虛擬仿真實驗教學助推理論教學與實驗教學的融合改革與創新

熊宏齊

（東南大學 實驗室與設備管理處，江蘇 南京 211189）

1 實驗教學的概念及重要性

創新性人才是在先天秉賦、后天環境、教育影響和個人努力過程中成長起來的，其中教育的作用集中體現在促進其創造性發展。大學生的創造性發展是在他們掌握扎實、充分的基礎知識的基礎上，通過實踐得以真正實現。

高校實驗教學是學生選取實驗研究對象，利用儀器設備或其他因素，在人為控制條件下，引起實驗研究對象的內在因素發生變化，學生通過觀察、測定、分析、綜合、設計等獲得知識、能力和素養的教學活動。在通常的高校實驗教學起始階段，學生要在教師指導下，通過基本操作訓練，掌握基本知識、基本方法和基本技能。隨著教學進程的不斷深入，學生主動實驗的意識逐步增強，自主實驗的要求不斷提高，實驗教學活動逐漸轉變為學生自己設計實驗方案、自己控制實驗過程、自主分析實驗結果、系統撰寫實驗報告的高級階段。

在教學理念、教學內容、教學方法、管理模式、資源配置等方面，實驗教學與理論教學相比較，更加有利于突出學生主體，促進其主動建構科學的知識體系；更加有利于突出手、腦并用，促進理論與實踐結合；更加有利于突出研究探索，培養學生創新意識和實踐能力；更加有利于突出綜合設計和多元分析結合，提高學生綜合科學素質；更加有利于突出知、情、意、能的高級復合作用，幫助學生取得創新成果并得到全面綜合發展。因此，實驗教學改革是高校教學改革的重要方向、教學建設的重要內容，對創新人才培養質量的提高具有重要作用[1]。

2 虛擬仿真實驗教學的內涵

虛擬仿真實驗教學是依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫、網絡通信等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象。學生在虛擬環境中開展實驗，達到教學大綱要求的教學目的的教學活動。

教育部《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》（教高廳〔2017〕4 號）[2]和《關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》（教高函〔2018〕5 號）[3]明確指出，國家虛擬仿真實驗教學項目的教學理念：注重以學生為中心，注重對學生社會責任感、創新精神、實踐能力的綜合培養，調動學生參與實驗教學的積極性和主動性，激發學生的學習興趣和潛能，增強學生創新創造能力；國家虛擬仿真實驗教學項目的教學內容：不僅要堅持問題導向，重點解決不具備真實實驗項目條件或實際運行困難，涉及高危或極端環境，高成本、高消耗、不可逆操作，以及大型綜合訓練等問題，同時要堅持需求導向，緊密結合經濟社會發展對高校人才培養的需求，緊密結合專業特色和行業產業發展最新成果；國家虛擬仿真實驗教學項目的教學方法：始終關注信息化時代背景下學生需求，重點實行基于問題、基于案例的互動式、研討式教學，倡導自主式、合作式、探究式學習。虛擬仿真實驗教學項目的建設，旨在推動高校積極探索線上線下教學相結合，個性化、智能化、泛在化的實驗教學新模式，形成專業布局合理、教學效果優良、開放共享有效的高等教育信息化實驗教學項目示范新體系，支撐高等教育教學質量的全面提高。

國家虛擬仿真實驗教學項目是教育部推出的5 類“金課”之一，其建設水平堅持“高階性、創新性、挑戰度”，即“兩性一度”標準。

（1）提升“高階性”。即課程目標堅持知識、能力、素質有機融合，培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維。課程內容強調廣度和深度，突破習慣性認知模式，培養學生深度分析、大膽質疑、勇于創新的精神和能力。

（2）突出“創新性”。即教學內容體現前沿性與時代性，及時將學術研究、科技發展前沿成果引入課程。教學方法體現先進性與互動性，大力推進現代信息技術與教學深度融合，積極引導學生進行探究式與個性化學習。

（3）增加“挑戰度”。即課程設計增加研究性、創新性、綜合性內容，加大學生學習投入，科學“增負”，讓學生體驗“跳一跳才能夠得著”的學習挑戰。嚴格考核考試評價，增強學生經過刻苦學習收獲能力和素質提高的成就感。

