高校工學類虛擬仿真實驗一流課程共享現狀分析及思考

高顏萌　張占東　王舒瑋　張瑞平　盛彬

摘? 要? 虛擬仿真實驗課程開放共享是國家提高實驗教學質量、促進高校協調發展的重要舉措。基于國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺中工學一流課程的校外共享實驗人次、課程瀏覽量、實驗人數等數據以及機械類課程的遠程共享實驗運行情況的統計研究，分析工學虛擬仿真實驗一流課程開放共享現狀，指出影響課程共享應用的主要問題，在教師觀念轉變、項目內容優化、制度保障及評價體系改善三方面提出相應的建議。

關鍵詞? 虛擬仿真；iLab-X實驗空間；實驗教學

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）08-0135-04

0? 引言

當前，“新工科”建設對工學專業人才培養提出了更高的要求，較強動手實踐能力、解決復雜工程問題能力及創新意識是工學專業重要人才培養目標之一[1-2]，而人才培養方案中實踐教學是支撐此培養目標的主要環節。隨著信息技術在教育領域的蓬勃發展，各工科專業虛擬仿真（簡稱虛仿）實驗課程的建設及應用成為克服傳統工學實驗設備昂貴、臺套數少、實驗耗時長、有危險性等共性弊端的重要途徑。2017年，教育部辦公廳頒布《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》[3]，推出國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺——iLab-X實驗空間，強調“突出應用驅動、資源共享”的建設目標[4]，旨在全面提高實驗教學質量，促進高校協調發展。

為全面分析當前工學類虛仿實驗課程共享現狀，本文對iLab-X實驗空間工學虛仿實驗課程的校外共享實驗人次、實驗人數、課程瀏覽量等數據進行深入分析，同時對機械類虛仿實驗國家一流課程逐一進行遠程實驗操作，以期從課程開發技術及課程內容方面梳理分析影響工學虛仿實驗課程共享的因素并提出改進舉措。

1? 共享現狀分析

當前iLab-X實驗空間顯示各級各類虛仿實驗課程共計3 457門，其中工學課程1 577門，占比高達45.6%，共包含31個專業類別[5]。校外共享實驗人次、課程瀏覽量、完成實驗人數及遠程共享運行流暢度可以反映當前工學虛仿實驗課程在全國高校范圍內的線上共享現狀及課程內容、技術建設方面的問題，為課程持續改進提供有利依據。

1.1? 校外共享實驗人次統計

校外共享實驗人次一定程度上可反映出當前已有虛仿課程的資源共享現狀。表1為工學31個專業類別中虛仿實驗課程門數排名前10的10個專業類別近一年校外共享實驗人次抽樣統計數據（統計每個專業類別近一年校外共享實驗人次排名前10的10門虛仿實驗課程相關數據）。10個專業類別近一年校外共享最高實驗人次均超過1 500人次，最高約5萬人次；各專業類別近一年平均校外共享實驗人次均接近或超過1 000人次，說明這些課程在全國高校同專業范圍內的資源共享度表現良好。從表1中數據可看出，各專業類別平均實驗人次與最高實驗人次之間均存在較大差距，機械類兩數據差距更明顯，說明同一專業類別中，各課程之間推廣應用以及資源共享程度的差異化較大，需深入研究影響資源共享廣度及深度的各方面因素。

1.2? 課程瀏覽量及實驗人數統計

對某一虛仿實驗課程基本信息網頁的瀏覽、完成實驗人次及未完成實驗人次均計入該課程的瀏覽量[6]。通過iLab-X實驗空間接口完成某一課程實驗并回傳成績的用戶總人數計入該課程的實驗人數（同一用戶多次實驗不累加）。

本文針對具有國家級一流虛仿實驗課程數量較多的10個工學專業類別的202門國家級一流課程的數據進行抽樣統計分析。

圖1為202門課程的瀏覽量統計情況。10個專業類別的最高課程瀏覽量均超過3.5萬人次，其中化工與制藥類某課程的瀏覽量超過19萬人次；各專業類別平均課程瀏覽量均超過1.5萬人次，反映出當前我國高校工學專業已廣泛認識到通過虛仿實驗建設促進工學實踐教學改革的重要意義，并在不斷促進一流虛仿實驗在教學中的應用。但同時，從圖1數據可以看出課程平均瀏覽量與最高瀏覽量的差距，一定程度上反映出同一專業類別中不同實驗項目建設虛仿實驗必要性及其受歡迎程度的差異化，為各高校后續進行相關課程虛仿實驗課程的建設提供建設方向依據。

