慕課與虛擬仿真深度融合的實驗教學

葉 飛 廖成竹 章劍波 李艷艷 李慧麗

（南方科技大學 材料科學與工程系，深圳 518055）

在新工科建設背景下，工程教育創(chuàng)新以培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才為目標，創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)已經(jīng)成為新工科專業(yè)培養(yǎng)的共識。實驗教學作為實踐能力培養(yǎng)的重要途徑，在提高學生專業(yè)水平，培養(yǎng)分析解決問題能力和創(chuàng)新能力等方面都有著理論教學不可替代的作用。為了滿足新工科背景下社會對工程技能型人才的需求，在高等教育中需要提高學生綜合運用所學理論知識解決復雜工程問題的能力，這對實驗教學提出了更高的要求。實驗課程內(nèi)容需要減少驗證性實驗，增加綜合性和設計性實驗。實驗課程的授課過程不僅包含實驗操作，還包含一定深度的理論講授，將綜合性和設計性實驗涉及的多種理論和方法融匯貫通，從而將理論課程與實驗課程有效銜接。

傳統(tǒng)實驗教學模式是以線下課堂為主，師生之間的交流局限在實驗課堂中。這種簡單的模式已經(jīng)不適應現(xiàn)代教育的發(fā)展，不能滿足創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需要。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展以及計算機和移動智能互聯(lián)設備的普及，線上學習的方式逐漸被人們接受。學生可以借助計算機、平板電腦、手機等移動設備打破學習的時空限制，隨時隨地學習。以慕課和虛擬仿真為代表的線上教學方法發(fā)展迅速。慕課整合了視頻、文字、習題等數(shù)字化資源和網(wǎng)絡社交工具，形成資源豐富的、多元化的在線課程。虛擬仿真實驗借助計算機仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)，模擬仿真實驗室現(xiàn)實情境和實驗操作，從而豐富教學內(nèi)容，實現(xiàn)真實實驗不具備或者難以完成的教學功能。目前，在中國大學慕課、學堂在線、超星、智慧樹等平臺上線的慕課均達到數(shù)千門以上，在國家虛擬仿真實驗共享平臺“實驗空間”上的虛擬仿真實驗項目已經(jīng)多達2 000余項。線上資源和網(wǎng)絡教學的迅速發(fā)展給傳統(tǒng)的課堂教學帶來了巨大的沖擊和挑戰(zhàn)，但是也為教學改革提供了難得的機遇和方向。

為了實現(xiàn)新工科高校教學改革和人才培養(yǎng)目標，“高教40條”指出，要大力推進現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學深度融合，形成“互聯(lián)網(wǎng)＋高等教育”新形態(tài)。然而，目前多數(shù)工科類課程信息化改革仍然沒有擺脫偏重理論教學的弊端，人們對慕課和虛擬仿真實驗在實驗教學中的應用仍然存在疑慮。雖然慕課能夠在線進行實驗相關理論和操作講解，但是不能體驗實驗操作。因此，信息技術(shù)在實驗教學中的應用更多地強調(diào)將虛擬仿真實驗與線下實驗結(jié)合。然而，虛擬仿真實驗雖然能夠在線上提供實驗操作體驗，但是沒有深入的理論講解。這些問題導致這些新型線上教學工具難以提供接近線下實驗的教學效果和學習體驗，必須與線下實驗教學相結(jié)合，開展混合式教學。同時，因為不能獨立在線上完成實驗教學過程，導致這些線上教學工具仍然是線下實驗教學的輔助，而不是必備活動，所以線下傳統(tǒng)實驗課堂并沒有因為混合式教學而發(fā)生本質(zhì)的變化。

將慕課與虛擬仿真實驗融合，優(yōu)勢互補，形成一體化在線實驗課程，是解決上述問題，推進現(xiàn)代信息技術(shù)在實驗教學中應用的重要途經(jīng)。本文將分別對基于慕課和虛擬仿真的混合式實驗教學的特點和建設情況進行分析，進而詳細介紹將慕課與虛擬仿真實驗深度融合，形成新型在線實驗課程的方法，以及在此基礎上的線上線下混合式實驗教學模式。

