多維度探索提升化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果與改革實(shí)踐

張連明，李旦，李建平，聶瑾芳，袁亞利

（桂林理工大學(xué)，廣西桂林 541004）

隨著信息化教學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，在教學(xué)過(guò)程中使用先進(jìn)的設(shè)備或者技術(shù)有效促進(jìn)教學(xué)的發(fā)展，已經(jīng)成了現(xiàn)今教學(xué)發(fā)展的普遍趨勢(shì)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)集合了最新的技術(shù)及載體，有效促進(jìn)了教學(xué)方法的改革。隨著虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的擴(kuò)大化建設(shè)，綜合利用、深入利用、交互式容錯(cuò)利用、創(chuàng)新性智能化應(yīng)用的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于知識(shí)面的補(bǔ)充。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為一種新興的教學(xué)方法，研究充分利用其特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)來(lái)提升教學(xué)效果是非常有意義的[1-4]。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的發(fā)展及現(xiàn)況

根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》，我國(guó)在2013年啟動(dòng)了國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的評(píng)審活動(dòng)，共批準(zhǔn)了300 個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)[5]。根據(jù)本科學(xué)科門類中專業(yè)類的當(dāng)前布局和發(fā)展情況，結(jié)合高校專業(yè)類實(shí)驗(yàn)室建設(shè)情況和專業(yè)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化發(fā)展需求等因素，統(tǒng)籌規(guī)劃到2020年認(rèn)定1 000項(xiàng)左右示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，由于疫情原因，規(guī)劃建設(shè)時(shí)間延長(zhǎng)至2021年。2019年，教育部發(fā)布《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見(jiàn)》，將國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目納入一流本科課程建設(shè)，計(jì)劃2021年建設(shè)1 500 門左右國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程[6]，經(jīng)過(guò)前期三年多的建設(shè)，目前已認(rèn)定“國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程”的項(xiàng)目有700 余門，覆蓋了41 個(gè)專業(yè)類，168 個(gè)專業(yè)[7]。

桂林理工大學(xué)為工科地方性院校，學(xué)校努力完善教學(xué)與科研的硬件資源配置，但是，由于臺(tái)套數(shù)的限制，學(xué)生在實(shí)際動(dòng)手能力及大型儀器實(shí)踐方面略遜于老牌名校，在一定程度影響了學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。自2011年以來(lái)，桂林理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院開(kāi)始建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，現(xiàn)擁有自建化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目23 個(gè)，其中大型化工制藥（虛實(shí)結(jié)合）、生物工程（虛實(shí)結(jié)合）及大型儀器分析實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（虛擬仿真）各1 個(gè)，其他如質(zhì)譜儀、核磁共振儀、粉末衍射儀等相關(guān)虛擬仿真資源60G[8]。同時(shí)，借助國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享300 多個(gè)服務(wù)平臺(tái)的化學(xué)、生物科學(xué)、化工制藥類資源，打破資源壁壘，積極在理論、實(shí)踐課程中增加虛擬仿真教學(xué)，結(jié)合學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、儀器模型分析、自主搭配虛擬實(shí)驗(yàn)儀器、自主分析和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)過(guò)程等，有效提高學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、資料檢索、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題、創(chuàng)新實(shí)踐等能力[9]。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題

我國(guó)部分高校的虛擬仿真教學(xué)較為片面化，部分高校因自建的虛擬仿真教學(xué)資源較少，一般院校均將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源作為實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的拓展，或者作為模擬大型生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源，未能有效利用虛擬仿真技術(shù)和載體所輻射的教學(xué)資源，同時(shí)也未能有效深入拓展新的教學(xué)模式[8]。

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)容錯(cuò)技術(shù)亟待提升

目前大部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容均以“下一步動(dòng)畫(huà)”學(xué)習(xí)和“點(diǎn)鼠標(biāo)”操作為主，在實(shí)踐過(guò)程中，由于智能技術(shù)的限制，部分軟件僅有一條正確的操作主線，實(shí)驗(yàn)流程幾乎沒(méi)有容錯(cuò)率，無(wú)須思考，學(xué)生通過(guò)點(diǎn)擊鼠標(biāo)和操作鍵盤即可完成該部分的理論教學(xué)和實(shí)踐操作內(nèi)容學(xué)習(xí)，游戲操作模式雖然容易吸引學(xué)生的興趣，但在“下一步動(dòng)畫(huà)”操作中，學(xué)生未能有效汲取相關(guān)知識(shí)內(nèi)容，學(xué)習(xí)過(guò)程中的有效參與度較低[9]。

