高等學校虛擬仿真實驗教學現狀及趨勢研究*

◆李瀾 王吉

0 引言

隨著信息技術的發展，教學媒體輔助課堂教學的頻率日益升高，虛擬仿真實驗教學課程已成為專業類知識學習的重要載體，可有效增強教學效果。基于《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）要求，在高校實驗教學改革和實驗教學項目信息化建設的基礎上，自2017 年開始，全國多所高等院校均展開示范性虛擬仿真實驗教學項目的建設工作。

當前對于虛擬仿真實驗課程項目的相關研究較少，本文基于國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺中相關數據，對虛擬仿真實驗教學現狀及趨勢進行分析。據分析結果可知：目前工科、理科專業課程在平臺中占比較大，課程項目開發以高校與企業合作為主，高校間缺乏合作機制以及項目認定無統一標準。本文針對以上問題提出可行性建議。

1 研究設計

1.1 研究方法

本文采用內容分析法（content analysis）對國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺中的數據內容進行分析。該研究方法是一種透過現象看本質的科學方法，通過分析平臺內各維度的數據，可以了解平臺中各門類學科課程項目的占比，以及項目認定等方面信息的相關科學性結論。其重點步驟為：選擇分析單位→確定分析編碼→詳細評判記錄→量化分析材料。該研究方法在社會科學研究中普遍使用。本文將分析國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺的適用人群、課程分類、一流課程和開發者等四個維度。這種對文本內容進行的客觀、系統、定量的描述性研究方法，可以克服常規定性研究的不確定性和主觀性[1]。

1.2 研究對象

國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺自2017年開始開設課程，截至2021 年10 月，可以檢索到60 個專業類別的相關課程，共有3 250 個課件，其中經過國家認定的一流課程共有728 個。本文將對這些數據進行各方面的比較分析，并從中了解我國虛擬仿真實驗教學課程的現狀、問題及趨勢。（注：其中個別編碼維度將進行抽樣分析。）

1.3 研究類目設計

1.3.1 類目名稱 本研究以每一個虛擬仿真實驗教學課程為一個分析單位，依據課程面向的群體、可進行虛擬實驗的專業、實驗人次較多的人氣課程開發人員以及經過認定的一流課程申報時間，對每個分析單位從適用人群、課程分類、開發者、一流課程等四個維度進行類目設計，四個類目名稱及描述見表1。

表1 類目名稱及描述

1.3.2 類目體系 以上述四個類目作為一級類目，每個類目根據具體分析問題的不同形成二級類目，再對應上二級類目的頻數和頻率，最終形成虛擬仿真實驗教學課程分析的類目體系。在該體系中，依據一級、二級類目的界定和說明，對60 個專業的3 250 個課件進行內容分析和頻數頻率統計，完成對我國虛擬仿真實驗教學課程項目的客觀、系統、定量分析。

2 研究成果及分析

2.1 我國虛擬仿真實驗教學課程現狀分析

2.1.1 國家虛擬仿真實驗平臺中工學門類科目占比較大 國務院學位委員會和教育部頒布修訂的《學位授予和人才培養學科目錄（2011 年）》規定，我國學科門類分為哲學、經濟學、法學、教育學、文學、歷史學、理學、工學、農學、醫學、軍事學、管理學、藝術學、交叉學科等14 個學科門類。按照該劃分方式，國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺中課程項目數超過100 的專業共有11 類，共1 497 個課程項目，如表2 所示。其中，有五類專業屬于工學，共有653 個課程項目；三類屬于理學，共有330 個課程項目；各有一類分別屬于管理學、藝術學、醫學，分別有221、169、124 個課程項目。其中工學門類科目占比43.62%，比例極大。

表2 支持虛擬仿真實驗課程的專業類別

下面對支持虛擬仿真實驗課程的專業類別（專業包含課程項目數≥100）進行內容分析：

1）課程項目數排在第一位的是管理類，包括221 個項目（14.76%），其中經過國家認定的一流課程項目有28 個（12.67%）；

2）課程項目數排在第二位的是機械類，包括175 個項目（11.69%），其中經過國家認定的一流課程項目數有44 個（25.14%）；

3）藝術學類排在第三位，共有169 個項目（11.29%），包括24 個國家認定的一流課程項目（14.2%）；

4）基礎醫學類和土木類并列第四位，各包含124 個項目（8.28%），其中基礎醫學類國家認定的一流課程項目有42 個（33.87%），土木類國家認定的一流課程項目有33 個（26.61%）；

5）化工與制藥類、化學類和電子信息類排在第五位，項目數均為120 個（8.02%），其中化工與制藥類國家認定的一流課程項目數為30 個（25%），化學類國家認定的一流課程項目數為31個（25.83%），電子信息類國家認定的一流課程項目數為14 個（11.67%）；

