基于虛擬仿真技術(shù)建立線上線下融合的大學(xué)實驗教學(xué)體系

張學(xué)博 劉依蒙 楊明

［摘 要］文章通過分析傳統(tǒng)高校實驗教學(xué)體系的特征及其存在的問題，研究高校實驗教學(xué)的特征及其體系構(gòu)建要點，推出了線上線下融合式實驗教學(xué)的課程建設(shè)方案，提出了推進理論教學(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)；高校實驗教學(xué)體系

［中圖分類號］ 642.423 ［文獻標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）23-0014-05

實踐教學(xué)是幫助學(xué)生鞏固和深化理論知識的有效途徑，是應(yīng)用型/工科類專業(yè)培養(yǎng)高校人才創(chuàng)新實踐能力的重要方式，也是學(xué)生從學(xué)校學(xué)習(xí)階段過渡到崗位工作階段的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。長期以來，傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在著實驗教學(xué)模式僵化、創(chuàng)新性不足、技能訓(xùn)練模式過于刻板、學(xué)生自我發(fā)揮探索實踐的空間有限等問題，在一定程度上抑制了學(xué)生對實驗課程的積極主動性。在科技高速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)的實驗教學(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驗教學(xué)。

高校實驗教學(xué)體系應(yīng)采用線上線下融合的方式，以突破實驗資源的限制，實現(xiàn)實驗資源共享，打造與學(xué)習(xí)實踐目標(biāo)相匹配的專業(yè)實驗教學(xué)體系，使高校的實驗教學(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、高校實驗教學(xué)體系構(gòu)建要點

（一）實驗教學(xué)須領(lǐng)先于經(jīng)濟社會發(fā)展

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

實驗教學(xué)的目的在于讓學(xué)生掌握實驗技術(shù)，將科學(xué)成果轉(zhuǎn)化為實際行動，培養(yǎng)學(xué)生理論與實踐相結(jié)合的能力和素養(yǎng)。科學(xué)的發(fā)展離不開實驗，通過科學(xué)、有效的實驗，我們可以不斷提煉出更加成熟的技術(shù)，從而為國家的持續(xù)發(fā)展提供強大的支撐。而高校實驗教學(xué)肩負(fù)著培養(yǎng)學(xué)生實驗?zāi)芰Φ闹厝危虼耍瑢嶒炚n程體系和教學(xué)內(nèi)容必須及時進行改革，以滿足經(jīng)濟社會發(fā)展對高校人才培養(yǎng)的需求，促進教育質(zhì)量的提升。

（二）將虛擬仿真實驗作為高校實驗教學(xué)體系構(gòu)建的重點

開發(fā)虛擬仿真實驗教學(xué)項目，可以更好地將最新的科研成果融入實驗課堂，推動實驗課程教學(xué)內(nèi)容的快速更新，以滿足經(jīng)濟社會發(fā)展對高校提出的育人要求。然而，構(gòu)建實驗教學(xué)體系是一項復(fù)雜且資金投入量大的工作，它的開發(fā)必須克服從理論到實踐的轉(zhuǎn)變，以便讓人們能夠更直觀地體驗從理論到實踐的發(fā)展和變化。因此，高校實驗教學(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)的實施意見》（教高〔2019〕8號），采用現(xiàn)代化技術(shù)手段，結(jié)合實際應(yīng)用，開發(fā)虛擬仿真實驗教學(xué)項目和線上線下混合式實驗課堂，將先進的科學(xué)技術(shù)和科學(xué)實驗設(shè)備應(yīng)用于實驗課程，進行實驗課程改革和技術(shù)創(chuàng)新，以更好地適應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。同時，還需要改進專業(yè)實踐模式，打造出一個全新的、專業(yè)對口的高校實驗教學(xué)平臺。

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

實驗教學(xué)體系的發(fā)展和創(chuàng)新必須遵循六個平衡，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)計的平衡、個人操作與團隊協(xié)作的平衡、理論原理與實踐技術(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)的實驗室實驗教學(xué)項目主要體現(xiàn)前者，幫助學(xué)生建立專業(yè)的基礎(chǔ)理論、方法和技能；而虛擬仿真實驗教學(xué)和學(xué)生科研訓(xùn)練則主要體現(xiàn)后者，幫助學(xué)生更好地鞏固專業(yè)技能，了解專業(yè)最新發(fā)展，并增強學(xué)科交叉能力，培養(yǎng)實踐素養(yǎng)。

