新常態下“虛實結合”開展實驗教學的探索

蔡曉磊 朱孝勇 徐磊 黃永紅 康梅

摘? ?要：疫情期間，根據教育部提出的“停課不停學”要求，全國高校利用各類網絡平臺開展形式多樣的在線學習。基于虛擬仿真實驗教學資源的建設情況，文章提出“虛實結合”實驗教學新模式，討論了以虛擬仿真實驗教學資源作為線上課程、“虛實結合”開展實驗教學的思路及方法;介紹了江蘇大學在疫情期間如何指導開展實驗教學的案例，探討該“虛實結合”實驗教學模式的實際意義;在新常態下，能及時改變、積極應變，以期在教育信息化建設中更好地實現實踐育人，為實驗教學信息化改革提供參考。

關鍵詞：實驗教學;新常態;虛擬仿真;虛實結合

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1673-8454（2022）08-0110-06

2020年上半年，受新冠肺炎疫情影響，全國高校開展了超大規模的在線教學活動，保證“停課不停教、停課不停學”。下半年，隨著疫情防控形勢的好轉，學校教學活動逐漸恢復正常，走向常態化。而疫情期間，虛擬仿真實驗教學得到了較好的推廣與應用，并取得了不錯的效果，進入常態化時期，在線虛擬仿真實驗對實驗教學的影響會持續下去。

近年來，隨著國家級虛擬仿真實驗教學中心和國家虛擬仿真實驗教學項目的不斷建設，虛擬仿真實驗資源得到了快速發展，極大地豐富了實驗內容和實驗課程。本文在分析虛擬仿真實驗建設現狀和發展趨勢的基礎上，立足“立德樹人”的根本任務，圍繞實驗教學的基本意義，提出并探討“虛實結合”開展實驗教學的模式及方法，著力解決實驗教學中“做不上、做不了、做不好”的難題，也希望通過信息化教育教學方式，更大程度地提高學生實踐能力和創新精神，以適應新時代人才培養的新要求。

一、虛擬仿真實驗的現狀與趨勢

（一）虛擬仿真實驗的建設現狀

根據《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》和《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》指導意見，自2013年起，教育部先后啟動了國家級虛擬仿真實驗教學中心和國家虛擬仿真實驗教學項目的建設工作，截至目前，國家級虛擬仿真實驗資源（包括國家級虛擬仿真實驗教學中心和國家虛擬仿真實驗教學項目）的建設已經進入新的階段，具體情況統計如表1所示。[1-3]

2019年10月，《“雙萬計劃”國家級一流本科課程推薦認定辦法》（以下簡稱“雙萬計劃”）發布并提出，經過3年左右時間，將完成1500門左右國家虛擬仿真實驗教學一流課程認定，國家虛擬仿真實驗教學項目正式納入“雙萬計劃”國家級一流本科課程建設行列。以上項目均在國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺全天候開放，目前，該平臺向全國高校免費提供2000余項虛擬仿真實驗教學項目，這些實驗資源覆蓋了41個專業類別中的255個專業和1561門課程。

在國家級虛擬仿真實驗教學中心、國家虛擬仿真實驗教學項目建設的引領下，除國家級平臺之外，還有數十個省級虛擬仿真實驗教學項目共享平臺，數百個校級平臺、企業平臺，這些平臺都提供了大量優質虛擬仿真實驗教學資源，直接面向社會和高校開放共享。

（二）虛擬仿真實驗的發展趨勢

隨著國家虛擬仿真實驗資源建設工作的穩步推進，各高校及相關企業對虛擬仿真實驗的投入不斷加大，利用虛擬仿真實驗進行教學成為新的趨勢。下面是虛擬仿真實驗發展的幾個方向。[4]

（1）虛擬仿真實驗正朝著大體量、高質量的方向發展。2018年，教育部吳巖司長在“建設中國金課”中將國家虛擬仿真實驗教學項目定義為國家級五大“金課”之一;[5]2019年，“雙萬計劃”的發布進一步有力推動了虛擬仿真實驗教學項目向具有高階性、創新性和挑戰性的“金課”發展。在教育部門的積極引導和推動下，隨著虛擬仿真技術的日臻成熟，國家級虛擬仿真實驗教學成果不斷涌現，虛擬仿真實驗正呈現蓬勃發展態勢。