圖2為202門課程的線上完成實驗人數統計情況。202門國家級一流課程上線均超過3年，約一半課程于2018年上線。有9個專業類別的最高實驗人數均超過3 000人，其中有4個專業類別的最高實驗人數超過6 000人，這些虛仿實驗一流課程的建設及推廣應用對國家“突出應用驅動、資源共享”的虛仿實驗課程建設目標達成具有重要意義。但同時，各專業類別國家一流虛仿實驗課程建設后的平均實驗人數與最高實驗人數存在一定差距，需詳細分析原因并加強持續改進，促進課程免費在線開放后的全面推廣共享及應用。

圖3為202門課程的實驗人數在課程瀏覽量中的占比情況。202門課程中，完成實驗人數在課程瀏覽量中的最高占比不足30%，機械類、電子信息類等6個專業類別的在線完成實驗人數在課程瀏覽量中的最高占比不足10%。10個專業類別僅有電氣類課程在線完成實驗人數在課程瀏覽量中的占比平均值超過10%。有多門國家級一流課程的課程瀏覽量高達1萬人次，而在線完成實驗人數卻遠低于課程瀏覽量。較高的課程瀏覽量說明近年來我國各高校工學專業在積極探索虛仿實驗課程的建設，同時積極利用在線一流虛仿實驗課程開展實踐教學，推動實踐教學的改革創新。而實驗能否完成受到設備、網絡、實驗運行流暢度、實驗難易程度、學生專業能力等多方面因素的影響，因此，課程流量向實驗完成人數的轉變是一流課程持續改進的重要方向。

1.3? 課程遠程共享運行情況統計

本文針對機械類44門虛仿實驗國家級一流課程進行了線上實驗測試。根據測試，約75%的課程可在線加載運行，有7門課程鏈接無法打開，近40%的課程通過下載插件、客戶端或指定瀏覽器可參與實驗。

在可運行的虛擬仿真實驗項目中，部分實驗項目較為注重環境、廠房布局、設備外形等畫面的渲染，會造成遠程加載速度較為緩慢、運行過程流暢度較低等情況，降低了實驗完成率。

2? 課程共享問題分析

上述統計數據反映出當前高校工學虛仿實驗一流課程較為突出的共享現狀是課程資源共享率有待持續提高，與國家“突出應用驅動、資源共享”“教學效果優良、開放共享有效”等建設目標仍具有一定差距，具體表現在以下幾方面。

2.1? 重項目建設，輕推廣應用

自教育部辦公廳2017年下發開展示范性虛仿實驗教學項目建設通知以來，全國各高校相繼開展虛仿實驗項目建設與申報工作，iLab-X實驗空間顯示各級各類虛仿實驗項目覆蓋高校2 600余所，覆蓋課程5 400余門[6]，然而前述校工學10類虛仿實驗課程校外共享實驗人次與我國高校工學700萬在校生人數相比，差距較大，反映出當前部分虛仿實驗課程在獲得省級或國家級認定后，由于缺乏持續有效的推廣應用，限制了課程的應用區域，未能深入貫徹“共享”理念。

2.2? 重場景呈現，輕實驗本質

工學虛仿實驗應注重真實實驗項目條件不具備、高成本、高消耗、不可逆等實驗問題的虛擬重現，然而當前許多虛擬仿真實驗項目將虛擬重心過多放在實驗室的空間結構、設備擺放、設備外形等場景的渲染方面，真正需要學生動手設計及操作的實驗環節卻較為簡單、流程化，雖實驗環境十分逼真，但對實踐教學目標達成的支撐度不夠高，導致課程共享利用率不高。

2.3? 重短期架構，輕持續運行

由于受課程改革、技術限制、經費支持等多方面因素的影響，部分虛仿實驗項目在開發初期的項目規劃不夠完善，未考慮到后續的擴展升級，從而導致無法持續滿足相關課程實驗的需求，造成虛擬實驗資源的擱置或應用率降低。據統計，iLab-X實驗空間中2017年、2018年、2019年上線的工學國家級一流虛仿實驗課程的平均瀏覽量分別為1.5萬人次、2.1萬人次、3.0萬人次，平均實驗人數分別為436人、519人、3 107人，數據呈上升趨勢，反映上線較晚的虛仿課程在線共享應用情況反而表現較好，在一定程度上說明隨著工學專業的建設發展，虛仿實驗課程的開發建設在不斷優化，新認定的課程更受到用戶的關注、更能夠滿足相關課程的實驗需求，而舊課程在獲得認定后的持續建設力度有待提高。

3? 課程共享改進思考

建立開放、共享、有效的高等教育信息化實驗教學項目新體系，在保證虛仿實驗課程質量的前提下，重在提高課程資源的共享利用率。許多學者從技術規范、服務管理、政策激勵、教學模式等多方面對虛仿實驗教學資源的開放共享機制進行深入研究[7-8]，工學虛仿實驗課程共享現狀的改善還應該從以下幾方面加強工作。