二、線上線下融合式實驗教學(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)的實施意見》（教高〔2019〕8號），線上線下融合式實驗教學(xué)應(yīng)該采用更加先進的虛擬仿真實驗技術(shù)，以改進和優(yōu)化傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，實現(xiàn)混合式實驗教學(xué)，提高實驗教學(xué)質(zhì)量。具體的課程建設(shè)方案如下。

（一）線上實驗教學(xué)的改進方案

為了提高學(xué)生的實驗技能水平，課題組推出了一種新型的線上實驗課程，它將所有的實踐活動轉(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。該線上實驗課程劃分為三類（見表1）：第一類為專業(yè)型實驗，包括專業(yè)基礎(chǔ)實驗、專業(yè)課程實驗、專業(yè)方向或者涉及本專業(yè)的前沿學(xué)科領(lǐng)域?qū)嶒灒坏诙悶閷W(xué)術(shù)型實驗，包括專業(yè)或相關(guān)專業(yè)的前沿學(xué)科領(lǐng)域?qū)嶒灒约皩I(yè)方向的實驗課程設(shè)計；第三類為創(chuàng)新型實驗，包括專業(yè)創(chuàng)新型實驗、學(xué)生自主創(chuàng)新型實驗和師生協(xié)作創(chuàng)新型實驗。創(chuàng)新型實驗設(shè)計具體包括實驗原理、實驗步驟、注意事項、數(shù)據(jù)記錄表及結(jié)果假設(shè)等內(nèi)容，教師通過線上虛擬仿真實驗平臺對創(chuàng)新型實驗進行構(gòu)件設(shè)計，同時由專業(yè)教師和專家組成員進行審核，并對實驗安全性和可操作性進行評估。只有經(jīng)過專家組成員審核通過后，創(chuàng)新型實驗才能在線下進行，以提高實驗的可靠程度，并減少實驗儀器和設(shè)備損壞的可能性。若實驗可以順利進行，則可以將實驗流程融入虛擬仿真實驗平臺中，以增加線上實驗的實驗類型，完善線上實驗平臺的建設(shè)。

（二）線上線下混合式實驗課程體系的構(gòu)建方案

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

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

（1）線下實驗+線上理論教學(xué)。

（2）線下實驗+線上輔助實驗。

（3）線下實驗+線上虛擬仿真輔助實驗（用于線下實驗預(yù)習(xí)）。

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

（5）線下實驗+線上虛擬仿真實驗。

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

此外，為了幫助學(xué)生科學(xué)合理地規(guī)劃所學(xué)專業(yè)實驗課程，課題組設(shè)置了線上線下專業(yè)課程實驗教學(xué)體系建設(shè)的參考路徑：

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

（2）全面調(diào)整并重新設(shè)計專業(yè)的實驗課程體系，包括模塊、層次、名稱、學(xué)分和學(xué)時等，以滿足學(xué)生對于實驗類課程的學(xué)習(xí)需求。

（3）經(jīng)過系統(tǒng)的篩查、重組和調(diào)整，淘汰落后的傳統(tǒng)專業(yè)實驗?zāi)Ｊ剑⒎e極與先進的技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出更具創(chuàng)意和挑戰(zhàn)性的實驗課題，從而使實驗課堂更加符合當(dāng)今的發(fā)展趨勢，更好地滿足專業(yè)人才的培養(yǎng)需求。

（4）構(gòu)建一個包含各種實驗教學(xué)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)矩陣，這個矩陣的橫軸代表著滿足不同專業(yè)的學(xué)習(xí)需求（包括但不限于實驗課程、實驗項目、主講教師及其他相應(yīng)的指導(dǎo)教師、各個小組的成員），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)計高校實驗教學(xué)課程，并為各專業(yè)配備實驗教學(xué)資源配置圖，根據(jù)各個專業(yè)實驗教學(xué)資源進行安排，以便更精準(zhǔn)地對線上線下的實驗課程及其所占比例進行科學(xué)合理的分配。

（三）線上線下混合式專業(yè)實驗教學(xué)資源配置——以河南理工大學(xué)安全工程專業(yè)為例

專業(yè)實驗教學(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驗室的資源，為教師提供一個更加精確的指南，從而更好地指導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的實驗?zāi)芰Α?/p>

