虛擬仿真實驗課程綜合評價*

趙海波 劉煥衛 高興奎 郝文剛

煙臺大學海洋學院 山東煙臺 264005

0 引言

實驗教學是培養高水平應用型人才的重要環節，是高等教育教學的重要組成部分[1]。近年來，隨著信息技術的快速發展，面向專業實驗教學的仿真實驗系統不斷出現，并在教學中得到了應用。虛擬仿真教學有效克服了學生實驗設備臺套數少、實驗空間不足等現實問題，保障了實驗教學任務的順利實施。在疫情防控期間，線上學習過程中虛擬仿真實驗更是代替了線下實驗，改變了傳統實驗教學模式。

虛擬仿真實驗是依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫、三維建模和網絡通信等技術[2]，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，通過學生與虛擬系統實時交互開展實驗，以完成教學大綱所要求的教學任務。在國內，虛擬仿真實驗作為高等教育信息化的重要組成部分，得到了國家的大力支持。近年來，《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》《教育信息化十年發展規劃（2011—2020）》《加快推進教育現代化實施方案（2018—2022年）》《中國教育現代化2035》等文件先后出臺，推動了信息技術與高等教育的深度融合?；谛畔⒓夹g的新型教育教學模式逐漸形成，初步實現了數字教育資源共建共享。2017年，教育部發布了《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》，啟動建設虛擬仿真實驗教學項目。2018年，教育部發布《關于狠抓新時代全國高等學校本科教育工作會議精神落實的通知》《教育部關于公布2018年國家精品在線開放課程認定結果的通知》等文件，提出梳理課程教學內容，打造具有高階性、創新性和挑戰度（“兩性一度”）的金課，在全國高校中掀起了金課建設熱潮。2019年，開始虛擬仿真實驗教學一流課程建設和認定工作，推動虛擬仿真實驗教學項目向具有高階性、創新性和挑戰性特征的“金課”發展[3]。虛擬仿真實驗教學正在快速推廣應用。

金課是虛擬仿真實驗教學的建設方向，采取措施使其達到“兩性一度”標準是提高教學質量、培養合格人才的必然要求。許多研究人員對此開展了大量探索和實踐。趙東芹等[4]按照OBE 理念，采用過程性評價與終結性評價相結合的課程評價模式，采用探索式、論文式、答辯式、辯論式等多種過程評價方式，考查學生知識整合、信息技術應用、組織交流、團隊合作、自主學習以及解決復雜問題的能力。李莉等[5]提出增加課程挑戰度的兩個途徑，一是任課教師要進一步優化課程內容、課程教學設計，二是采用過程性與終結性、理論與實踐、方法與案例有機結合的多維全過程考核方式。莫德赟等[6]采用在線學習、過程性考核和期末考核相結合的方式對學生能力進行檢驗。楊斌等[7]在課程考核中以考核學生能力培養目標的達成為主要目的，以檢查學生對各知識點的掌握程度和應用能力為重要內容，優化設計考核內容、多角度考查應用能力。傳統實驗教學考核基本采用比較簡單的固定方式，主要考查學生實驗考勤、實驗預習、實驗操作過程和實驗報告四部分，而實驗報告成績通常占較大比例，導致學生過于重視實驗報告的撰寫，忽視實驗能力的鍛煉和提升[8]。有實驗教學一線人員對此進行了改進。王香芬等[9]開展了線上線下混合式實驗教學，將考核評價貫穿于實驗課程全過程，線上線下實驗考核各有側重，線上注重學習效果，線下考核實操效果，課程的指標考核包含了線上學習、預習實驗報告、學習測試、實驗操作、實驗作業、拓展探究、學習互動與效果等內容，有效激發了學生在實驗環節的能動性和創新性。韋乃球等[10]進一步提出以能力考核為主線，建立了教師評價與學生評價相結合、線上與線下評價相結合、過程評價與結果評價相結合的多元合理評價體系。