6）電氣類課程項目數為114 個（7.62%），其中國家認定的一流課程項目數為15 個（13.16%）；

7）物理學類課程項目數為105 個（7.01%），其中國家認定的一流課程項目數是15 個（14.29%）；

8）生物科學類課程項目數為105 個（7.01%），其中國家認定的一流課程項目數為35 個（33.34%）。

另外，縱觀平臺現有虛擬仿真實驗的全部課程，可以發現課程項目均未標注面向人群，以及此課程是否需要某些基礎相關知識作為理論支撐，從而增加了使用難度，用戶體驗不佳，降低了用戶黏度，不利于虛擬仿真實驗的長期發展。

2.1.2 “人氣課程”分布特征分析 對2017—2021 年國家虛擬仿真實驗教學課程平臺中實驗人次最多的前20 個“人氣課程”項目的開發單位進行統計，見表3。其中，60%的開發單位是211 院校，40%的開發單位是985 院校（統計結果中211 院校與985 院校頻數頻率有重復）。來自其他院校的課程項目數共計8 個，占比40%，均為本科院校，并無專科院校。

表3 2017—2021 年國家虛擬仿真實驗教學課程平臺中實驗人次最多的前20 個“人氣課程”項目的開發單位

從數據分析結果來看，虛擬仿真實驗課程開發團隊水平較高，但人員分布不均。在前20 個“人氣課程”項目的開發負責人中，有18 位為教授職稱；具有博士學歷的負責人共有9 位，具有碩士學歷的負責人有4 位，具有本科學歷的負責人有3 位；其中2 位負責人為院長，1 位負責人為博士生導師，其余17 位負責人均為副院長或高級工程師。通過分析項目開發的參與人員發現，開發團隊在7 ～28人不等，其中有4 個課程項目開發團隊僅由7 人組成，合作企業人員1 ～2 人。開發團隊主要由教授、副教授、實驗師及企業人員組成。高校人員約占開發人員總數的3/4，其余為項目合作開發的企業人員。其中并未有高校人員獨立完成課程項目。

虛擬仿真實驗課程在開發上缺乏合作。關于虛擬仿真實驗課程的開發單位，從表3 可以看到，其中有6 所985 高校和11 所211 高校，占統計數據的55%。4個直轄市均有高校上榜，上海、湖北、湖南、江蘇、陜西分別有2 所學校上榜。西南地區除重慶外，僅有四川大學1 所學校上榜，而東北地區只有吉林大學1 所高校在榜單上，華南地區及新疆、內蒙古、青海、寧夏等內陸省份并未有高校上榜。從地域分布上看，各直轄市和湖南、湖北、江蘇、陜西等高校聚集地區，在虛擬仿真實驗課程的開發上成果顯著。

所有課程項目均為高校獨自主持開發，并未發現有幾所學校聯合組織課程項目的情況，或高水平院校幫助支持低水平院校建設健全虛擬仿真實驗課程的開發和虛擬仿真實驗室的使用。綜合可知，在課程開發和教學資源方面存在整合不佳的問題，高校間缺乏合作與互幫互助[2]。

虛擬仿真實驗課程在申報上與學校水平沒有直接關系。從“人氣課程”排行榜上的課程項目歸屬可以看到，有北京大學、同濟大學、四川大學等高水平學校，也有鹽城工學院、洛陽理工學院、西藏民族大學等地方高校，開發及申報課程項目的學校水平是不同的。這也反映出虛擬仿真實驗課程對各級各類學校而言都是新興事物，各級各類學校都在同一起跑線上，很多普通高校存在彎道超車的跡象，高水平院校在申報虛擬仿真實驗課程上并不存在明顯優勢。

2.1.3 國家認定一流項目逐年遞增，但缺乏后續支持 根據《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》和《教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》等文件要求，計劃到2020 年認定1 000 項左右的示范性虛擬仿真實驗教學項目（一流項目），以便積極推動現代信息技術在實驗教學中的應用，提升實驗教學質量和水平[3-4]。因此，2017年，國家開通虛擬仿真實驗教學課程共享平臺。自2017 年以來，各年申報項目的相關數據見表4。

表4 2017 年以來各年申報項目的相關數據

可以看到，2017 年提交申報并經過認定的項目數是105 項，2018 年是296 項，2019 年是327 項，數據呈現逐年增長趨勢，虛擬仿真實驗課程在國家政策的推動下發展速度逐年加快。可以發現，虛擬仿真實驗教學項目的發展是高等教育的“互聯網+”新趨勢[5]，這種教學方式已經得到普遍認可和新的、升級化的發展。這種發展對教育教學，特別是對專業度要求較高的課程，起到良好的推動作用。

2020 年和2021 年在該平臺上提交申報的項目至今還未被認定成功，所以在表4 中，2020 年和2021 年申報的一流項目為0 項。不難看出，一流項目的認定工作存在一定問題，平臺重課程輕推廣，缺乏后續支持，不利于課程項目的持續性發展。

