新文科背景下開展虛擬仿真實驗教學項目建設的思考

穆佳瑋，李勃，黃河，趙越

（1.西北大學新聞傳播學院，陜西西安 710127；2.中國空間技術研究院西安分院，陜西西安 710100）

2020年11月，教育部新文科建設工作組在新文科建設工作會議中發布了《新文科建設宣言》?！缎挛目平ㄔO宣言》的發表，標志著新文科建設工作的全面正式開啟。

針對深化高等教育教學改革、實施科教興國和可持續發展戰略、全面推進素質教育的現實要求，并結合我國目前人才培養現狀和效能發揮，從“新”出發，注重學生實踐能力培養，以創新意識、創新精神為驅動，以人文精神、科學精神為指引，推動國內新文科實驗教學方式的創新，填補文科教學手段的空白。

實驗教學是高校教學系統建設中的重要組成部分，同樣也是促進基礎理論與實際操作相結合的重要手段。人才培養的核心就是將抽象化的理論知識經過具象化的實踐手段，印刻在學生心中，使學生可以活學活用，提升學生的綜合運用能力及創新精神。但是，目前國內部分高校存在眾多的學生數量與有限的基礎實驗資源不匹配的現象，加之實驗師資力量薄弱、教學軟硬件設施不足，已不能滿足全體師生實驗教學的基本要求，在這樣的現實情況下，現有實驗教學環節的開展，很難真正實現從理論知識的認知了解向技術創新發展的轉化。因此，改善現有的實驗教學環境，尋找新型實驗教學模式以替代傳統實驗教學方式顯得格外重要且急迫。

虛擬仿真實驗是借助計算機、通信、多媒體、虛擬現實等現代技術手段，實現對傳統實驗資源的遠程訪問和高效共享[1]，具有沉浸性（immersion）、交互性（interaction）和構想性（imagination），使學生可以沉浸其中，形成交互效能多維化的信息環境[2]。虛擬仿真實驗教學不僅可將抽象深奧的理論知識變得具體形象，有利于學生將理論知識轉化為實踐動手能力[3]，同時通過將復雜數據進行可視化操作與交互，學生也可以更深入地了解到理論知識衍生出的產品形態以及實現方式，以應對不斷變化的應用場景。近年來，世界各國很多高校均在建設自己的虛擬仿真實驗教學中心。

1 建設開發虛擬仿真實驗教學項目的必要性

虛擬仿真實驗是信息技術與教育深度融合的重要體現，利用虛擬仿真技術有助于擴展實驗教學的維度和空間，拓展實驗教學的方式和手段，延伸實驗教學的內容和價值。

在線虛擬仿真實驗具有以下優點：

（1）打破時空限制，實現實驗室的深度開放。

傳統的教學實驗室受到現實條件約束，無法實現全時段開放。而在線虛擬仿真實驗室打破了時空壁壘，只要設置好網絡環境，通過移動互聯網絡就可以隨時隨地訪問在線虛擬仿真實驗室，進行實驗操作并接受實驗指導，使實驗教學真正走出實驗室，更好地服務于學生，推動文科教育的改革發展。

（2）節省實驗成本。

無論是開展文科還是理工科的實驗項目，均需要一定數量的實驗儀器和實驗耗材，如果想達到最優的實驗教學效果，需要保證儀器設備的數量，而目前儀器設備的折舊率很高，如果大批量采購同一型號的設備，將會造成實驗器材的浪費。同時一些高端儀器設備的容錯率非常低，新手一旦操作失誤就會導致儀器設備損壞，這不僅造成了經濟上的損失，也會影響后續其他學生的教學使用。而線上虛擬仿真實驗教學可以很好地規避這些問題，滿足多人開展實驗的需求，同時也不需要采購過多同一型號的設備，學生出現操作失誤也不會損壞實驗設備，實現教學過程中的儀器設備自由，節省實驗成本。

（3）優化實驗教學管理流程。

線下實驗教學時，一位實驗指導教師往往需要同時指導幾十位學生開展實驗操作，無法跟蹤掌握每位學生的實驗操作流程，部分學生看似順利完成了實驗全部流程，但可能并未掌握全部實驗內容，對實驗操作流程也存在一知半解的現象。而通過在線虛擬仿真平臺，可以完整記錄學生的實驗過程，包括學生開展實驗所需要的時間、發生錯誤次數、完成模擬次數，以及具體的錯誤內容和錯誤原因等，教師可以根據這些數據，更好地掌握學生的學習情況，實現實驗教學的閉環管理。