在制訂專業(yè)的實驗教學(xué)資源配置圖時，邀請來自專業(yè)領(lǐng)域的權(quán)威人士參與是非常重要的，例如邀請有著豐富實踐經(jīng)驗的教授、在實驗教學(xué)領(lǐng)域取得顯著進展的優(yōu)秀人才等。下面以河南理工大學(xué)安全工程專業(yè)本科人才培養(yǎng)為例，對專業(yè)實驗教學(xué)資源配置圖做詳細(xì)解析（見表3）。通過分析河南理工大學(xué)安全工程專業(yè)本科生的實驗情況，可以深入了解該學(xué)院的實驗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、實驗教學(xué)的整體優(yōu)化改革與創(chuàng)新的建議

（一）引入傳統(tǒng)的簡單實驗，可以更好地將理論知識融入基礎(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)進行在線實驗已被廣泛應(yīng)用于理論教學(xué)中，但傳統(tǒng)的簡單實驗?zāi)軌蚴箤W(xué)生更易于進行復(fù)雜的驗證性操作，為更難的實驗操作流程打下堅實的基礎(chǔ)，并可將其作為評估學(xué)生能力的重要依據(jù)，使其他傳統(tǒng)的簡易驗證性操作能夠得到充分的應(yīng)用。

（二）利用多種信息來源，結(jié)合多樣化的實踐活動，以培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、深入研究和掌握專業(yè)技術(shù)的能力

經(jīng)過改進的實驗教學(xué)體系，將一些已經(jīng)失效的驗證性實驗納入其中，能夠幫助學(xué)生更好地掌握并運用各種知識，包括基本的數(shù)據(jù)、模型、算法、工具等，從而更好地應(yīng)對復(fù)雜的現(xiàn)代社會問題。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)實驗?zāi)Ｊ胶蛢?nèi)容

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

（四）全面貫徹多層次變革實驗教學(xué)理念

虛擬仿真實驗教學(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)體驗得到了改善。虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)可以將實驗的各種步驟有機地結(jié)合起來，使學(xué)生更加深入地了解實驗教學(xué)的實際情況，并更好地實現(xiàn)實驗教學(xué)的目標(biāo)。

（五）利用虛擬仿真實驗教學(xué)推進創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入專業(yè)教育全過程

虛擬仿真實驗教學(xué)可以大大完善實驗課程體系與教學(xué)內(nèi)容，甚至可以替代傳統(tǒng)實體實驗，將多種實驗結(jié)果融為一體，以更好地反映當(dāng)下最先進的科學(xué)技術(shù)，實現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容與實踐能力之間的協(xié)調(diào)，從而滿足學(xué)生提升創(chuàng)新能力及實踐能力的需求。對于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力來說，改革課程體系和教學(xué)內(nèi)容已成為推動創(chuàng)業(yè)教育深度滲透到整個教學(xué)過程的重要舉措。

四、總結(jié)

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

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 王文亮，羅清，李新平，等.后疫情時代高校實踐教學(xué)模式的思考與構(gòu)建[J].中國造紙，2022，41（5）：117-121.

[2] 鐘顯康，李浩男，扈俊穎.新冠疫情背景下傳統(tǒng)實驗類教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)及對策討論[J].教師教育論壇，2021，34（3）：36-39.

[3] 熊宏齊.基于虛擬仿真的線上線下融合專業(yè)實驗教學(xué)體系構(gòu)建[J].實驗技術(shù)與管理，2022，39（3）：5-10.

[4] 熊宏齊.虛擬仿真實驗教學(xué)助推理論教學(xué)與實驗教學(xué)的融合改革與創(chuàng)新[J].實驗技術(shù)與管理，2020，37（5）：1-4.

[5] 吳艷萍.新時代背景下中國高校體育教育改革路徑探索[J].科教導(dǎo)刊（上旬刊），2019（10）：54-55.

[6] 李萍萍.教育哲學(xué)視域下的大學(xué)教育改革：評《大學(xué)與教育哲學(xué)》[J].高教探索，2020（4）：131.

[7] 張琳，薛崇祥，何世勇，等.高等院校實驗教學(xué)現(xiàn)狀的探索與改革[J].中國中醫(yī)藥現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育，2020，18（2）：154-158.

[8] 李國強.新時代背景下中國高校體育教育改革路徑探索[J].休閑，2019（7）：124.

[9] 崔連敏，周群，湯猛，等.創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的《大學(xué)物理實驗》教學(xué)體系探索[J].軟件導(dǎo)刊（教育技術(shù)），2019，18（4）：79-81.

[10] 唐艷，陳紅祥，邱江華，等.工科高校基礎(chǔ)化學(xué)實驗課程體系重構(gòu)與實踐[J].廣州化工，2022，50（7）：249-250.

［責(zé)任編輯：鐘 嵐］