一、混合式實驗教學的現(xiàn)狀

在實驗教學中，慕課和虛擬仿真實驗是已經(jīng)得到廣泛應用的兩種重要的信息化技術(shù)。將慕課或虛擬仿真實驗線上教學與傳統(tǒng)線下實驗教學有機結(jié)合，形成“線上+線下”的混合式教學，可以擴展學習的時間和空間，將學生的學習由淺到深地引向深度學習。下面將分別介紹基于慕課或虛擬仿真實驗的混合式實驗教學的基本情況，分析它們在教學應用中的優(yōu)勢和存在的問題。

因為實驗課程的慕課不能提供實驗操作體驗，所以在慕課環(huán)境下建立適合于實驗教學的混合式教學模式是教學模式創(chuàng)新的核心。很多教師已經(jīng)探索了將線上慕課與線下課堂教學相結(jié)合的混合式教學，通常的教學模式如圖1所示。在實驗課前，學生先在線上用慕課學習，掌握相關基礎知識，了解實驗儀器設備基本操作，并提交預習報告；在實驗課上教師僅需講解關鍵知識點，隨后進行實驗操作并初步分析實驗結(jié)果，通過與教師互動討論，解答慕課學習中的問題，進行深層次學習；課后結(jié)合個人情況，利用慕課對實驗進行選擇性復習，對結(jié)果進行深入分析，撰寫并提交實驗報告?；谀秸n的混合式實驗教學主要有兩方面的優(yōu)點。首先，學生可以自主地選擇學習時間和地點，并且自主地控制學習進度，對重點和難點知識還可以反復觀看視頻，從而打破了時空限制。其次，課堂教學可以針對重點內(nèi)容開展深層次學習，提高實驗教學效率，尤其是可以使學生將注意力集中在實驗操作上而不是大量理論講解上。然而，可以看到這種混合式教學模式與基于慕課的理論課程教學模式基本沒有區(qū)別。同時，目前國內(nèi)慕課提供內(nèi)容以視頻、文本為主，實驗課程與理論課程的慕課形式同質(zhì)化。這些問題導致實驗課程慕課和線下實驗課程難以改善傳統(tǒng)教學中實驗能力培養(yǎng)不足的缺陷，這極大地影響了學生在實驗課程慕課學習上的熱情和效果。

圖1 基于慕課的混合式實驗教學模式（圖中斜體文字強調(diào)了與基于虛擬仿真實驗的混合式實驗教學的主要差異）

實驗課程慕課的這些問題也直接影響了慕課資源建設。教育部2017年認定的首批國家精品在線開放課程共490門，其中工科實驗課程僅有2門，僅占0.4%。2018年認定的課程數(shù)量大幅度增加，達到801門。然而，實驗課程的比例并沒有明顯提高，工科實驗課程數(shù)量為4門，仍然僅占0.5%（詳見表1）。雖然教育部計劃從2019年到2021年，完成4 000門左右國家精品在線開放課程建設，但是實驗課程數(shù)量大幅度提升的可能性不大。虛擬仿真實驗可以實現(xiàn)真實實驗難以完成或者不具備條件的教學功能，包括安全可靠地進行高危和極端條件實驗，綠色節(jié)約地進行高成本實驗，可視化地展現(xiàn)不可視的結(jié)構(gòu)或原理等。由于這些優(yōu)點，虛擬仿真實驗成為目前實驗室建設的一個重要發(fā)展方向，在理、工、醫(yī)、農(nóng)、軍事、管理等不同學科均得到了應用，發(fā)揮了積極的作用，在實驗教學中實現(xiàn)了虛實互補，培養(yǎng)了學生的自主學習和創(chuàng)新意識。