上述研究對包括虛擬仿真實驗在內的金課建設提出了許多切實可行的措施，建立了多元化教學效果評價體系，實現了公正公平地評定學生課業成績[11]，但是這些評價多是從課程考核結果和學生收獲方面給出的，對金課建設的“兩性一度”評價缺少定量評價方法和應用的研究。這種評價方式只關注課程教學效果的評價，對課程的高階性、創新性和挑戰度評價不足。虛擬仿真實驗能夠單獨完成一門課程教學大綱規定的實驗內容，可以在高水平人才培養任務中發揮重要作用，能達成的效果不僅與學生使用因素有關，還與資源的設計、使用保障等因素相關，當然，更與這些因素對“兩性一度”的支撐程度有關。為此，本文基于“兩性一度”金課原則，以本專業現有虛擬仿真實驗課程為例，從資源建設、教學效果、創新能力培養方面，應用模糊層次分析法對其開展定量評價，為金課建設提供定量指導。

1 實驗課程評價

1.1 課程評價方法

虛擬仿真實驗課程評價需要考慮的因素較多，是一個系統性和綜合性多目標評價問題。解決該問題需借助科學的方法。模糊層次分析法是運用模糊系統基本理論，針對具體評價對象建立分層評價指標體系，綜合運算得到總體評價[12]。其基本步驟包括[13]：

1）分析系統各因素及評價目標，建立兩層模糊層次分析結構；

2）根據同一層次元素對上一層準則的重要程度兩兩對比建立判斷矩陣；

3）檢驗判斷矩陣的一致性，得到權重矩陣；

4）根據各因素評價結果得到隸屬度矩陣，合成計算得到綜合評價結果。

模糊層次分析法不但能很好地描述定性問題，適合于定性指標的分析計算，實現定性與定量指標的同等考量，還通過將評價指標分成不同的類別和層次，體現各指標對方案的影響程度，實現各指標的綜合整體效益最大化、最優化，給出綜合評判結果。

1.2 課程評價要素

虛擬仿真實驗作為一種新的實驗教學形態，實驗需要完成的內容及仿真展現和實施形式非常重要。另外，虛擬仿真實驗是依托網絡和計算機系統載體進行的，使用過程中必須保障順暢安全。這些因素都應在進行“兩性一度”評價時予以考慮。因此，虛擬仿真實驗課程的評價，不應僅僅從學生使用角度考慮，還應考慮實驗資源設計、開發及其實施保障情況。評價因素的選擇需結合虛擬仿真實驗設計、功能、應用及參與者使用效果、獲得的能力、評價進行。以下結合本專業現有制冷壓縮機拆裝虛擬仿真實驗項目來分析虛擬仿真實驗課程的評價因素。

能源與動力工程專業“制冷壓縮機拆裝虛擬仿真實驗”是山東省首批一流課程建設項目。該實驗項目服務制冷壓縮機拆裝實驗課程，完成教學大綱規定的教學任務，并在國內多所高校得到了應用。

在虛擬仿真實驗課程設計過程中，按照自上而下設計原則，依據專業培養目標、課程支撐畢業要求情況，確定課程目標，設計實驗項目，進一步根據實驗項目明確對象和實驗內容，確定實驗教學項目數及需要的學時數，在此基礎上提出仿真實驗的設計要求和實現方式。參與人員包括實驗課任課教師和實驗管理人員。設計過程中教師需要審核實驗項目綜合性，判斷與最新前沿科研成果、產業新業態、新模式結合程度。根據能源與動力工程專業培養目標，確定“制冷壓縮機拆裝虛擬仿真實驗”支撐的畢業要求是能夠針對特定需求，完成單元（部件）的設計與組裝。課程目標為通過壓縮機拆裝實訓，培養學生的專業實驗技能，加深對活塞式制冷壓縮機和螺桿式制冷壓縮機等理論的理解，掌握活塞式制冷壓縮機和螺桿式制冷壓縮機拆裝順序、各零部件結構特點及作用，并初步具備工程實踐能力。實驗項目確定為2 個，分別是活塞式制冷壓縮機拆卸與組裝實訓、螺桿式制冷壓縮機拆卸與組裝實訓，共計32 學時。制冷壓縮機虛擬仿真實驗內容具有較強的綜合性，與壓縮機動態仿真的前沿科研成果緊密結合，所面向活塞、螺桿壓縮機是當前制冷行業主流產品，與產業新業態、新模式結合程度較高。根據上述設計過程的分析得到的虛擬仿真課程評價要素有實驗教學項目數，課程屬性（學分、學時、必修、選修等），實驗項目綜合性、互動性，與最新最前沿科研成果結合程度，與產業新業態新模式結合程度，以及獲取與掌握知識能力，發現問題、分析問題、解決問題能力等。

