平為評價依據，而不以學校整體實力為依據，避免了地方省市的普通高校在與北京名牌高校的競爭中毫無優勢的尷尬局面，有利于虛擬仿真實驗教學新模式的快速普及。建設目標更加明確，建設內容更加精準，建設方式更加靈活，有利于地方高校在某一優勢學科建立一些地方經濟急需的虛擬仿真實驗教學項目，以更好地支持當地經濟的發展。

三、材料類虛擬仿真實驗課程的特點

根據《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》（教技〔2012〕5號）、《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》（教高司函〔2013〕94號）及《教育部辦公廳關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》（教高廳〔2017〕4號），虛擬仿真實驗教學理念是以全面提高學生的創新精神和實踐能力為宗旨，以搭建信息化實驗教學平臺和共享優質實驗教學資源為目標，建立實驗教學、科研實踐和創新創業3個教學實驗硬件平臺，通過授課教學、科學研究、實踐實訓和技能考核四種方式，提升高等教育實驗教學質量和實踐育人水平。就材料學科領域而言，根據專業設置或研究領域可以將材料類虛擬仿真實驗教學課程劃分為基礎理論、材料設計、材料加工、材料器件和材料應用等五大類型。圖4歸納了材料類虛擬仿真實驗教學課程的設置思路。

根據國家虛擬仿真實驗項目建設的目標，實驗教學內容堅持以問題為導向，重點解決真實環境實驗條件不具備或運行困難的教學實驗，包括比較危險、極端環境、高消耗、高成本、不可逆操作及大型綜合訓練等實驗內容;同時堅持以需求為導向，緊密結合高校發展方向和專業特色，緊密結合當地經濟發展對急需專業人才的需求及產業發展的最新成果，因此目前認定的實驗教學項目內容豐富，各具特色[24-26]?；谝陨显?，不少高校除了在材料科學與工程、材料加工工程、無機非金屬材料、高分子材料、復合材料與工程、冶金工程等材料學科傳統專業開設虛擬仿真實驗課程之外，近年來還開設了包括新能源材料、納米材料及先進材料等在內的新興材料虛擬仿真實驗教學課程。

利用虛擬仿真技術與高校實驗教學相結合，增強了實驗的交互性、沉浸感和臨場感，因此不僅能夠激發學生對新知識探索的興趣，而且還會加深學生對知識點的理解[27-30]。同時，老師授課過程中結合圖形或動畫，豐富了課程內容，減輕了講授負擔，提高了教學質量。另外，開設虛擬仿真實踐實訓課程，較好地解決了學生實習基地不足、內容針對性不強或動手機會過少等實習問題。就材料測試/表征方面的虛擬仿真實驗課程而言，老師可以給學生反復演示完整的實驗過程，還可以結合模型講解儀器構造及其工作原理，學生也能夠在虛擬環境中仿真操作，這不僅克服了學校大型儀器數量不足等難題，而且解決了學生實踐機會較少，對設備構造及測試原理掌握困難等問題[31]。

四、材料類虛擬仿真實驗教學中存在的問題

虛擬仿真實驗課堂是培養人才和服務科研的全新實踐教學平臺，然而目前開發的課程還不能滿足材料學科發展的需要，主要體現于課程內容不成體系、評價方法不健全、產學銜接不緊密。這種局面除了與材料學科實驗教學信息化建設起步較晚有關之外，還與虛擬仿真實驗教學資源的開發滯后于材料學科的發展，以及高校對實驗教學需求各不相同有較大關系。

為此，教育部一方面鼓勵高校根據自身專業特點和學科建設強項，集中優勢資源，自主開發具有知識產權的虛擬仿真實驗教學資源;另一方面出臺政策支持產教深度融合，促進教育鏈和人才鏈與產業鏈和創新鏈的有機銜接，并通過產學合作協同育人項目，用產學研用相結合的模式，讓企業與學校合作開發專業虛擬仿真實驗教學資源，共建教學內容和課程體系[32]。

同時，教育部也提出要持續改進虛擬仿真實驗教學考核評價體系，建立高校教學成果互認和學分轉換機制，引導國內高校虛擬仿真實驗教學得到均衡發展[33]。另外，根據2020年2月印發的《教育部關于公布2019年度普通高等學校本科專業備案和審批結果的通知》（教高函

〔2020〕2號），國內有4所本科院校將在2019年度增設“虛擬現實技術”本科專業。虛擬仿真技術作為標準課程進入教學大綱，將有效推動虛擬仿真實驗教學在高校中的普及，也反映了社會發展對虛擬仿真技術人才的迫切需求。根據以上分析，采取多元化的模式，加快優質虛擬仿真實驗教學資源建設;加強校企合作，促進教學與產業緊密銜接，消除產業快速發展和循序漸進施教之間的矛盾;完善教學評價制度，差異化地考核不同區域、不同類型高校、不同特色專業的教學成果是材料類虛擬仿真實驗教學改革中亟待解決的問題。

綜上所述，盡管國內材料學科虛擬仿真實驗教學工作還處于起步階段，但是在高校實驗教學改革和信息化建設中備受重視。我國材料學科虛擬仿真實驗教學改革政策保障有力，社會驅動力強大，發展前景光明。我國優先支持向中西部高校定向在線開放的虛擬仿真實驗教學項目建設，有利于虛擬仿真實驗教學在全國高校中均衡發展。以問題和需求為導向，材料學科虛擬仿真實驗教學課程已經初具規模，教學體系已顯雛形。虛擬仿真教學課程開發滯后于材料學科發展以及高校實驗教學需求的差異化，導致實驗教學課程還不能滿足材料學科發展的需要。以多元化模式建設實驗教學資源，加強校企合作，不斷豐富教學內容和完善課程體系，并且健全考核評價制度，引導材料學科虛擬仿真實驗教學健康發展，是目前材料類虛擬仿真實驗教學工作中的重點內容。

參考文獻：

[1] 蔡慧英，陳明選. 智能時代數字教育資源建設與發展研究[J].現代遠距離教育，2019，183（3）：74-81.

