虛擬仿真實驗項目建設質量評價研究

張海軍，閆 瓊，張 睿，張國輝

（1. 鄭州航空工業管理學院 航空工程學院，河南 鄭州 450015；2. 鄭州航空工業管理學院 管理工程學院，河南 鄭州 450015）

1 問題的提出

實驗教學是高校教學中十分重要的環節，對培養學生的動手能力、創新能力具有十分重要的意義。隨著教育信息化的發展，實驗教學方式在不斷地發生變化，在實驗教學與信息化技術深度融合的趨勢下，虛擬仿真實驗教學應運而生。2017 年以來，教育部及各省教育廳陸續開展了示范性虛擬仿真實驗教學項目建設工作[1-4]。與傳統實驗項目相比，虛擬仿真實驗項目具有受眾面廣泛、學習便捷、無地域限制等優勢，優秀虛擬仿真實驗項目的大力推廣應用，可以有效實現優質教育資源的共享。

近年來，陸續有學者對虛擬仿真實驗教學開展了相關研究。胡今鴻分析了虛擬仿真實驗教學資源共享過程中存在的問題，提出了三層平臺組織架構的運行機制[5]。許麗等人探索和實踐了虛擬仿真實驗公共實驗室的運行及共享機制[6]。郭婷等人探討了虛擬仿真實驗項目的建設內涵以及虛擬仿真與實驗教學的關系[7]。蒿麗萍針對職業教育虛擬仿真實訓平臺，建立了評價指標體系，雖未進行定量計算，但較詳細地進行了定性描述[8]。夏正新研究了醫學虛擬仿真實驗教學平臺的構建方式，并建立了相應的運行和激勵機制[9]。田小丹針對基于移動學習的實踐教學績效評價指標體系進行了研究，應用層次分析法確定了各指標權重[10]。王博等人采用專家評分法對虛擬仿真模擬手術系統進行了評價研究，獲得虛擬仿真模擬手術系統能夠有效提升醫生技能的結論[11]。

綜上所述，現有針對虛擬仿真實驗教學的研究內容主要集中在教學資源開放共享機制探究、運行機制及保障機制研究、共享平臺構建、具體課程建設實踐等方面[12-13]，雖然有的建立了針對本專業虛擬仿真實驗平臺的評價指標體系，為虛擬仿真實驗項目的實施與評價提供了有益的思路，但是仍然存在如下問題。

（1）針對虛擬仿真實驗項目的評價多為定性評價。定性評價往往是由專家對項目建設質量進行評語性描述，評價結果無法進行量化，也無法就多個虛擬仿真實驗項目的建設績效進行量化排名。

（2）評價指標體系的權重賦權方法有待改進。現有文獻一般是采用專家打分法或層次分析法對評價指標體系進行賦權研究。專家打分法需要進行多輪調查分析，專家易產生疲憊感從而降低積極性，而且參與評價的專家人數較多，評價周期較長。運用層次分析法時，如果評價指標體系復雜，則需要建立多個判斷矩陣，還需進行一致性檢驗，計算過程繁瑣，計算量大，不便于推廣。

（3）有的文獻對虛擬仿真實驗項目進行了實例計算，所采用的方式為專家評分法。但由于虛擬仿真實驗項目建設質量評估指標具有復雜性、不確定性，往往難以明確進行定量評價，大多只能采用一般、不錯類的模糊詞匯來描述。所建立的模型無法真實準確地再現與映射評價者的意見。

鑒于此，本文首先采用德爾菲法（Delphi methods）進行虛擬仿真實驗項目建設質量評價指標體系構建，再采用序關系分析法分析計算各評價指標的權重，而后基于模糊綜合評價法[14]對項目建設質量進行綜合評價，最后進行了實例驗證。

2 評價指標體系的構建

虛擬仿真實驗項目建設質量評價是一項復雜的系統工程，涉及教學內容、教學設計、仿真效果、平臺統計等諸多方面，在全面分析已有的質量評價相關研究成果基礎上，首先采用德爾菲法構建通用性高、適用性強的虛擬仿真實驗項目建設質量評價指標體系。對于所要分析的虛擬仿真實驗項目建設質量評價問題先以問卷形式征求校內專家意見；然后整理歸納這些專家意見，并將整理的結果反饋給他們；重復進行前述步驟，直至專家意見達成一致為止。實施流程如圖1 所示。

圖1 德爾菲法的工作流程圖

根據專家反饋意見，虛擬仿真實驗項目建設質量評價體系分為三層。第一層是目標層，即虛擬仿真實驗項目建設質量評價；第二層為準則層，也可稱為一級指標，是影響運行系統的內在和外在因素，包括教學內容、教學設計、仿真效果、平臺統計四個準則；第三層為二級指標，各二級指標是對一級指標的進一步細分。所建立的虛擬仿真實驗項目建設質量評價指標體系如圖2 所示。

圖2 虛擬仿真實驗項目建設質量評價指標體系

2.1 教學內容

教學內容是學生在進行虛擬仿真實驗項目學習過程中被有意傳遞的關鍵信息，是體現項目建設質量好壞的重要準則，包括三個二級指標，分別是知識構架、能力構架和規范完整性。知識構架反映所授教學內容的關鍵知識點是否明確、突出，各知識點之間的鏈接是否連續自然。能力構架反映所授教學內容是否能夠對學生核心能力或技能的培養形成有力支撐。規范完整性反映教學內容是否相對完整，教學過程中采用的文字、符號、單位等是否符合相應的技術規范，操作實施過程是否進行了規范化設計。