表1 2017年和2018年國家精品在線開放課程認定情況

然而，因為虛擬仿真實驗中沒有提供高質(zhì)量視頻或較為詳盡的文字資料介紹相關理論和實驗技術(shù)，所以通常需要將線上教學與線下實驗課堂教學結(jié)合，開展線上線下混合式教學，發(fā)揮傳統(tǒng)實驗教學和虛擬仿真實驗各自的優(yōu)勢。如圖2所示，教學過程與基于慕課的混合式實驗教學類似，同樣可以分為課前預習、課中實驗和課后復習三個階段，但是在具體內(nèi)容上有較大差別。在課前預習中，通過虛擬仿真實驗操作，初步掌握實驗步驟、儀器使用和注意事項，并在虛擬仿真實驗平臺上提交預習報告；在課中，需要進行較詳細的基礎理論講解，然后采取虛擬仿真實驗與實體實驗并行的方式，或者用先進的虛擬仿真實驗項目取代部分線下實驗；在課后，隨時在線上重溫實驗操作，鞏固實驗技能，并在虛擬仿真實驗平臺上提交實驗報告。

圖2 基于虛擬仿真實驗的混合式教學模式（圖中斜體文字強調(diào)了與基于慕課的混合式實驗教學的主要差異）

由于虛擬仿真實驗能夠有效解決實驗資源短缺、時空受限、實驗教學環(huán)節(jié)難以開展等問題，虛擬仿真實驗教學建設具有深遠的現(xiàn)實意義。2017年開始，教育部全面推進示范性虛擬仿真實驗項目建設。如表2所示，近年來國家級虛擬仿真實驗項目申報數(shù)量，認定數(shù)量持續(xù)增加，每年申報項目數(shù)量增加約300～400項，認定項目比例約30%～40%。

表2 國家級虛擬仿真實驗項目認定情況

從上述基于慕課或虛擬仿真實驗的混合式教學的分析中我們可以看到，慕課不能提供與線下實驗教學相近的實驗操作，而虛擬仿真實驗缺乏相關理論知識介紹和梳理，因此兩者都不能提供與線下實驗教學相近的教學體驗，必須與線下實驗教學結(jié)合，才能充分發(fā)揮這些線上資源的作用。這導致了在慕課和虛擬仿真實驗目前的應用中，它們?nèi)匀皇菍嶒灲虒W的輔助，沒有成為教學過程的必備活動。線上教學薄弱的現(xiàn)狀也使得傳統(tǒng)線下實驗課堂的教學活動沒有本質(zhì)的變化。因此，目前基于慕課或虛擬仿真實驗的混合式教學仍然是一種傳統(tǒng)線下教學與網(wǎng)絡教學的“1 + 1”簡單疊加。

二、慕課與虛擬仿真實驗的深度融合

既然慕課和虛擬仿真實驗各自具有鮮明的特點，前者重在理論講授，后者重在實驗操作，那么將兩者結(jié)合，無疑將成為實驗課程教學改革的強大推力。在醫(yī)學、計算機、化學、材料等專業(yè)的實驗課程中均已嘗試了將慕課與虛擬仿真實驗共同應用。慕課與虛擬仿真實驗的聯(lián)合應用實現(xiàn)了優(yōu)勢資源的互補，解決了理論與實踐相結(jié)合的問題。

然而，在這種將慕課與虛擬仿真實驗簡單結(jié)合的實驗教學探索中，一個較為明顯的問題是在教學實施的過程中，僅僅是將“基于慕課的混合式教學”與“基于虛擬仿真實驗的混合式教學”兩種模式簡單混合，將教學模式從原來的“1 + 1”簡單疊加變成了“1 + 1 + 1”簡單疊加。在線上教學過程中，慕課的理論講解和虛擬仿真實驗操作是在不同的平臺上孤立進行的。這導致了在豐富了教學內(nèi)容和手段的同時，大幅度增加了教師教學和學生學習的復雜性和負擔。學生要分別在慕課、虛擬仿真實驗平臺上預習，線下實驗后需要分別在兩個平臺上復習鞏固，在完成實驗報告的同時，有時還需要分別完成慕課或虛擬仿真平臺上設置的問題。

針對實驗教學中慕課與虛擬仿真實驗結(jié)合以及在混合式教學中應用的問題，我們提出了將慕課與虛擬仿真實驗深度融合的線上實驗教學方法。這個深度融合是指將慕課和虛擬仿真實驗在同一個網(wǎng)絡平臺上有機地組合形成一個整體，在線上實驗項目學習過程中，學生可以在慕課講解與虛擬仿真實驗操作之間靈活切換，盡量接近實際線下實驗教學過程。這樣的線上實驗教學將慕課與虛擬仿真實驗的優(yōu)勢互補，形成了與目前單獨的慕課和虛擬仿真實驗都不相同的線上課程。因為這樣的線上學習體驗與線下實驗學習非常相近，所以在我們已建成的線上實驗教學平臺上，將慕課與虛擬仿真實驗融合后的線上實驗課程稱為“虛擬學堂”。