3 關于推進虛擬仿真實驗教學課程發展的建議

3.1 在課程開發上要遵循共建共享原則

國家虛擬仿真實驗教學課程平臺的建設和發展，推動了高校教學改革，實現了教學信息從信息源到學習者之間個性化、智能化、泛在化的傳遞，具有明確的教學目的、教學內容和教學對象，這也是教學新形式。課程平臺的建設和發展推動了現代信息技術與實驗教學項目的深度融合，優化了教學內容，提升了學生學習深度，延伸了實驗教學時間和空間，提升了實驗教學的質量和水平。

其中，工科、理科相關專業在虛擬仿真實驗中課程項目數最多，課程點擊率最高，虛擬仿真實驗項目可以為這類實驗性較高的學科提供及時且有效的學習方法，幫助高校更好地開展實驗教學。虛擬仿真實驗在一線教學及學生線下自主學習中的地位越來越重要，所以在項目開發中應結合當今時代背景、未來發展趨勢以及學生的需求，關注學生創新和實踐能力的培養，重點解決實際實驗操作中存在危險或設備不支持的問題。實驗課件要將理論知識與操作技能相結合，使學生全面、形象地感知學習，加速知識遷移，促進實驗教學內涵式發展。

推進高校間信息交流、整合，建立資源共建共享模式。課程開發包括課程目標、課程內容、課程實施和課程評價等四個環節，課程開發的前期工作是做好針對課程目標和課程內容的課程設計。對于課程內容的設計，開發團隊需要掌握大量課程相關的專業信息，進行內容整合，再根據課程目標完成篩選工作，從而得到適合的、優質的、高水平的課程內容。要整合各高校的教學、信息、技術資源，把所有教育因素和教學力量融合成一個整體，為學生建立高水平的課程項目[6]。特別是有重復或相似項目的高校之間應進行深度合作共享。高水平學校如985、211 工程高校應主動發揮引領作用，帶動更多學校參與教學資源建設，開發受眾群體更廣、課件水平更高的優質課程，使虛擬仿真實驗課程發揮更高的效益[7]。高校內部也應該嘗試學科交叉等方式，探討新的虛擬仿真實驗形式和新的高效使用方法。

目前，在國家虛擬仿真實驗教學課程平臺中并沒有對課程適用人員進行分類，對缺乏專人指導的學生群體不友好，增加了使用難度，限制了受眾群體，不利于平臺的長期發展。

申請項目和準備制作虛擬仿真實驗項目之前應考慮項目所針對的人群，并標注清楚本課程項目的學習群體和課前需要掌握的相關基礎知識，使用戶可以有針對性地挑選適合自己的課程。

3.2 開發人員需要進一步提高水平

項目參與人員和一線授課教師需要進一步提高水平。主持項目開發的工作人員最好是具有豐富的實驗教學經驗和班級人員組織能力的一線教師[8]。一線教師參與腳本編寫，可以更好地發揮經驗優勢。全職實驗技術人員應是項目開發的核心，因為他們對項目開發的設計和過程更加熟悉，更了解課程項目在使用過程中容易出現錯誤的地方，可以提前做好預防工作。他們全程參與監督，可以使課程項目更加專業、規范[9]。

高校和科技公司要加強合作，共創優質課程。通過對項目開發人員分析發現，虛擬仿真實驗課程開發均為高校與科技公司合作完成。絕大多數學校不具備獨立制作虛擬仿真項目的能力，高校人員雖然具備相關專業知識，但在程序開發上水平不夠，經驗不足；而科技公司雖然專業知識能力不夠，但在程序開發上水平較高，因此，虛擬仿真實驗課程的開發離不開二者相互配合和深度合作。高校方面要具備前瞻性，提出未來發展的方向，在開發項目中明確重難點與留白，為后續課程內容和平臺功能拓展留出一定空間。合作公司應該積極學習實驗課程相關專業知識、課程相關動態及行業最新消息，并與高校教師相互學習、合作共贏，為后期進一步深度研發奠定基礎[10]。

3.3 平臺需要做好支持性工作，注重建設的同時做好推廣工作

隨著信息技術的發展，虛擬仿真實驗的價值越來越凸顯，再加上國家政策支持，越來越多的高校和科技公司愿意投身于虛擬仿真實驗課程的開發，說明虛擬仿真實驗的發展前景良好，市場需求量巨大。通過一流項目分析可知，一流項目認定存在問題，包括認定效率低下、平臺不重視推廣。很多優質課程沒有通過一流課程認定，在平臺頁面展示中排序靠后，不便于用戶使用、學習，不能發揮其優良效益。建議平臺在注重建設的同時也要做好推廣，做好支持性工作，發揮課程項目的作用。