3 虛擬仿真實驗教學推動傳統實驗教學升級重構

3.1 傳統實驗教學的特征

傳統實驗教學的主要特征是實驗室提供固定的條件，學生可以便捷地從教材和教師那里得到思考問題所必需的信息，一般都有確定的實驗方法和步驟，有已知的確定答案。

傳統實驗教學優點是學生集中學習、便于管理，實驗課程系統、嚴密，實驗技能訓練比較規范，對學生的評價標準比較統一。缺點是教學內容比較固定，實驗過程基本上是按圖索驥。由于前沿科技內容與工程實踐成果轉化為教學實驗儀器的時間相對滯后，學生自我探索的空間較小，這在一定程度上抑制了學生主動學習的積極性。

傳統實驗教學比較適合以基礎性、綜合性實驗項目教學為主，進行基本技能訓練的實驗課程。學生通過課程的實驗訓練，養成科學、規范的研究習慣，掌握實驗設計、裝置準備、數據采集和處理、結果分析和撰寫報告等基本方法和基本過程。

3.2 虛擬仿真實驗教學的特征

依據教育部出臺的關于虛擬仿真實驗教學項目建設的相關文件精神，虛擬仿真實驗教學項目具有實驗內容精彩、實驗構思巧妙、實驗技術先進、實驗做法靈活、形象展現抽象等顯著特征，并且拓展了傳統實驗教學的深度與廣度[4-6]。因此，虛擬仿真實驗教學的優點可以總結為以下4 個方面：

（1）實驗內容多源化。虛擬仿真實驗教學的實驗內容可以是基礎驗證性的問題，也可以是來自科研前沿、社會生活和先進生產實踐需要解決的問題。這就需要打破實驗內容一成不變、局限于教材的封閉狀態，建立實驗內容的更新機制和實驗內容來源的多樣性機制。

（2）實驗過程自主化。虛擬仿真實驗教學在不斷加強基礎訓練的同時，更注重拓寬學生的知識覆蓋面，注重學科專業知識的交叉融合。學生進行從基礎規范→綜合設計→研究探索這樣難度遞增的實驗項目訓練，有利于培養其主動建構知識體系和提升實踐的能力。不同層次的學生通過自主選擇合適的實驗方法和實驗步驟，有利于實施因材施教[7-9]。

（3）能力評價科學化。虛擬仿真實驗教學通過對學生實驗過程的數據采集與數據分析，實現對學生學習與實驗基本情況的辨識，基于大數據的量化評價能夠減少單一教師評價的主觀性偏差，為學生提供更多元、更全面的評價，輔助學生更好地提升實踐能力。這種評價考核更突出實驗過程，體現了對實驗過程的規范性、實驗步驟的有效性，以及對知識學習達成度的客觀評價，具有對學生能力結構考核的功能。

（4）教學輔助智能化。虛擬仿真實驗教學需要配備豐富的實驗教學信息資源[10]，包括慕課、專屬在線課程（SPOC）或其他在線課程、案例庫、專題講座庫、素材資源庫，以及配備學科專業知識檢索系統、演示/虛擬/仿真實驗實訓（實習）輔助系統、試題庫系統、作業系統、在線自測/考試系統等。這些資源具有教學兼備和互動交流等功能，教育教學與信息技術融合、課程應用與課程服務相融通，適合在線學習、翻轉課堂以及線上線下混合式拓展性學習。教師按照教學計劃和教學要求為學習者提供參考資料、活動作業，及時開展在線指導、答疑、討論、測驗等教學活動。實驗者在線學習響應度高，師生互動活躍有效，充分滿足學生在線學習的個性化需求。

3.3 虛擬仿真實驗教學導向及平衡關系

虛擬仿真實驗教學內容的選擇應堅持兩個導向：第一是問題導向，重點解決不具備真實實驗項目條件或實際運行困難，涉及高危或極端環境，高成本、高消耗、不可逆操作，以及大型綜合訓練等問題；第二是需求導向，緊密結合經濟社會發展對高校人才培養的需求，緊密結合專業特色和行業產業發展的最新成果。因此虛擬仿真實驗教學項目是先進教學內容的載體，引入虛擬仿真實驗教學是實驗教學內容現代化建設的改革方向。