將慕課與虛擬仿真實驗融合的基礎是慕課和虛擬仿真實驗的制作。我們已經(jīng)建設了“材料科學與工程基礎實驗”和“生物材料實驗”的慕課和虛擬仿真實驗，進而將兩者深度融合。以“材料科學與工程基礎實驗”課程中“金屬的拉伸性能與加工硬化”實驗項目為例，這是一個綜合性實驗，實驗步驟較多，設備使用有一定難度。該實驗中將鋁合金冷軋成不同厚度的薄片，測試這些薄片的拉伸性能，使學生理解金屬材料加工硬化和變形的基本原理，掌握冷軋機和萬能力學試驗機的使用方法。在實驗慕課中，主要內(nèi)容包括介紹加工硬化和變形相關理論知識，以及冷軋機和萬能力學實驗機的主要結(jié)構(gòu)，演示實驗步驟和設備操作方法，說明拉伸實驗數(shù)據(jù)處理和拉伸性能分析的方法，并強調(diào)實驗注意事項。教學視頻中用特寫鏡頭展示在線下實驗中學生難以看到的設備關鍵部分和材料變形實驗現(xiàn)象，根據(jù)視頻講述內(nèi)容適時提出問題。對應于慕課中的實驗項目，建設了虛擬實驗，可以在線上體驗冷軋機和萬能力學實驗機的使用。進而，在同一個網(wǎng)絡平臺上，將慕課和虛擬仿真實驗兩者有機地整合成一體，在鋁合金冷軋變形和拉伸性能測試等關鍵節(jié)點位置建立互相訪問鏈接，從而可以在慕課學習和虛擬仿真操作間靈活切換。

實踐表明，“虛擬學堂”實驗教學效果顯著，有效地解決了上述慕課與虛擬仿真實驗結(jié)合中的一些問題，具備了線下教學中理論學習和實驗操作靈活交互的優(yōu)勢，從而提高了學生線上學習的體驗，明顯提高了學生的學習積極性。特別是這樣的深度融合可以使實驗教學可以真正地實現(xiàn)在線上獨立完成實驗教學過程。

盡管“虛擬學堂”具有許多優(yōu)點，但是虛擬實驗畢竟缺乏線下實驗的真實環(huán)境，缺少真實動手操作。要培養(yǎng)學生的動手能力、合作精神和創(chuàng)新意識，需要實實在在的實驗操作，學生親手實驗、親身經(jīng)歷是線上實驗無法替代的。因此，需要將融合后的慕課和虛擬仿真實驗與線下實驗教學有機結(jié)合，通過混合式教學，發(fā)揮最大功效。

在慕課和虛擬仿真實驗深度融合的基礎上，一個完整的混合式實驗教學流程仍然可以用課前、課中和課后三個階段來描述。如圖3所示，在課前，學生在“虛擬學堂”在線預習，了解實驗相關基本原理、儀器設備和注意事項，進行虛擬仿真實驗操作，并在線提交預習報告。在預習報告中，基于在線學習和實驗操作，說明實驗中使用的材料、實驗操作主要步驟和關鍵實驗參數(shù)，對于設計性實驗要求提出實驗方案。在課中，進行線下實驗操作，部分難以實現(xiàn)的實驗同樣采用實體實驗與虛擬仿真實驗并行的方式。課后學生進行數(shù)據(jù)分析，完成實驗報告，并可以利用“虛擬學堂”復習鞏固，在線交流答疑。因為線上學習過程中學生已經(jīng)獲得了接近線下實驗教學的體驗，因此線下教學過程中可以實現(xiàn)以學生為主導的教學，教師只在關鍵實驗操作步驟和發(fā)現(xiàn)問題時予以指導，從而提高了學生獨立思考和解決問題的能力。在這個過程中，視頻學習和虛擬仿真實驗靈活交互，實體實驗和虛擬仿真實驗并行，形成線上線下深層次交互的混合式實驗教學。