（2）虛擬仿真實驗正朝著規模化、體系化的方向發展。2019年，“虛擬仿真實驗教學創新聯盟”成立，以聯盟的形式，協助各高校企業規范有序地開展虛擬仿真實驗教學項目的建設與共享，推動完善高等教育信息化實驗教學項目新體系，促進高校虛擬仿真實驗教學質量和水平的提升，實現虛擬仿真實驗的有序發展。

（3）虛擬仿真實驗正朝著產學研一體化的方向發展。一些虛擬仿真實驗教學項目源于科研成果的轉化，體現了科研反哺教學的特點;一些項目根據實際生產環境開發，展示了行業的先進技術。這些項目不僅具有實驗教學功能，還可以成為企業培訓和社會服務的素材。先進的科研技術和工業成果為虛擬仿真資源建設提供了重要內容;同時，虛擬仿真實驗教學資源也促進了產學研的進一步融合，成為協同育人的重要組成部分。

二、“虛實結合”開展實驗教學的思路及方法

實驗教學是培養和提高學生動手能力、創新能力和解決實際問題能力的重要環節。通過將虛擬仿真實驗引入實驗教學并與“實體實驗”相結合，以“虛實結合”的模式開展實驗教學，突出了實驗教學不受時空限制的靈活性，提升了實驗教學學科的綜合性，實現了實驗教學效果的新突破。在新時代高等教育內涵式發展背景下，“虛實結合”開展實驗教學是實驗教學主動適應新技術革命性變化的必然結果，也是培養新時代大學生實踐創新能力和社會責任感的重要舉措。

（一）“虛實結合”的實驗教學模式

自行建設或引入符合本校人才培養目標、切合課程實際的虛擬仿真實驗教學項目，將其應用于實驗教學，一般有以下幾種方式，如表2所示。

本文提出的“虛實結合”實驗教學模式主要包括表2中第2和第3兩種方式，屬于“進階”模式。在該模式下，虛擬仿真實驗與實體實驗并存，“虛實結合、虛實互補”，并逐步將更多優質的虛擬仿真“金課”資源應用到實驗教學中，該模式將會改變傳統的完全以教師講授為主的實驗教學方式，逐步建立以學生為主體、學生自主設計探索為主要特征的實驗教學模式，將有效改善實驗教學方式，更好地實現實踐育人。

（二）正確處理虛擬仿真實驗與實體實驗的關系

隨著“互聯網+教育”模式的快速發展，虛擬仿真實驗教學逐漸走進課堂;正確處理好虛擬仿真實驗與實體實驗的關系，將虛擬仿真實驗教學融入實踐教學體系是“虛實結合”開展實驗教學過程中首先要解決的問題。

（1）不能否定實體實驗在實驗教學中的主體作用。即使在教育信息化時代，在提高學生動手能力和主動解決問題的能力方面，實體實驗仍然不可或缺。

（2）近年來，中國大學MOOC、雨課堂、云班課等新一代的教育教學方式層出不窮，在理論教學課堂上大放異彩，這些教學方式極大地增加了學生的學習興趣，提高了學生的學習效率。而虛擬仿真實驗資源作為實驗教學中的“新產品”，目前作為實體實驗的補充，給實驗教學帶來新的思路。

（3）在新常態下，原先需要跨區域開展的實踐活動，現階段可以優先選擇使用虛擬仿真實驗資源進行在線教學，利用虛擬仿真不受時間、空間限制，適合自主學習的特點，保證“學習不延期”。在充分考慮實際情況后，以“以虛補實”的方式開展實驗教學活動。

（4）充分考慮學科特點的差異，不能一味地要求所有的學科課程都開展虛擬仿真實驗教學;一些可以開展虛擬仿真實驗教學的課程，也不能盲目地取消實體實驗而全部轉至線上教學，需要結合實際情況，盡可能做到“能實不虛”。

（5）逐步建立“虛實結合”實踐教學體系，彰顯“虛實互補”的實驗教學特色。充分發揮信息化教學優勢，學生的學習更加高效，師生的交流更加方便，也實現了由教學工具創新到教學模式創新的新途徑。