依據虛擬仿真實驗設計要求，確定軟件應包含學習、練習和考核三種模式，并能隨時記錄操作情況。由虛擬仿真實驗設計開發人員開發軟件，采用3D 仿真動畫技術開發，綜合運用Unity3d、Maya、VisioStudio、Pro/Enigineer、Photoshop 等開發工具，完成項目單場景模型總面數1.2 M，主要指標包括貼圖分辨率512×512，每幀渲染次數25，動作反饋時間1/25 s，分辨率1 920×1 080。該軟件還包括一個采用JAVA 語言開發的管理平臺，使用了Eclipse 開發工具和MySQL5.5+數據庫。軟件開發人員在開發過程中要充分考慮仿真系統運行存在的網絡安全隱患與風險，并能依據使用過程中出現的問題不斷持續改進。開發過程得到的課程評價要素有網絡安全隱患與風險、軟件開發（框架、開發工具等）、應用便利性、數據支持情況與持續改進等。

仿真軟件開發完成后，教師和管理人員開始指導學生開展虛擬仿真教學。該軟件可以自動實時檢測判定實驗者的實驗完成情況，具體包括實驗完成度、操作正確性、實驗時間是否符合要求等，教師在后臺檢查學生實驗報告撰寫的規范性和完整性，并要求學生完成項目匯報，提供基于該項目的競賽獲獎情況。制冷壓縮機拆裝虛擬仿真軟件有學習模式、練習模式和考核模式，符合學生發現問題、分析問題、解決問題的學習探索邏輯，實現了探究性、個性化學習，真正實施了“以學生為中心”的理念，有助于創新能力的培養。這樣，使用過程得到的課程評價要素有實驗完成情況（完成度、正確性、實驗時間、方法創新性）、實驗報告撰寫情況（規范性和完整性）、項目完成情況（項目報告和項目匯報）等。

虛擬仿真實驗的實施地點可以是專業教室、計算機房、網絡或學生單機，實施過程中，需要指導老師現場或線上監督與指導，實驗管理人員需要隨時保障虛擬仿真實驗設備正常，網絡通暢。這里包括的課程評價要素有設備保障情況、互聯互通、后臺管理等。

根據評價內容及“兩性一度”的標準要求，上述要素可進一步分為實驗資源、教學效果和創新能力培養三個方面。根據參與人員情況，還可將上述要素分為實驗者、教師、管理者、技術服務人員四個維度。評價要素及歸類如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實驗教學體系

1.3 實驗課程綜合評價層次

得到實驗課程評價要素后，根據模糊層次分析原理，建立虛擬仿真實驗課程評價體系（圖1）。該體系包括兩個層次，第一層次包括仿真資源評價U1、教學效果評價U2以及學生創新能力培養評價U3。第二層次分別從實驗者、教師、管理者、技術服務等不同維度選取關鍵的、可測評的評價參數分別組成第一層次評價指標的二級指標。

