基于虛擬仿真技術(shù)建立線上線下融合的大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

張學(xué)博 劉依蒙 楊明

［摘 要］文章通過(guò)分析傳統(tǒng)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的特征及其存在的問(wèn)題，研究高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特征及其體系構(gòu)建要點(diǎn)，推出了線上線下融合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課程建設(shè)方案，提出了推進(jìn)理論教學(xué)的整體優(yōu)化改革與創(chuàng)新的具體方案。

［關(guān)鍵詞］虛擬仿真教學(xué)；線上線下融合教學(xué)；高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

［中圖分類(lèi)號(hào)］ 642.423 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 2095-3437（2023）23-0014-05

實(shí)踐教學(xué)是幫助學(xué)生鞏固和深化理論知識(shí)的有效途徑，是應(yīng)用型/工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)高校人才創(chuàng)新實(shí)踐能力的重要方式，也是學(xué)生從學(xué)校學(xué)習(xí)階段過(guò)渡到崗位工作階段的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。長(zhǎng)期以來(lái)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在著實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式僵化、創(chuàng)新性不足、技能訓(xùn)練模式過(guò)于刻板、學(xué)生自我發(fā)揮探索實(shí)踐的空間有限等問(wèn)題，在一定程度上抑制了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的積極主動(dòng)性。在科技高速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)不能夠滿足教學(xué)的需求，高校需要采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系應(yīng)采用線上線下融合的方式，以突破實(shí)驗(yàn)資源的限制，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)資源共享，打造與學(xué)習(xí)實(shí)踐目標(biāo)相匹配的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，使高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)更好地服務(wù)于提升教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

一、高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建要點(diǎn)

（一）實(shí)驗(yàn)教學(xué)須領(lǐng)先于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展

目前，部分高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)所使用的實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)方案仍然存在滯后于社會(huì)需求的現(xiàn)象，這不利于高校人才的培養(yǎng)。此外，一些公司使用的實(shí)驗(yàn)儀器相較于高校實(shí)驗(yàn)室中的設(shè)備更為先進(jìn)，這導(dǎo)致高校學(xué)生難以快速融入社會(huì)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的在于讓學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)技術(shù)，將科學(xué)成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際行動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力和素養(yǎng)。科學(xué)的發(fā)展離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)科學(xué)、有效的實(shí)驗(yàn)，我們可以不斷提煉出更加成熟的技術(shù)，從而為國(guó)家的持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)大的支撐。而高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)肩負(fù)著培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ闹厝危虼耍瑢?shí)驗(yàn)課程體系和教學(xué)內(nèi)容必須及時(shí)進(jìn)行改革，以滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)高校人才培養(yǎng)的需求，促進(jìn)教育質(zhì)量的提升。

（二）將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建的重點(diǎn)

開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，可以更好地將最新的科研成果融入實(shí)驗(yàn)課堂，推動(dòng)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)內(nèi)容的快速更新，以滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)高校提出的育人要求。然而，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系是一項(xiàng)復(fù)雜且資金投入量大的工作，它的開(kāi)發(fā)必須克服從理論到實(shí)踐的轉(zhuǎn)變，以便讓人們能夠更直觀地體驗(yàn)從理論到實(shí)踐的發(fā)展和變化。因此，高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建應(yīng)嚴(yán)格遵循教育部頒布的《教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見(jiàn)》（教高〔2019〕8號(hào)），采用現(xiàn)代化技術(shù)手段，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目和線上線下混合式實(shí)驗(yàn)課堂，將先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)課程，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程改革和技術(shù)創(chuàng)新，以更好地適應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。同時(shí)，還需要改進(jìn)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐模式，打造出一個(gè)全新的、專(zhuān)業(yè)對(duì)口的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

（三）平衡虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展與創(chuàng)新之間的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的發(fā)展和創(chuàng)新必須遵循六個(gè)平衡，即基礎(chǔ)與前沿的平衡、傳統(tǒng)與現(xiàn)代的平衡、單一原理與多元化設(shè)計(jì)的平衡、個(gè)人操作與團(tuán)隊(duì)協(xié)作的平衡、理論原理與實(shí)踐技術(shù)的平衡、逐步學(xué)習(xí)與研究探索的平衡。在這些平衡關(guān)系中，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目主要體現(xiàn)前者，幫助學(xué)生建立專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)理論、方法和技能；而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)和學(xué)生科研訓(xùn)練則主要體現(xiàn)后者，幫助學(xué)生更好地鞏固專(zhuān)業(yè)技能，了解專(zhuān)業(yè)最新發(fā)展，并增強(qiáng)學(xué)科交叉能力，培養(yǎng)實(shí)踐素養(yǎng)。

二、線上線下融合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課程建設(shè)方案

根據(jù)教育部頒布的《教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見(jiàn)》（教高〔2019〕8號(hào)），線上線下融合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)該采用更加先進(jìn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)，以改進(jìn)和優(yōu)化傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。具體的課程建設(shè)方案如下。