三、“虛實結合”實驗教學的幾個關鍵問題

（一）因勢而新的運行機制

目前虛擬仿真實驗教學資源繁多，在國家虛擬仿真共享平臺、各省級平臺以及各高校平臺、企業平臺等數百家平臺上開放了成千上萬個虛擬仿真實驗教學項目。普通教師如何從如此眾多的平臺資源中篩選到合適的虛擬仿真實驗項目，并將其應用到實驗教學是一個不小的困難。探討是否可以在國家平臺的支持下，開發“優質資源共享系統”，將更多的省級平臺項目、校級平臺項目、企業項目資源接入該“優質資源共享系統”，實現全平臺范圍內的資源共享。這需要制定管理系統規范標準，統一接入資源接口，涉及教學管理、網絡管理等多個部門，需要建立多部門協同工作機制。[6]

任課教師在找到合適的虛擬仿真項目資源后，如何與該資源的負責人聯系溝通，如何尊重知識產權、達成協議、實現共享應用也是一個問題。此外，選擇的虛擬仿真實驗教學項目能否達到本課程教學大綱的要求，也存在甄別的困難。這些都需要實驗教學管理部門及時出臺相關管理辦法，協助協調虛擬仿真實驗資源，提供指導。不斷地更新運行機制，推進虛擬仿真實驗教學項目的應用，推動“虛實結合”實驗教學模式的可持續發展。

（二）主動求變的教學理念

新時代需要樹立新的教學觀。發展素質教育、落實立德樹人根本任務，需要加強學生關鍵能力核心素質培養，著重培養適應社會需要的綜合性人才。隨著信息化技術與實驗教學的深度融合以及國家虛擬仿真實驗教學資源的持續建設，作為教育工作者，需秉持新時代新觀念，深化探索實驗教學改革，主動運用新技術，接受新挑戰。

在新常態下，教育管理者需要及時改變、積極應變、做足預案，加強在線教學的組織、管理和監督工作。及時指導并遴選優質虛擬仿真實驗教學資源作為線上教學資源;適當調整教學計劃，打破傳統課堂與在線教學的壁壘，更新教學觀念，實驗教學也可以在線開展。充分發揮虛擬仿真實驗教學的優勢，以學生為中心，鼓勵支持學生利用在線資源自主探索學習，達到預期教學效果。

（三）科學規范的評價體系

將虛擬仿真實驗教學納入相關專業教學課程，制訂相關教學效果評價辦法是“虛實結合”開展實驗教學的重要內容。不同高校由于學科專業差異、施教理念不同，虛擬仿真實驗教學資源的體系結構、適用度等也不盡相同。因此，對于虛擬仿真實驗教學的項目學時在課程總學時的占比，以及不同高校對同一虛擬仿真實驗教學項目的考核評價方法，也應“因課制宜”。原有的實驗評價機制不再適用，需要本校教學主管部門主動引導，與課程負責人共同探討，建立適合本校學生在線學習的實驗教學成績考核評價體系，更好地服務于實驗教學。應用實施過程中，根據師生在線反饋，持續改進相關教學評價機制，教師從平臺獲得實驗結果，科學分析，及時改變，形成教學閉環，探索有利于虛擬仿真實驗教學資源可持續運行的有效模式。[7]

四、“虛實結合”開展實驗教學的實踐案例

（一）“虛實結合”實踐教學案例

依據“虛實結合”開展實驗教學的思路，江蘇大學在“停課不停學”期間采取一系列措施，指導本校實踐教學工作有序開展。

（1）及時發布文件通知，調整教學計劃。根據教育部相關文件精神，江蘇大學及時印發《關于做好疫情防控期間實驗教學工作的通知》，提出本學期的實驗教學任務按照線上線下教學對接、虛擬實體實驗互補的思路，調整完善實驗教學計劃。[8]要求各二級單位實驗中心全面了解本中心教師授課內容和授課方式，指導并組織任課教師充分利用好虛擬仿真實驗教學項目等校內外線上資源，合理安排實驗教學。