3.1? 進一步轉變教師觀念，助力虛仿實驗一流課程

的全面共享應用

工科專業復雜生產現場、復雜工藝參數、不可視實驗原理等很難在傳統實驗中呈現，應著力提升工科專業教師將信息技術與實驗教學深度融合的意識，轉變部分教師認為工科學生在虛仿實驗中無法操作實驗設備而無法提高動手實踐能力，從而消極開展虛仿實驗建設與應用的觀念。虛仿實驗是傳統實驗的拓展、延伸、補充，而不是替代，“能實不虛，虛實結合，虛實互補”應該成為教師深入進行虛仿實驗教學體系及教學模式改革的基本理念，才能真正帶動虛仿實驗一流課程的共享應用。

3.2? 進一步優化工學虛仿實驗項目內容及開發

技術，提升學生實驗體驗

工學實驗大多強調學生對實驗參數的設計、實驗設備的操作及實驗結果的觀察分析，應強化涉及學生動手操作步驟以及不可視實驗結果和原理的虛擬呈現，而實驗室結構、設備擺放位置等不影響實驗結果的實驗場景可降低制作精度或以圖片視頻的形式呈現，這樣既能高質量保證實驗效果又能減少因場景渲染過多而引起的共享卡頓現象，提升用戶實驗價值的獲得感，從而促進虛仿實驗課程瀏覽者向實驗者的轉變。

3.3? 進一步完善虛仿實驗一流課程持續建設的

保障制度及評價體系，提升課程共享率

虛仿實驗一流課程的持續升級、完善是適應專業發展需求、擴大課程開放共享的基礎。一方面高校應安排專項經費支持虛仿實驗項目的持續建設，積極尋求校際合作、校企合作等模式，同時探索較為合理的共享付費機制；另一方面，從課程持續建設進度、課程校內外共享應用情況、學生實驗效果反饋評價等方面建立完善的評價體系，形成良性競爭機制，調動教師開展虛仿實驗一流課程建設及應用的積極性。

4? 結束語

虛仿實驗一流課程建設是國家以信息化促進高等教育系統性變革、助推高等教育教學質量變軌超車的重要舉措，而優質課程資源全面開放共享是實現此發展目標的有力保障。各高校應持續探索并且積極優化虛仿實驗一流課程持續建設方法及開放共享機制，全面提高實驗教學的質量，促進高校協調發展。

5? 參考文獻

[1] 張寧，趙毅強，蘭馗博，等.“新工科”背景下關于虛擬仿真實驗的幾點思考和建議[J].實驗技術與管理，2020，37（3）：185-188.

[2] 王書亭，李昕，張芬，等.面向大工程觀培養的智能制造實踐教學體系構建[J].機械工程學報，2022，58（18）：319-332.

[3] 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 [A/OL].（2017-07-13）[2022-09-30].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201707/t20170721_309819.html.

[4] 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 [A/OL].（2018-06-05）[2022-09-30].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201806/t20180607_338713.html.

[5] 國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺[EB/OL].[2022-09-10].http：//www.ilab-x.com/.

[6] 尉小榮，徐建，李洋洋.高校國家級示范性虛擬仿真實驗教學課程建設與應用現狀分析[J].實驗科學與技術，2022，20（3）：26-30.

[7] 郭應彪，賈麗英.高校歷史學虛擬仿真實驗課程的探索與思考：基于國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺數據的分析[J/OL].河北師范大學學報（教育科學版），（2022-08-16）[2022-10-02].https：//kns.cnki.net/kcms2/article/abstract？v=C06iYwc_NfS9jwkeCq0aZ13DYGCAHDlUbiatEOV_T94CEU5Q_FpjQncae-uXNdOwbVaCjnO20SW_wdZVMvr48QF33kgFnzeeHtzCzFH9i-WQqnsQsQRa3S8GvDS89C_V5hWTu-RKNgE=&uniplatform=NZKPT&language=CHS.

[8] 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.

*項目來源：山西大同大學教學改革創新項目“簡潔化‘虛擬實驗平臺在材料成型及控制工程專業實驗教學中的應用探索”（XJG2019209）；山西省高等學校哲學社會科學研究項目“教學競賽引領下青年教師教學能力及普通課堂質量雙提升的探索與實踐”（2023W137）；山西大同大學教學改革創新項目“教學競賽推進高水平教學創新團隊建設的價值效應研究與實踐”（XJG2023210）。

作者簡介：高顏萌、王舒瑋、盛彬，講師；張占東，博士，副教授；張瑞平，副教授。