綜上，虛擬仿真實驗教學是未來實驗教學發展中資源共享和教學交流的必然方向[4]。

2 虛擬仿真實驗教學存在的問題

2.1 實驗教師隊伍存在的不足

開展虛仿真實驗教學的主要目標是全面提高學生的創新精神和實踐能力[5]，促進教育改革，結合全國各高校的實際情況，目前文科實驗教師隊伍主要存在以下兩個方面的問題：

（1）實驗教師數量和結構有待優化。

隨著互聯網技術的發展，新文科更加注重社會改革和技術創新相融合，需要理論教學與實踐教學互融，因此傳統教育體系已經無法滿足現代社會對人文社會學科的需求。在高素質人才教育中專業理論素養與實踐能力有著同等重要性，無論是線下實驗教學還是在線虛擬仿真實驗教學，實驗教師都是實驗教學中的重要一環。雖然各高校仍在不斷深化實驗教學團隊的建設，但是專職實驗教師數量依舊十分緊缺，教學團隊的組織結構也不夠合理。尤其是文科院系，存在實驗教師數量無法支撐實驗教學需求的現象，在招聘到一名實驗教師后才會開展一門實驗課程的情況時有發生，這導致高等教育教學改革和培養卓越人才的工作無法持續推進。

（2）實驗教師信息素養有待提升。

部分實驗教師仍習慣在實驗室開展實體教學，而線上虛擬仿真實驗教學要求實驗教師一方面轉變實驗課程教學思維，從面對面授課轉變為跟隨線上課程全程輔導教學，并需要調整課程大綱以適應線上實驗教學的節奏。虛擬仿真實驗授課教師需要掌握更多的網絡教學技能以支撐線上實驗教學，合理安排課程節奏，及時開展線上教學的答疑解惑，指導學生開展自我學習規劃。但是對于部分文科教師而言，信息素養的欠缺使實驗教學效果大打折扣，無法實現學生創新精神和實踐能力的提升。

2.2 實驗經費不足，難以高質量開發虛擬仿真實驗教學項目

高校經費很大程度上影響著其對虛擬仿真實驗教學資源的建設工作。而每年教育部撥付各高校的教育經費受學生數量、學校影響力、地域、省屬或者部屬等多重因素影響。部分高校對文科人才的培養存在思想誤區，認為人文社會學科并不需要依賴實驗教學，在文科人才的培養上偏重課堂理論傳授，多以書本教學為主，強調知識傳授的思辨性和認知性，強調大量的閱讀，對實踐教育的認識不夠充分[6]，因此在這些高校中，在教育經費關于實驗教學的建設方面，更偏向于分配到理工科院系中，導致文科院系實驗教學資源，缺乏教育經費支持，多年來仍然處于原地踏步的階段。而虛擬仿真實驗教學資源的建設往往需要較大的人力、物力和財力的支持，盡管目前部分文科院系越來越重視實驗教學和實驗室的建設，但是受經費限制，線下核心實驗室的建設無法充分保障，難以開展高質量的虛擬仿真實驗教學項目。

2.3 虛擬仿真實驗教學在全面達成教學目標上的差距

（1）虛擬仿真實驗教學項目覆蓋面不足。

截至2022年1月1日，國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺向全國各高校共享了3 250 門虛擬仿真實驗課程，一定程度上發揮了虛擬仿真實驗教學的作用。但由于不同學校相同學科實驗課程的教學內容是不同的，同時國家鼓勵建設的線上實驗教學資源應具有“兩性一度”（高階性、創新性和挑戰度）特性，特別是虛擬仿真實驗教學資源的建設需要花費較多的人力和物力[7]。

盡管可共享的虛擬仿真實驗教學項目已日漸充盈，但是相對基礎性的虛擬仿真實驗教學項目依舊較為匱乏，無法完全覆蓋文科院系實驗教學大綱的要求，共享理念并沒有實際落實到位，各高校課程開設并應用的指導性不高。例如國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺上，文科類別中包含30 個國家認定項目，但其內容大多具有獨特性，無法用于基礎實驗課程教學。這導致各高校無法通過現有虛擬仿真實驗教學項目開展實驗教學，需要獨立建設虛擬仿真實驗教學項目來滿足校內實驗教學的實際需求。一方面會造成一定程度上的教育資源浪費，另一方面對于經費較少的高校，獨立建設高質量覆蓋面廣的虛擬仿真實驗教學項目壓力較大。

（2）虛擬仿真實驗教學與線下實驗教學的差別。虛擬仿真就是用一個系統模仿另一個真實系統的技術，但是受到科技發展和儀器設備的限制，幾乎所有的虛擬仿真實驗教學實驗項目均無法完全模擬線下實驗操作。目前線上虛擬仿真實驗教學大多是通過鼠標鍵盤式操作方式實現模擬實驗操作，但這主要能讓學生熟悉實驗操作流程，學生依舊需要進入實驗室進行大量線下實驗，才能真正掌握實驗操作方法，無法完全達到開展虛擬仿真實驗教學的目的。