（2）鼓勵使用虛擬仿真實驗教學項目，指導選課方法。開放本校虛擬仿真實驗教學項目資源，公布國家級、江蘇省、部分其他高校和相關企業的共享平臺資源。明確校內外虛擬仿真實驗教學項目資源能滿足本課程實驗教學要求的、可替代現有課程的部分實驗。

進入常態化時期，隨著虛擬仿真實驗資源的不斷推廣，“虛實結合”實驗教學取得了進一步的應用。學校除了繼續推進“停課不停學”期間采取的一系列與虛擬仿真實驗教學相關的教學措施外，還在學校實驗教學管理系統中專門開設了“在線虛擬實驗室”，并且將校內成熟的虛擬仿真實驗項目作為專業課實驗課程、創新學分實驗課程、開放共享實驗課程等，鼓勵教師和學生繼續使用。

（二）“虛實結合”開展實驗教學的效果

（1）解決了實驗教學“停課不停學”的難題。從全局來看，在去年“停課不停學”期間，學校以“虛實結合”的方式開展實驗教學，面對突如其來的疫情快速響應，實驗教學領域通過創新教學形式和內容的方式，積極應變，開展實驗教學改革。

（2）可以完成原本一些“做不上”“做不了”的實驗，如汽車碰撞、航空航天、特高壓等相關課程實驗。通過虛擬仿真技術，學生可以在虛擬環境中開展實驗，實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能。比如，學生在完成我校的《車身結構耐撞性與乘員保護評價虛擬仿真實驗》過程中，通過多次修改車身結構參數、多次碰撞實驗，最大程度實現乘員保護，最終讓學生對本課程知識點留下深刻印象，達到了很好的教學效果。

（3）在實驗教學過程中，借助“虛實結合”的方式，引導學生在我國“碳中和”承諾背景下思考電動裝備相較于傳統燃油動力的環境優勢，培養學生的專業興趣。比如，在完成我校《智能電動拖拉機電機性能評估與故障分析虛擬仿真實驗》過程中，通過實時修改電動拖拉機電機參數，并不斷進行測試與作業，讓學生對課程知識點深入探索，了解我國前沿農機發展技術，激發學生投身于祖國現代化建設的崇高使命感。

五、“虛實結合”實驗教學的思考和意義

（一）虛擬仿真實驗與實體實驗之間相互補充

傳統實體實驗可以讓學生動手接觸實驗設備，真實體驗實驗情境，對實驗過程中遇到的各種問題，主動解決，提高了學生的動手能力;虛擬仿真實驗往往在理想環境中進行，不存在設備損壞，耗材、成本等問題，一般只要步驟正確，都能順利完成整個過程，可見實體實驗在這方面有著無法比擬的優點。正是因為實體實驗的真實性特點，涉及高危或極端環境，高成本、高消耗、不可逆操作等問題的實驗項目，真實實驗條件難以滿足，實現困難。而虛擬仿真實驗則可以克服傳統實體實驗這方面的不足，在虛擬環境中開展這些“完不成、做不了、做不好”的實驗項目，易于完成設計性、綜合性以及真實條件不可及的實驗。虛擬仿真實驗的沉浸感，以及實驗中的交互性、想象性等信息化技術特征更能夠適應新時代大學生的特點，有效提高學習興趣，改善了實驗教學效果。因此，在實踐教學過程中，踐行“虛實結合，虛實互補”的教學理念，有著事半功倍的教學效果。

（二）有助于突出以學生為中心的實驗教學理念，回歸立德樹人本質

虛擬仿真實驗素材大多來源于科研成果、行業產業發展最新技術，或者國家戰略需求，通過對這類精心設計的虛擬仿真實驗項目的學習，不僅能激發學生的學習興趣和專業熱情，形成以學生為中心的交互式學習氛圍，還能讓學生接觸行業產業前沿，引導學生畢業后從事新興行業相關工作，樹立社會責任感，主動適應國家戰略發展需要。“虛實結合”開展實驗教學，推動虛擬仿真實驗與實體實驗資源整合，增加一部分以虛擬仿真“金課”為代表的優質實驗資源，淘汰一部分實體實驗中陳舊落后的“水課”，有利于提高實驗教學質量，是培養具有新時代創新精神和實踐能力的高素質人才的重要內容;在落實立德樹人根本任務、促進人的全面發展、著力培養全面發展的社會建設者方面有著重要的意義。