（一）線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)方案

為了提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能水平，課題組推出了一種新型的線上實(shí)驗(yàn)課程，它將所有的實(shí)踐活動(dòng)轉(zhuǎn)化為虛擬仿真形式，以便讓更多學(xué)生更方便、快捷地理解和掌握知識(shí)。該線上實(shí)驗(yàn)課程劃分為三類(lèi)（見(jiàn)表1）：第一類(lèi)為專(zhuān)業(yè)型實(shí)驗(yàn)，包括專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、專(zhuān)業(yè)課程實(shí)驗(yàn)、專(zhuān)業(yè)方向或者涉及本專(zhuān)業(yè)的前沿學(xué)科領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)；第二類(lèi)為學(xué)術(shù)型實(shí)驗(yàn)，包括專(zhuān)業(yè)或相關(guān)專(zhuān)業(yè)的前沿學(xué)科領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)，以及專(zhuān)業(yè)方向的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)；第三類(lèi)為創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，包括專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)、學(xué)生自主創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)和師生協(xié)作創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具體包括實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、注意事項(xiàng)、數(shù)據(jù)記錄表及結(jié)果假設(shè)等內(nèi)容，教師通過(guò)線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)，同時(shí)由專(zhuān)業(yè)教師和專(zhuān)家組成員進(jìn)行審核，并對(duì)實(shí)驗(yàn)安全性和可操作性進(jìn)行評(píng)估。只有經(jīng)過(guò)專(zhuān)家組成員審核通過(guò)后，創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)才能在線下進(jìn)行，以提高實(shí)驗(yàn)的可靠程度，并減少實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備損壞的可能性。若實(shí)驗(yàn)可以順利進(jìn)行，則可以將實(shí)驗(yàn)流程融入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，以增加線上實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)類(lèi)型，完善線上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)。

（二）線上線下混合式實(shí)驗(yàn)課程體系的構(gòu)建方案

高校實(shí)驗(yàn)課程包括實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)（線下）和虛擬仿真模擬實(shí)驗(yàn)（線上），旨在幫助學(xué)生更好地理解并掌握知識(shí)。為了滿足當(dāng)今時(shí)代的需求，適應(yīng)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及其他領(lǐng)域的快速發(fā)展，課題組采用了混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將線下專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課程與線上專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課程相結(jié)合，構(gòu)建線上線下混合式實(shí)驗(yàn)課程體系。

針對(duì)線下實(shí)驗(yàn)，要開(kāi)設(shè)具有較高質(zhì)量、具有較高綜合性的課程，摒棄那些過(guò)時(shí)或無(wú)用的知識(shí)。同時(shí)，還需要對(duì)線上課程的內(nèi)容和學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以便更好地利用最新的科學(xué)技術(shù)，開(kāi)展更多的虛擬仿真實(shí)踐活動(dòng)。在線上線下混合式實(shí)驗(yàn)課程體系中，還要增加使用虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)課程所占的比例。將線上線下實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行有效融合有以下幾種方案：

（1）線下實(shí)驗(yàn)+線上理論教學(xué)。

（2）線下實(shí)驗(yàn)+線上輔助實(shí)驗(yàn)。

（3）線下實(shí)驗(yàn)+線上虛擬仿真輔助實(shí)驗(yàn)（用于線下實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)）。

（4）線下實(shí)驗(yàn)+線上MOOC（用于布置任務(wù)、理論指導(dǎo)、作業(yè)、管理等）。

（5）線下實(shí)驗(yàn)+線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

通過(guò)將線上線下實(shí)驗(yàn)課程融合，大量引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程，可以幫助學(xué)生拓寬知識(shí)領(lǐng)域，豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并獲得更大的收獲。這樣的課程既簡(jiǎn)單又實(shí)用，能夠讓學(xué)生更加全面、系統(tǒng)地參與到本科的實(shí)驗(yàn)教育中。其中，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程融入實(shí)驗(yàn)課程體系的具體形式如下（見(jiàn)表2）。

此外，為了幫助學(xué)生科學(xué)合理地規(guī)劃所學(xué)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課程，課題組設(shè)置了線上線下專(zhuān)業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)的參考路徑：

（1）根據(jù)《普通高等學(xué)校本科專(zhuān)業(yè)類(lèi)教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，更加精確地確定專(zhuān)業(yè)學(xué)生的知識(shí)、技能、素質(zhì)等培養(yǎng)目標(biāo)，以滿足社會(huì)對(duì)高素質(zhì)人才的需求。

（2）全面調(diào)整并重新設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程體系，包括模塊、層次、名稱(chēng)、學(xué)分和學(xué)時(shí)等，以滿足學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)類(lèi)課程的學(xué)習(xí)需求。

（3）經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的篩查、重組和調(diào)整，淘汰落后的傳統(tǒng)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑⒎e極與先進(jìn)的技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出更具創(chuàng)意和挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)課題，從而使實(shí)驗(yàn)課堂更加符合當(dāng)今的發(fā)展趨勢(shì)，更好地滿足專(zhuān)業(yè)人才的培養(yǎng)需求。