圖3 基于“虛擬學堂”的混合式教學模式

三、慕課與虛擬仿真實驗深度融合的優(yōu)勢和意義

從這些探索性應用中，我們可以看到將慕課與虛擬仿真實驗技術(shù)深度融合的優(yōu)勢主要包括以下幾個方面。

首先，慕課與虛擬仿真實驗的結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)勢資源互補。慕課教學用視頻的形式將實驗相關理論知識和較為復雜的實驗操作展示給學生，使學生能夠在線預習，但是無法解決學生在實際操作中可能出現(xiàn)的問題。虛擬仿真實驗利用其直觀、安全等特點，允許學生嘗試設置大量不同的實驗條件，可以有效解決實驗操作中存在的問題，從而實現(xiàn)慕課教學和線下實驗教學無法滿足的教學目標，但是學習過程中又缺少深入的理論和實驗講解。因此，將這兩種線上教學手段聯(lián)合應用，可以達到資源優(yōu)勢互補的目的。

其次，慕課與虛擬仿真實驗深度融合后，形成了一體化的新型線上課程，可以獨立地在線上完成實驗教學過程。在慕課講解理論知識后，虛擬仿真實驗又通過逼真的模擬實驗場景，帶領學生走進三維立體的虛擬實驗空間，體驗實驗操作。在混合式實驗教學中，這樣具有一定獨立性的線上課程才能夠不僅僅作為教學活動的輔助，而是成為教學過程的必備部分，從而帶動傳統(tǒng)實驗課堂改革，在混合式教學中可以基于線上學習開展更加深入的教學。

最后，將慕課與虛擬仿真實驗融合，實現(xiàn)了理論與實踐相結(jié)合的教學目的。學生可以在線觀看視頻和講義等資源，學習實驗相關理論知識，然后用虛擬仿真實驗初步掌握實驗操作，同時通過在線交流，及時解決學習中遇到的問題，并完成線上測試檢驗學習效果。對不熟悉的知識可以在線上反復學習、反復實驗。這樣的過程能夠?qū)⒗碚撝R與實踐應用緊密結(jié)合，使學生牢固掌握理論知識和實驗技能，顯著提高學生運用理論知識解決復雜工程問題的能力，滿足新工科人才培養(yǎng)的需要。

四、結(jié)語

為了滿足新工科背景下社會對工程人才的需求，在人才培養(yǎng)中需要重視學生應用理論知識解決復雜工程問題的能力，這對實驗教學提出了更高的要求。為適應現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，需要不斷推進信息技術(shù)與實驗教學的融合，利用信息化技術(shù)改進和豐富實驗教學手段，探索適合于實驗教學特點的混合式教學模式。

慕課和虛擬仿真技術(shù)是當今新興的兩種技術(shù)手段，慕課可以提供高質(zhì)量的視頻和豐富的資源，而虛擬仿真實驗可以提供模擬真實實驗的場景。將兩者深度融合，在線上學習過程中可以在視頻講授、文字說明和虛擬仿真實驗之間靈活交互，形成新型線上實驗課程，從而實現(xiàn)了慕課與虛擬仿真實驗的優(yōu)勢互補，為學生構(gòu)建全方位的線上學習和實驗操作條件。在教學模式上，這種新型線上實驗課程具有獨立性，能夠獨立地在線上完成實驗教學，從而在線上線下混合式實驗教學中，成為教學活動的必備工具，改變傳統(tǒng)線下實驗教學，使線下實驗教學可以基于線上學習成果開展深入學習，形成線上線下深層次交互的混合式實驗教學模式。在人才培養(yǎng)上，新型線上實驗課程兼顧理論學習與實驗技能培養(yǎng)，尤其是在綜合性和設計性實驗中，將相關的多種理論知識和實驗方法緊密結(jié)合，學生可以在線上反復學習、反復實驗，從而提高學生運用理論知識解決復雜工程問題的能力，滿足新工科人才培養(yǎng)要求。