2.2 交互及協(xié)作應(yīng)用較為簡(jiǎn)單

由于“高投入、高風(fēng)險(xiǎn)、高難度、難理解、難實(shí)施、難再現(xiàn)”這些限制條件，目前，除配有實(shí)訓(xùn)工廠的大型虛擬仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目以外，絕大多數(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目從理論認(rèn)知-實(shí)驗(yàn)操作-實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交均為單人操作。實(shí)際上由于實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性和不可重復(fù)性，部分操作需要團(tuán)隊(duì)協(xié)作和輔助，因此在軟件設(shè)計(jì)中要充分考慮到團(tuán)隊(duì)配合[10]。另外，目前所擁有的“生生交流”“師生交流”等交互功能，大部分是以交互板塊、屏幕共享、線下交流等方式實(shí)現(xiàn)，在思維引導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)流程指導(dǎo)、錯(cuò)誤操作提示、實(shí)驗(yàn)反思、實(shí)驗(yàn)報(bào)告反饋等方面的線上指導(dǎo)設(shè)計(jì)還不夠完善。

2.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)拓展資源使用不夠充分和靈活

虛擬仿真技術(shù)是一門集合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及軟件工程技術(shù)等眾多內(nèi)容的綜合性技術(shù)，負(fù)載介質(zhì)包括電腦、手機(jī)、VR 眼鏡、仿真步態(tài)機(jī)等，而這些同樣是信息化資源的載體，所有的教學(xué)資源均可應(yīng)用于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目課程的教學(xué)設(shè)計(jì)[11]。然而，目前在大多數(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)其負(fù)載的信息化資源還未實(shí)現(xiàn)充分和有效的利用，教學(xué)設(shè)計(jì)還不夠深入。

2.4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)層次不成熟

大部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的考核內(nèi)容是綜合錯(cuò)誤點(diǎn)擊次數(shù)、操作用時(shí)、練習(xí)次數(shù)、電子實(shí)驗(yàn)報(bào)告等方面的操作載體數(shù)據(jù)性評(píng)價(jià)，對(duì)知識(shí)的獲得程度、解決問(wèn)題的能力及實(shí)際實(shí)踐能力未能給出有效的評(píng)價(jià)方法。

2.5 與常規(guī)創(chuàng)新教學(xué)銜接不足

由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的智能程度不高，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容常常獨(dú)立于書(shū)本知識(shí)之外，作為常規(guī)知識(shí)的補(bǔ)充拓展而被教授。因此，作為一種發(fā)展前景廣闊的技術(shù)，有必要考慮將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與學(xué)習(xí)活動(dòng)有機(jī)結(jié)合，如虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、挑戰(zhàn)性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[12]等，還可以考慮與微格課程教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)、混合式教學(xué)等創(chuàng)新特色教育模式相結(jié)合，充分發(fā)揮其技術(shù)的先進(jìn)性。

3 提升虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的方法探索

高等學(xué)校必須更新教學(xué)觀念和模式，以虛擬仿真實(shí)訓(xùn)課程為基礎(chǔ)，充分借助其技術(shù)特點(diǎn)和載體特點(diǎn)，在強(qiáng)化拓展專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，開(kāi)展具有虛擬仿真技術(shù)特色的創(chuàng)新性教學(xué)模式研究，探索提升教學(xué)效果的新模式，研究培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)思維和創(chuàng)新性思維的新方法。

3.1 創(chuàng)新設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)任務(wù)，提升學(xué)生有效參與度

以應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生為例，要求培養(yǎng)學(xué)生依托理論知識(shí)分析問(wèn)題及借助實(shí)驗(yàn)設(shè)備解決實(shí)際問(wèn)題的能力，則教師在設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)任務(wù)時(shí)，可依托自有及免費(fèi)共享的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源對(duì)教學(xué)目標(biāo)以任務(wù)形式細(xì)化[13]，以地方特色資源、社會(huì)性話題、日常學(xué)習(xí)生活等為出發(fā)點(diǎn)，挑選出貼合教學(xué)目標(biāo)的任務(wù)，提出創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)任務(wù)，如廣西擁有豐富的礦產(chǎn)資源，則鈾礦中放射性元素鈾釷如何定性及定量分析？放射性元素分析符合高投入、高風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在學(xué)校內(nèi)幾乎無(wú)法開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。針對(duì)性提出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求時(shí)，可覆蓋教學(xué)目標(biāo)：了解放射性危害及防護(hù)方法、掌握放射性元素的一般分析方法、掌握同位素質(zhì)譜儀工作原理及應(yīng)用范圍、掌握α 譜儀工作原理及應(yīng)用范圍，了解放射性廢棄物的一般處理方法。以5-7 人為小組，對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)研，并對(duì)教學(xué)目標(biāo)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行“師生”和“生生”交流，待學(xué)生抓住其樣品處理特點(diǎn)、萃取方法、儀器制樣要求等重要知識(shí)點(diǎn)后，將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)通過(guò)虛擬仿真資源《放射性鈾釷同位素比值測(cè)定與數(shù)據(jù)分析綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》進(jìn)行對(duì)照。通過(guò)任務(wù)性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，將教學(xué)目標(biāo)分解，學(xué)生通過(guò)理論調(diào)研、溝通討論和實(shí)驗(yàn)?zāi)M對(duì)知識(shí)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)融會(huì)貫通。該方法在提升學(xué)生有效參與度的同時(shí)，強(qiáng)化了虛擬仿真操作練習(xí)和考核點(diǎn)擊率的可靠性，有助于將學(xué)生從游戲及鼠標(biāo)點(diǎn)擊視角轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證視角。