實驗教學體系發展與創新需要處理好6 對平衡關系，即基礎與前沿、經典與現代、單項原理與綜合設計創新、個體為主操作與群體合作協調、科學原理與工程技術綜合應用、循序漸進習得與研究探索創新。每對平衡關系的前者，以傳統的實驗室實體實驗教學項目資源為主要載體，側重為學生構建專業基本理論、基本方法、基本技能提供實驗教學。每對平衡關系的后者，以虛擬仿真實驗教學與學生科研訓練項目為主要載體，側重為學生進一步鞏固專業技能、了解專業前沿、提升學科交叉能力提供實驗教學。

實驗教學體系占專業人才培養體系的比重（或比例）應遵循教育部頒布的相關專業類人才培養質量標準。具體到某個專業，這個比例一般是固定的，即使有變化，也是比較小的變化，以滿足人才培養質量標準中理論教學與實驗實踐教學的平衡。但是，在實驗教學體系發展與創新的6 對平衡關系中，每對平衡關系的前者和后者的比重應該隨著高校人才培養要求的不斷提高而發生變化，需要將行業產業發展最新成果引入實驗教學。因此，我們需要不斷梳理傳統的實體實驗教學內容，剔除陳舊的實體實驗教學項目，優化包含專業基本原理、基本方法與基本技能的綜合設計性實驗項目，引入由科研前沿成果和重大工程實踐轉化的虛擬仿真實驗教學項目，通過實驗項目的取舍與引進，實現實驗教學體系與教學內容的重構與創新。

3.4 線上線下混合式與線上實驗教學一流課程建設的思路

根據教育部《關于一流本科課程建設的實施意見》（教高〔2019〕8 號）[11]，結合上述虛擬仿真實驗教學推進傳統實驗教學體系升級重構的分析，對線上線下混合式實驗教學、線上實驗教學一流課程的建設提出以下參考思路：

（1）線上實驗課程。基本實驗教學單元全部由虛擬仿真實驗教學項目組成。建議線上實驗課程分兩類進行建設：第一類是線上專業實驗課程，其基本實驗教學單元涵蓋一個專業基礎實驗、專業課程實驗、專業方向或涉及這個專業的前沿學科領域實驗；第二類是線上學科前沿實驗課程，其基本實驗教學單元涵蓋一個專業或相關專業的前沿學科領域實驗，實驗課程設計切合經濟社會產業發展對人才培養目標的要求。

（2）線上線下混合式實驗課程。基本實驗教學單元由實體實驗項目和虛擬仿真實驗教學項目組成。以專業課程實驗為主，通過引入符合學校人才培養目標、切合經濟社會產業發展的虛擬仿真實驗教學項目，重構現有專業實驗課程體系。在實體實驗項目的選擇方面，應主要淘汰簡單驗證性、陳舊性項目，保留內容優質、綜合性強的實體實驗教學項目，通過優化實體實驗項目的內容，減少實體實驗項目的學時，為引入先進的虛擬仿真實驗項目騰出空間。線上線下混合式實驗課程的虛擬仿真實驗教學項目學時不應少于課程總學時的20%。

4 虛擬仿真實驗教學推進理論教學的整體優化改革與創新

4.1 遴選傳統的簡單驗證性實驗將其融入基礎理論課程教學

上述實驗教學體系中因升級重構而淘汰的基本理論、原理、方法的驗證性實驗，部分可以通過遴選、再設計，成為簡單的虛擬仿真實驗。雖然這些虛擬仿真實驗不能作為升級重構的實驗教學體系基本實驗教學單元，但可以作為理論教學線上輔助教學內容。在信息技術的教學環境中，學生在理論教學課堂上同步在線完成驗證性實驗，學生的在線實驗結果可以納入理論課堂考核的內容，從而實現傳統的簡單驗證性實驗有機融入理論課堂教學中。

4.2 以信息資源為媒介，通過綜合設計性實驗的教學，提升學生自主探索專業理論知識的能力

部分被淘汰的驗證性實驗可以通過遴選融入升級重構的實驗教學體系的綜合設計性實驗的部分環節中，培養學生融會貫通應用多門課程的原理、方法和技術解決實際問題的能力[12]。