（4）構(gòu)建一個(gè)包含各種實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)矩陣，這個(gè)矩陣的橫軸代表著滿足不同專(zhuān)業(yè)的學(xué)習(xí)需求（包括但不限于實(shí)驗(yàn)課程、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、主講教師及其他相應(yīng)的指導(dǎo)教師、各個(gè)小組的成員），縱軸表示這些需求的大小及它們之間的相互作用。

（5）重新設(shè)計(jì)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，并為各專(zhuān)業(yè)配備實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源配置圖，根據(jù)各個(gè)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源進(jìn)行安排，以便更精準(zhǔn)地對(duì)線上線下的實(shí)驗(yàn)課程及其所占比例進(jìn)行科學(xué)合理的分配。

（三）線上線下混合式專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源配置——以河南理工大學(xué)安全工程專(zhuān)業(yè)為例

專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源配置圖是一種重要的工具，它可以幫助我們更好地管理和組織實(shí)驗(yàn)室的資源，為教師提供一個(gè)更加精確的指南，從而更好地指導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

在制訂專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源配置圖時(shí)，邀請(qǐng)來(lái)自專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的權(quán)威人士參與是非常重要的，例如邀請(qǐng)有著豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的教授、在實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域取得顯著進(jìn)展的優(yōu)秀人才等。下面以河南理工大學(xué)安全工程專(zhuān)業(yè)本科人才培養(yǎng)為例，對(duì)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源配置圖做詳細(xì)解析（見(jiàn)表3）。通過(guò)分析河南理工大學(xué)安全工程專(zhuān)業(yè)本科生的實(shí)驗(yàn)情況，可以深入了解該學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室和課堂的資源分布情況，從而更好地提升學(xué)生的能力。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整體優(yōu)化改革與創(chuàng)新的建議

（一）引入傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)，可以更好地將理論知識(shí)融入基礎(chǔ)的虛擬仿真課程中

雖然隨著科技的發(fā)展，利用信息技術(shù)進(jìn)行在線實(shí)驗(yàn)已被廣泛應(yīng)用于理論教學(xué)中，但傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚴箤W(xué)生更易于進(jìn)行復(fù)雜的驗(yàn)證性操作，為更難的實(shí)驗(yàn)操作流程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并可將其作為評(píng)估學(xué)生能力的重要依據(jù)，使其他傳統(tǒng)的簡(jiǎn)易驗(yàn)證性操作能夠得到充分的應(yīng)用。

（二）利用多種信息來(lái)源，結(jié)合多樣化的實(shí)踐活動(dòng)，以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、深入研究和掌握專(zhuān)業(yè)技術(shù)的能力

經(jīng)過(guò)改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，將一些已經(jīng)失效的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)納入其中，能夠幫助學(xué)生更好地掌握并運(yùn)用各種知識(shí)，包括基本的數(shù)據(jù)、模型、算法、工具等，從而更好地應(yīng)對(duì)復(fù)雜的現(xiàn)代社會(huì)問(wèn)題。此外，將最新的科技和工程技術(shù)納入理論課的教學(xué)中，不僅可以大大節(jié)省教師的教學(xué)時(shí)間，還能更好地滿足學(xué)習(xí)者的需求。

（三）淘汰落后的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶蛢?nèi)容

為了更好地滿足當(dāng)今經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及其他發(fā)展的要求，將最新的科研成果和更多的實(shí)踐性活動(dòng)引入高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課堂中，以提升實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效果。同時(shí)，可將不同專(zhuān)業(yè)知識(shí)有效地融入課堂中，以更好地滿足當(dāng)今的實(shí)際需求。

（四）全面貫徹多層次變革實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種具有革命性的教學(xué)方法，它不僅徹底改變了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，還極大地拓寬了學(xué)生的視野，使得他們的學(xué)習(xí)體驗(yàn)得到了改善。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)可以將實(shí)驗(yàn)的各種步驟有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，使學(xué)生更加深入地了解實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際情況，并更好地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)。

（五）利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)推進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入專(zhuān)業(yè)教育全過(guò)程

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以大大完善實(shí)驗(yàn)課程體系與教學(xué)內(nèi)容，甚至可以替代傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)，將多種實(shí)驗(yàn)結(jié)果融為一體，以更好地反映當(dāng)下最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容與實(shí)踐能力之間的協(xié)調(diào)，從而滿足學(xué)生提升創(chuàng)新能力及實(shí)踐能力的需求。對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力來(lái)說(shuō)，改革課程體系和教學(xué)內(nèi)容已成為推動(dòng)創(chuàng)業(yè)教育深度滲透到整個(gè)教學(xué)過(guò)程的重要舉措。

四、總結(jié)

本文通過(guò)分析高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建要點(diǎn)，從社會(huì)、課程構(gòu)建、教學(xué)與創(chuàng)新三個(gè)方面展開(kāi)探討，最終確定了線上線下融合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課程建設(shè)方案，包括線上實(shí)驗(yàn)課程的改進(jìn)方案、線上線下混合式實(shí)驗(yàn)課程體系的構(gòu)建方案，以及以河南理工大學(xué)安全工程專(zhuān)業(yè)為例分析的線上線下混合式專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源配置方案，并為實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)化改革和創(chuàng)新提出了相關(guān)建議。

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