（三）“虛實結合”開展實驗教學，推進實踐教學方式變革

虛擬仿真實驗不受時間、空間的限制，學生在個人計算機上通過校外網絡就可以在線學習，打破了傳統實驗教學方式，不再拘泥于在實驗室內由實驗教師按部就班指導，延伸了實驗教學的時間和空間;虛擬仿真實驗全天候開放，學生可以自行調整時間安排，自主學習。基于以上特點，實驗教學分成“虛擬仿真實驗”和“實體實驗”兩部分，基于實際情況，靈活開展。“虛實結合”開展實驗教學既是應對疫情的需要，也是教學改革的一次機會。如果能充分利用線上虛擬仿真實驗教學資源，探索實驗教學信息化帶來的教與學的改革創新，將是推進實踐教學方式變革、提高教學質量的有益嘗試。

參考文獻：

[1]教育部辦公廳.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[EB/OL].（2017-07-13）[2021-08-28]. http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201707/t20170721_309819.html.

[2]實施一流本科課程“雙萬計劃”讓本科課程優起來——教育部印發《關于一流本科課程建設的實施意見》[EB/OL].（2019-10-31）[2021-08-28]. http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/xw_fbh/moe_2606/2019/tqh20191031/sfcl/201910/t20191031_ 406261.html.

[3]李平.推進虛擬現實技術應用 提高高校教育教學質量[J].實驗室研究與探索，2018，37（1）：1-4.

[4]張敏，劉俊波.對高校虛擬仿真實驗教學項目建設的若干思考[J].中國現代教育裝備，2020（1）：10-13.

[5]吳巖.建設中國“金課”[J].中國大學教學，2018（12）：4-9.

[6]胡今鴻，李鴻飛，黃濤.高校虛擬仿真實驗教學資源開放共享機制探究[J].實驗室研究與探索，2015，34（2）：140-144，201.

[7]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.

[8]江蘇大學.關于做好疫情防控期間實驗教學工作的通知[EB/OL].http：//yqfk.ujs.edu.cn/info/1005/1629.htm.

作者簡介：

蔡曉磊，實驗師，博士研究生，主要研究方向為電氣控制與應用，郵箱： caixiaolei@ujs.edu.cn;

朱孝勇，教授，博士，通訊作者，主要研究方向為電氣工程，郵箱：zxyff@ujs.edu.cn;

徐磊，副教授，博士，主要研究方向為電氣工程，郵箱：leixu@ujs.edu.cn;

黃永紅，教授，博士，主要研究方向為電氣工程，郵箱：hyh@ujs.edu.cn;

康梅，高級實驗師，碩士，主要研究方向為電氣控制與應用，郵箱：kangmei@ujs.edu.cn。

Exploration on Experiment Teaching in “Combination of Virtuality and Reality”

under the New Normal Situation

Xiaolei CAI， Xiaoyong ZHU*， Lei XU， Yonghong HUANG， Mei KANG

（School of Electrical and Information Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang Jiangsu 212013）

Abstract： According to the requirement of“Classes Suspended but Learning Continues” proposed by the Ministry of Education during the epidemic of COVID-19， colleges and universities use various online platforms to carry out online learning. Based on the construction of virtual simulation experiment teaching resources， this paper proposes a new model of experiment teaching with the“combination of virtuality and reality”. It also discusses the ideas and methods of using virtual simulation experiment teaching resources as online courses and carrying out experiment teaching with the model of “combination of virtuality and reality”. It introduces the case of Jiangsu University in guiding the experiment teaching during the epidemic， and probes into the practical meaning of the experiment teaching mode. Under the new normalization of epidemic， the instant changes and active respond to changes are expected. With a view of better implementing practical education in the construction of education informatization， it provides a reference for the reform of experimental teaching informatization.

Keywords： Experiment teaching; New normal situation; Virtual simulation; Combination of virtuality and reality

編輯：王天鵬? ?校對：王曉明