2.2 教學設計

教學設計反映的是虛擬仿真實驗項目是否進行了系統規劃，包括三個二級指標，分別是目標設計、交互設計和評價設計。目標設計是指虛擬仿真實驗項目的教學目標是否清晰，教學定位是否準確，反映的是教學目標是否適應學生的認知能力。交互設計反映學生在學習過程中的操作是否便捷，有無教、學交互。評價設計是指針對學生的學習過程是否能夠進行階段性評價及綜合評價。

2.3 仿真效果

仿真效果是虛擬仿真實驗項目績效的一種外在表現形式，包括軟件設計、制作效果、操作性能三個二級指標。軟件設計反映設計的軟件導航是否清晰，交互方式是否靈活多樣，以及仿真元素是否逼真等。制作效果反映制作的精細程度，指仿真過程中界面布局是否合理新穎，色彩搭配是否良好，以及仿真環境是否逼真等。操作性能指在操作過程中是否方便流暢，是否有卡殼及死機現象，特定環境下對一些關鍵器件的操作是否可以實現拆卸、透視等功能。

2.4 平臺統計

虛擬仿真實驗項目往往需要在共享服務平臺內進行展示及應用，平臺統計的數據結果應真實地反映實際使用者的體驗效果，因此在虛擬仿真實驗項目的質量評價中，需要考慮平臺統計的數據，包括學生評教和點擊率兩個二級指標。學生評教反映使用者對虛擬仿真實驗項目的價值判斷，點擊率則反映虛擬仿真實驗項目受到的關注程度。

3 虛擬仿真實驗項目建設質量評價模型

3.1 基于序關系分析法確定評價指標權重

序關系分析法（G1 法）于2011 年首次提出。與專家打分法相比，G1 法先由專家對評估指標進行分析排序后，再進行打分計算，無需經過多輪調查；與層次分析相比，G1 法無需檢驗一致性，計算更加簡單，便于應用。采用 G1 法對虛擬仿真實驗項目的建設質量評價指標進行權重計算，將有效降低評估周期和成本，同時使計算過程更為簡單。計算步驟如下。

步驟一：依據所建立的虛擬仿真實驗項目建設質量評價指標體系，建立評價指標集合：

步驟二：確定評價指標之間的序關系。對評價指標的重要程度進行定性排序，若第i個指標的重要性不低于第j個指標，則記為對所有的指標進行比較排序后，得到新的有序的評價指標集合：且滿足：若

其中：wk表示指標bk的權重，rk的取值參考表1。

表1 rk 賦值參考表

步驟四：依據式（1）計算各指標的權重值如式（2）和式（3），以及評價指標的權重集合W：

3.2 模糊綜合評價決策模型

其中，rij代表第i個評價指標隸屬于第j種評語的隸屬度。

對模糊綜合評價向量S進行歸一化處理，依據最大隸屬度法確定最終的評價結果。其中?為模糊乘算子。

4 實例計算

彈射器虛擬仿真實驗系統是我校最早立項建設的虛擬仿真實驗項目，屬于“質量工程學”課程的課內實驗，主要面向質量管理工程、工業工程等專業本科生。

在系統未開發之前，學生進行實驗時需利用學院自制的彈射器進行數據采集，而后對數據進行多因素多水平實驗設計分析，整個實驗耗時長且對實驗場地有一定要求。開發彈射器虛擬仿真實驗系統后，學生在電腦終端即可進行數據采集，不僅改善了實驗環境，也提升了學生的學習興趣，教學效果良好。以下以彈射器虛擬仿真實驗系統為研究對象，對其進行建設質量評價。

4.1 確定評價指標權重

根據圖2 所示的評價指標體系，建立評價指標集合，一級指標集合為：

首先計算一級指標的權重。計算步驟如下：

（1）確定一級指標的序關系。邀請校內專家對一級指標的重要度進行定性排序，得到：仿真效果,教 學設計,平 臺統計} 。

（4）以此類推，按照上述的方法，可以依次計算出一級指標ui對應的各二級指標uij的權重wij，根據式（6）計算可得各二級指標的綜合權重值。具體的計算結果如表2 所示。

表2 指標權重值計算結果

4.2 彈射器虛擬仿真實驗系統模糊綜合評價

表3 各二級指標評價結果統計表

依據表3 統計結果，得到模糊綜合評價矩陣R。

根據式（5），得到綜合評價向量：

5 結語

針對虛擬仿真實驗項目建設質量評價問題，首先采用德爾菲法構建了可量化的評價指標體系；然后基于序關系分析法及模糊綜合評價法建立了虛擬仿真實驗項目建設質量評價模型；最后以彈射器虛擬仿真實驗系統為例，對所建立的評價模型進行了實例驗證。

基于序關系分析法計算評價指標權重，方法相對簡單，易于推廣；結合調查問卷及網絡平臺的統計結果，基于模糊綜合評價法對虛擬仿真實驗項目進行評價的方案可行，為虛擬仿真實驗項目建設質量評價提供了一種新的思路。后續研究將重點關注以下方面。

（1）序關系分析法為主觀賦權法，評價指標權重的計算過于依賴決策者的主觀感受，后續應進一步研究將主觀賦權法與客觀賦權法有機結合應用于虛擬仿真實驗項目建設質量評價的可行性，以保證評價指標權重值的可靠性。

（2）虛擬仿真實驗項目建設質量評價指標體系較為復雜，有的指標（例如點擊率）可以得出定量分值，有的指標則具有一定的模糊性。本文在評價過程中未對評價指標進行屬性劃分，把評價指標全部定義為模糊指標的做法需進一步改進。后續可以考慮將評價指標進行屬性劃分，并將猶豫模糊軟集應用于虛擬仿真實驗項目建設質量評價，從而真實反映決策情境，保證評價結果的真實性。