[2] 張波，方祖華，葉宏.新工科人工智能教育型人才培養模式研究[J].現代教育技術，2019（8）：113-119.

[3] 蘭國帥，郭倩，魏家財，等. 5G+智能技術：構筑“智能+”時代的智能教育新生態系統[J].遠程教育雜志，2019（3）：3-16.

[4] 田陽，萬青青，陳鵬，等.多空間融合視域下學習環境及學習情境探究[J].中國電化教育，2020（3）：123-130.

[5] 徐進. 2013年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作小結及2014年申報建議[J].實驗室研究與探索，2014，33（8）：1-5.

[6] 胡凱，鄭興福，陳如松，等.江蘇高校實驗教學示范中心共享平臺建設與實踐[J].實驗室研究與探索，2014，33（8）：144-147.

[7] 劉加彬，祖強，魏永軍，等.江蘇省實驗教學與實踐教育中心建設探討[J].實驗室研究與探索，2016，33（2）：133-142.

[8] 李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013，32（11）：5-8.

[9] 孫淳.國家級虛擬仿真實驗教學中心分布特點與立項建議[J].實驗科學與技術，2019，17（2）：146-151.

[10] 杜玉寶，孫淑強，亓文濤.虛擬仿真實驗教學信息化平臺的建設與思考[J].中國現代教育裝備，2016，249：26-28.

[11] 寧曦，陳省平，謝曉倩，等.虛擬仿真實驗在海洋科學實驗教學中的應用[J].教育現代化，2018，14：160-163.

[12] 王森，李平. 2014年國家級虛擬仿真實驗教學中心分析[J].實驗室研究與探索，2014，35（4）：82-86.

[13] 贠冰，孫建林，熊小濤，等. 材料虛擬仿真實驗中心建設及共享的思考與實踐[J].實驗技術與管理，2018，35（10）：197-199.

[14] 劉秀清，葛文慶，焦學健，等.國家級虛擬仿真實驗教學中心建設與管理[J].實驗技術與管理，2018，35（11）：225-233.

[15] 盧艷麗，董文強，王永欣，等.材料類專業虛擬仿真實驗教學中心的建設與實踐[J].實驗室研究與探索，2018，37（11）：153-157.

[16] 劉加彬，熊宏齊，孫岳明，等.江蘇省高校實驗教學示范中心運行和發展機制的探索[J].實驗室研究與探索，2015，34（12）：140-143.

[17] 劉海波，沈晶，王革思，等.工程教育視域下的虛擬仿真實驗教學資源平臺建設[J].實驗技術與管理，2019，36（12）：19-22.

[18] 祖強，魏永軍.國家級示范性虛擬仿真實驗教學項目申報策略探討[J].實驗技術與管理，2018，35（9）：236-238.

[19] 李順，王震，溫柳，等.虛擬仿真實驗教學中心的發展現狀探析[J].科教文匯，2019，459：77-78.

[20] 李魯閩，陳凱.新工科背景下虛擬仿真實驗在化工專業教學中的應用[J].廣東化工，2019，46（14）：213-214.

[21] 祖強，魏永軍.國家級虛擬仿真實驗教學中心建設現狀探析[J].實驗技術與管理，2015，32（11）：156-158.

[22] 王衛國，胡今鴻，劉宏.國外高校虛擬仿真實驗教學現狀與發展[J].實驗室研究與探索，2015，34（5）：214-219.

[23] 王士凡，堵錫華，董黎明，等.高分子材料與工程專業虛擬仿真實驗教學的探索[J].教育現代化，2019，42：132-133.

[24] 熊宏齊.國家虛擬仿真實驗教學項目的新時代教學特征[J].實驗技術與管理，2019，36（9）：1-4.

[25] 李亮亮，趙玉珍，李正操，等.材料科學與工程虛擬仿真實驗教學中心的建設[J].實驗技術與管理，2014，31（2）：5-8.

[26] 吳金棟，任光輝，黃東鍵，等.基于虛擬仿真技術開展實踐教學改革的研究與實踐[J].實驗室研究與探索，2018，37（5）：240-244.

[27] 白強，肖海連，杜芳林，等.虛擬仿真技術在材料科學與工程實驗教學體系中的應用[J].青島科技大學學報（自然科學版），2018，39（1）：163-164.

[28] 李艷霞，顧軼卓，李敏，等.復合材料固化工藝評價與優化虛擬仿真實驗[J].實驗技術與管理，2019，36（12）：170-173.

[29] 羅曉東，尹立孟，王青峽，等.基于虛擬仿真技術的實驗教學平臺設計[J].實驗室研究與探索，2016，35（4）：104-107.

[30] 耿志挺，陳學軍. 材料力學虛擬仿真實驗系統的設計與開發[J].實驗室研究與探索，2019，38（5）：98-101.

[31] 林珊，陳翠霞，羅小林，等.材料現代分析技術虛擬仿真實驗教學思考[J].化學工程與裝備，2018，10：280-283.

[32] 李立國. 高等教育內涵式發展下的高水平人才培養體系建設：邏輯框架與作用機制[J].清華大學教育研究，2020（6）：10–19.

[33] 熊宏齊.“雙一流”建設中高校實驗技術隊伍持續發展之思考[J].實驗技術與管理，2018，35（9）：7-10.

[本文系2017年山西省高等學校教學改革創新重點項目“基于雙一流建設下的本科生創新能力探究”（編號J2017018）的階段性研究成果]

[責任編輯：余大品]