3 加強虛擬仿真實驗教學的思考

3.1 加強實驗教師隊伍建設

實驗教師隊伍是虛擬仿真實驗教學項目建設的關鍵因素，因此文科類虛擬仿真實驗教學資源的建設需要一支專業水平高、實踐能力強、多學科融合的實驗教師隊伍，為虛擬仿真實驗項目的建設、管理、教學提供有力保障。

加強實驗教師隊伍建設，一是需要學校與學院制定相關政策和考評制度，例如在職稱評審中對具有專業實踐經驗的“雙師型”教師給予政策傾斜或者拓寬專業技術人員的發展路徑，引導和支持教師重構課程體系、開發實驗教學項目，鼓勵教師將科研成果反哺實驗教學；二是通過聘任兼職人員等方式，積極引進行業理論知識和指導經驗豐富的專業技術人員，開展貼近社會應用需求的實驗項目，提高學生創新與實踐能力；三是開展文科教師網絡與信息化教學技能培訓，轉化實驗課程教學思維、優化線上教學方案、增強授課教師的網絡與信息化素養。通過多措并舉提升實驗教師隊伍的建設水平，促進虛擬仿真實驗教學的發展，保障實驗教學質量同步提升。

3.2 建立開放共享運行機制

由于各高校在線上實驗教學資源建設上的經費投入、開發力度和發展方向不盡相同，學校應該積極從校內、校際、校企三個方面深度拓展協同創新、挖掘優質教育資源，利用各自領域優勢，共創深度開放的虛擬仿真實驗教學資源，減少教育資源的浪費。

（1）校內聯動。

目前的虛擬仿真實驗教學項目多數是由各高校二級學院或各個專業系所分別獨立開展，缺乏校級層面的頂層規劃。尤其是文科院系，實驗建設經費遠低于理工科院系，若各院系分散開展虛擬仿真實驗教學項目，不僅很難達到建設目標，還會造成資源浪費。因此各高校應該在充分考慮各文科專業特點的同時，建立學校和學院的上下聯動，從校級層面推進虛擬仿真實驗教學項目建設，加強不同院系的溝通和聯動，降低資源投入需求，提高虛擬仿真實驗教學項目的利用率。

（2）校際共享。

全國各高校相近學科及相同應用方向的虛擬仿真實驗教學項目，具有很廣泛的應用前景，尤其是基礎類實驗項目，但由于涉及知識產權等復雜因素，需要通過政府部門引導落地。相關部門可以通過評估不同層次高校學科的實驗教學大綱，同時整合現有虛擬仿真實驗教學資源，確立各學科的基礎實驗項目，然后根據各學科的基礎性實驗項目目錄，聯合高校協同開發、整合和完善相近學科及相同應用方向的虛擬仿真實驗室教學項目。后續相關高校、院系和專業可以通過有償使用等方式開展虛擬仿真實驗教學，促進線上教學資源的充分利用和創新發展。

（3）校企協同。

目前校企共建實驗室和實踐基地已非常普遍，虛擬仿真實驗教學項目是一個很好的融合方式，能夠將軟件提供商的技術能力、高校的學科優勢及企業的仿真環境三者有效結合[8]。高校應該積極主動聯合地方企業參與線上虛擬仿真實驗教學平臺和項目的建設，提高虛擬仿真實驗教學項目的輻射范圍和資源利用率。

3.3 實驗室人性化開放

盡管虛擬仿真實驗教學項目的開展有諸多優勢，例如虛擬仿真實驗教學可以在不過多采購實驗儀器的情況下，讓多個學生同時開展實驗，但目前線上虛擬仿真實驗教學大多還是通過鼠標鍵盤式操作方式實現模擬實驗操作，這主要能讓學生熟悉實驗操作流程，學生依舊需要進入實驗室進行大量線下實驗，才能真實掌握實驗操作方法。因此高校應該促進實驗室人性化開放，加強實驗室開放力度，讓已經在虛擬仿真實驗教學平臺學習過的學生錯峰開展線下實驗，在避免過量采購實驗儀器的同時，又能讓學生熟練掌握實驗操作，提高學生實踐與創新能力。

4 結語

為深入學習貫徹習近平新時代中國特色社會主義思想，依照教育部辦公廳印發《關于推薦新文科研究與改革實踐項目的通知》，全面推進新文科建設，著力構建世界水平、中國特色的文科人才培養體系。開展虛擬仿真實驗教學項目建設是現階段新文科研究與改革實踐的重要抓手，通過從學科導向轉向以需求為導向，突破傳統文科的思維模式。虛擬仿真實驗教學相對于線下實驗具有一定優勢，而且不受時間、空間限制。但受制于目前的建設規模以及技術壁壘，全面推行虛擬仿真實驗教學還為時尚早，我們更應該開展線上實驗教學環境和實驗教學體系的同步建設工作，使虛擬仿真技術融合到現有實驗教學體系中，進一步推進新文科背景下虛擬仿真實驗教學項目的改革與創新工作。