學生自主完成綜合設計性實驗，在傳統實驗教材和相關參考書的基礎上，還需要建立豐富的輔助教學信息資源，實現實驗教學輔助的自主化與智能化，以滿足學生在線學習的個性化訴求。這種實驗教學輔助的自主化與智能化，有效提高了學生以問題作為切入點，以實驗作為突破口，自主探索專業理論知識的能力，促進教師優化傳統理論教學，縮減理論課程教學的課堂講授學時，為理論教學引入前沿科技與工程技術內容增加了必要的學時空間。

4.3 推進培養方案增加前沿科技與工程技術課程的比重，培養學生學科交叉和結合各專業領域的能力

優化、合理地減少專業理論課程的教授學時，增加專業方向課程和跨專業選修課程的比重，推動專業課程體系和教學內容與經濟社會發展對高校人才培養等需求相適應。專業方向課程涉及學科前沿方向、先進科技、工程技術等內容，其目的是培養學生融會應用專業知識的能力和學科交叉能力。這些課程的理論知識、研究方法和前沿技術，與大學生創新實踐項目以及具有前沿學科屬性的虛擬仿真實驗教學相輔相成。增加跨專業選修課程的比重，可進一步培養學生結合各專業領域的能力，為將來創新奠定堅實的基礎。專業方向課程可以小型化，建議以1 學分為宜，學生可以在有限的學分空間內，涉足更多專業方向的課程，進入更多的學科前沿窗口，開拓學術視野。小而精的專業方向課程，教學周期短、教學安排靈活，對于有深厚科研造詣的教授，不僅好教，而且教得好，為更多高水平教授更好地投入本科教學提供了新思路。

5 虛擬仿真實驗教學推進創新創業教育融入專業教育全程

教育部發布的《關于大力推進高等學校創新創業教育和大學生自主創業工作的意見》（教辦〔2010〕3 號）[13]強調，高校要加強創新創業教育課程體系建設。但多數高校的工作重點集中在突出創新創業類課程設置與專業課程體系有機融合，以及創新創業實踐活動與專業實踐教學有效銜接方面。在積極推進人才培養模式、專業教學內容和課程體系改革方面，很多高校所做的改革還遠遠達不到創新創業教育融入專業教育全程的要求。

將高校創新創業教育融入專業教育全過程，其創新教育是基礎。創新型人才不僅需要具備合理的專業知識結構，具有創新意識和創新能力，還要有結合各專業領域的能力，最終才能取得創造性成果。因此，適應學生創新能力培養的專業課程體系與教學內容改革是創新創業教育融入專業教育全程關鍵的改革內容。

虛擬仿真實驗教學的實施，不僅優化了專業實驗課程體系與教學內容，減少了簡單原理驗證的陳舊實體實驗，也優化了實體實驗教學的主要載體綜合設計性實驗，引入了體現前沿科研領域與工程技術、具有學科交叉屬性的虛擬仿真實驗，實現了實驗課程體系與教學內容和創新人才培養要求相適應的目的。

虛擬仿真實驗教學的實施，不僅推進了傳統的驗證性實驗融入基礎理論課程教學，也推進了以實驗教學為突破口，以問題為切入點，帶動學生提升自主探索專業理論知識的能力，更可以推進理論教學增加前沿科技與工程技術等方向課程的比重，培養學生學科交叉和結合各專業領域的綜合能力。

當然，虛擬仿真實驗教學的引入，傳統的陳舊實驗及傳統理論教學課堂講授學時的減少，也為專業基礎和專業主干課程的整合優化創造了條件。近30 年的教學改革與發展，為增加學生自主學習的空間，多數高校的人才培養方案中教學計劃學分減少了30%左右。但這些學分的減少是以減少每門課程的學分數為代價，課程數量并沒有減少，導致每門課程各自為政，在減少教學內容與課程學時的同時，也導致課程產生了新的割裂，甚至不同課程內容之間存在教學內容重復的情況，不利于學生創新思維和創新能力的培養。高校通過引入虛擬仿真實驗教學，以綜合改革創造的學時空間為契機，推動專業基礎課程和專業主干課程的整合優化，減少重復性教學內容，從而達到適當減少課程門數，整合優化教學內容，構建新的專業基礎課程和專業主干課程體系，培養學生融會貫通兩類課程的知識、方法、技能的目的，滿足創新人才培養的基本要求。