其中，仿真資源評價U1包括：實驗者維度中的實驗教學項目數U11；教師維度中的課程屬性U12、實驗項目綜合性U13、互動性U14、“以學生為中心”的理念貫徹實施U15；實驗管理人員維度中的設備保障情況U16、互聯互通U17、后臺管理U18；開發人員維度中的網絡安全隱患與風險U19、軟件開發U110、應用便利性U111、數據支持情況與持續改進U112。

教學效果評價U2包括：實驗者維度中的實驗完成情況U21、實驗報告撰寫情況U22、項目完成情況U23；教師維度中的獲取與掌握知識能力以及發現問題、分析問題、解決問題能力U24。

學生創新能力培養評價U3包括：實驗者維度中的方法創新性U31、學生獲獎數U32；教師維度中的與最新最前沿科研成果結合程度U33、與產業新業態新模式結合程度U34、學生整體創新能力U35。

2 實驗課程綜合評價計算

2.1 確定權重矩陣

通過分析第一層次元素之間的重要程度得到判斷矩陣，經一致性檢驗后進一步得到第一層次指標U={U1,U2,U3}的權重矩陣為：

A=[0.16 0.30 0.54]

根據第二層次元素之間的相互重要程度得到第二層次的判斷矩陣，經一致性檢驗后進一步得到其權重矩陣分別如下：

仿真資源評價U1的權重矩陣為：

U1=[0.037 0.063 0.05 0.05 0.15 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 0.11 0.13]

教學效果評價U2的權重矩陣為：

U2=[0.10 0.29 0.18 0.43]

學生創新能力培養評價U3的權重矩陣為：

U3=[0.07 0.12 0.21 0.21 0.36]

2.2 確定評價指標模糊隸屬度

定義各指標的評價矩陣為V=[不及格 及格 中良好 優秀]，由10 位專家組成“制冷壓縮機拆裝虛擬仿真實驗”課程評價小組，給出上述二級指標的評價值，評價值分定量和定性兩種情況。對定量評價如實驗項目數、獲獎數等用數字，隸屬度函數采用三角函數[13]；對定性評價采用等級評定給出，如實驗項目綜合性、互動性等，隸屬度函數采用梯形函數[13]。將評價小組的評價結果匯總后取平均值，代入模糊隸屬度函數求得指標模糊隸屬度矩陣。

其中，仿真資源評價U1的隸屬度矩陣為：

教學效果評價U2的隸屬度矩陣為：

學生創新能力培養評價U3的隸屬度矩陣為：

由上述結果得到二級指標的評價矩陣

Bi=Ui×Ri，其中i=1，2，3。

仿真資源、教學效果、學生創新能力培養評價的評價矩陣分別為：

從上述二級指標的評價矩陣可以看出，該指標對V評價矩陣各元素的隸屬情況。根據最大化隸屬度原則[13]，“制冷壓縮機拆裝虛擬仿真實驗”課程的仿真資源、教學效果、學生創新能力培養的評價隸屬度分別為0.86，1和0.879，均屬于良好等級。但是創新能力培養情況對及格和中等的隸屬度分別為0.109 和0.012，說明該課程對創新能力培養的貢獻仍有待提高。

在二級評價指標矩陣基礎上，可進一步得到該課程的模糊綜合評價結果為：

A=U×R=U×[B1;B2;B3]=[0 0.059 0.007 0.912 0.023].

其中各數值表示該課程對V評價矩陣各元素的隸屬程度。根據最大化隸屬度原則，得到“制冷壓縮機拆裝虛擬仿真實驗”課程屬于良好等級的概率為0.912，可判斷該課程達到良好等級。

3 結束語

針對虛擬仿真實驗金課課程缺少定量評價問題，本文以“兩性一度”原則為依據，深入分析得到課程評價的影響因素，應用模糊層次分析方法提出并建立由虛擬仿真資源、教學效果及學生創新能力培養三個評價指標組成的虛擬仿真實驗課程評價方案，對虛擬仿真實驗教學資源、效果、創新能力培養進行了綜合評價，為實驗課程金課建設以及有效地開展虛擬仿真實驗教學提供了指導和借鑒。