3.2 拓展虛擬資源輻射，豐富教學(xué)方式方法

以5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)為支撐，綜合運(yùn)用VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）、AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）、MR（混合現(xiàn)實(shí)）和流媒體、超高清等技術(shù)手段的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源，在構(gòu)建全息化、可視化的教學(xué)流程方面有天然的優(yōu)勢(shì)。同樣，這些載體也適用于線上教學(xué)、混合式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)教學(xué)、微格教學(xué)等，在開(kāi)展綜合性信息化資源應(yīng)用時(shí)，利用虛擬仿真系統(tǒng)特有的一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)多的系統(tǒng)構(gòu)架，可有效拓展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的授課方式。虛擬仿真創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的模式引發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，鼓勵(lì)學(xué)生思考，可以把學(xué)生變成創(chuàng)意者、設(shè)計(jì)者、行動(dòng)者和分享者。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不僅是新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容，更重要的是依托載體可使用現(xiàn)代化的教學(xué)資源，依托多點(diǎn)互動(dòng)模式的系統(tǒng)構(gòu)架可開(kāi)展多種教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)讓教學(xué)“活”起來(lái)。

3.3 多元評(píng)價(jià)模式，提升自主互助學(xué)習(xí)水平

單純的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)“下一步動(dòng)畫(huà)”的點(diǎn)擊率評(píng)價(jià)并不能有效提升教學(xué)效果。結(jié)合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及不同的授課模式，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新性、資料檢索完整度、團(tuán)隊(duì)協(xié)作參與度、組間匯報(bào)清晰度、實(shí)驗(yàn)?zāi)M合理度、實(shí)驗(yàn)報(bào)告完整性進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)。在充分使用虛擬仿真技術(shù)的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、資料檢索能力及實(shí)踐能力。

3.4 延伸教學(xué)生活內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性

在學(xué)習(xí)生涯中，“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”“挑戰(zhàn)杯化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”“課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”等不同級(jí)別、不同影響力、不同關(guān)注點(diǎn)的課外學(xué)術(shù)活動(dòng)伴隨學(xué)生的學(xué)習(xí)和課外生活，每種類型的活動(dòng)都涉及創(chuàng)新、團(tuán)隊(duì)、設(shè)計(jì)、申報(bào)等內(nèi)容，均需要付出時(shí)間和精力去打磨[14]。教師在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，可參考不同活動(dòng)類型的要求，結(jié)合課程內(nèi)容及特點(diǎn)，利用虛擬仿真系統(tǒng)輻射的資源及技術(shù)，有針對(duì)性地鼓勵(lì)學(xué)生參與并逐步指導(dǎo)學(xué)生完善實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在獲取榮譽(yù)與課程學(xué)習(xí)要求的推動(dòng)下，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，同樣也可有效提升教學(xué)效果。

3.5 推動(dòng)智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)，完善虛實(shí)教學(xué)模式的銜接

借助VR/AR/MR 技術(shù)、人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等，構(gòu)建智慧實(shí)驗(yàn)室，搭配模型化實(shí)驗(yàn)裝置，將理論教學(xué)、現(xiàn)場(chǎng)觀摩、虛擬實(shí)驗(yàn)充分融合，實(shí)現(xiàn)“教學(xué)過(guò)程任務(wù)化、學(xué)生學(xué)習(xí)自主化、評(píng)價(jià)主體多元化”，延展實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間、拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平。同時(shí)還可以推動(dòng)教材內(nèi)容改革，完善實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提升教師信息技術(shù)水平，改革教學(xué)方法，形成符合教學(xué)規(guī)律的一體化教學(xué)模式。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代教學(xué)不再局限于教師講授、學(xué)生聽(tīng)課的模式。信息化技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，使得學(xué)生獲取知識(shí)的方式有了多樣化的選擇。教學(xué)方式及教學(xué)手段必須要進(jìn)步，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)教學(xué)資源、虛擬仿真訓(xùn)練及實(shí)際實(shí)踐操作相互結(jié)合，打破時(shí)間與空間的限制，培養(yǎng)滿足現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)需求的高素質(zhì)綜合型人才。另外，在政策引導(dǎo)、學(xué)校主體、企業(yè)支持、社會(huì)參與的現(xiàn)代化教育建設(shè)模式下，高校應(yīng)主動(dòng)抓住發(fā)展契機(jī)，加快建設(shè)校地、校企、校際共建共享的長(zhǎng)效性、常態(tài)化機(jī)制，進(jìn)一步創(chuàng)新共建模式，拓展合作領(lǐng)域，深化合作內(nèi)涵，實(shí)現(xiàn)共建共享共贏。