科教產教雙融合共建虛擬仿真“金課”的研究與實踐

張 臣， 王苑奇， 羅一帆， 熊建文

（華南師范大學教務處，廣州 510631）

0 引 言

虛擬仿真實驗教學項目建設符合新時代高等教育改革新方向，是堅持“以本為本”，實現“四個回歸”的有效途徑，是當前本科教學改革的核心內容之一。自教育部下發《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》［1］，提出建設1 000門示范性虛擬仿真實驗教學項目，要求各高校積極培育與建設該類項目。2018年，教育部發文要求開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作［2］，要求推進現代信息技術融入實驗教學項目、拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平。使原來“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的實驗實訓教學成為可能，積極破解高校實驗實訓教學的老大難問題。同年底，教育部提出建設中國“金課”，指出國家虛擬仿真實驗教學項目即是5大類“金課”之一的虛擬仿真“金課”。2019年，國家虛擬仿真“金課”建設提速，計劃3年新增建設1 500門。熊宏齊等［3-11］從宏觀層面，系統闡述了國家虛擬仿真項目建設要求的內涵與關系、新時代教學特征、實驗教學信息化改革發展等，指導相關教學單位深化虛擬仿真“金課”的認識與思考。然而，對于教師來講，作為5類“金課”之一的虛擬仿真“金課”該具體建什么、怎么建、如何管、怎么用，成為新時代虛擬仿真實驗教學發展與改革的熱點問題。

1 虛擬仿真“金課”建設存在的誤區

不同于傳統虛擬仿真實驗項目，虛擬仿真“金課”在建設理念、目標、外延、教學表現等方面，需建設者們重新定位與認知。首先，虛擬仿真“金課”引領樹立“智能＋教育”理念，建設優質的信息化、智能化虛擬仿真實驗項目教學資源，符合金課教學內容的高階性、創新性和挑戰度“兩性一度”的基本特征。其次，虛擬仿真“金課”應堅守虛擬仿真實驗本色，具備新時代虛擬仿真項目的“實驗內容精彩、構思巧妙、技術先進、做法靈活、評價客觀、形象展現抽象、拓展實驗教學的廣度和深度”8個教學特征，加速推進實驗教學與理論教學平衡發展［3］。

因此，這就要求項目建設者，在開展虛擬仿真“金課”建設之前，克服項目建設的3個誤區：

(1)認知不深。虛擬仿真“金課”類似于教材［4］，目標是建設成為經典或精品，可廣泛使用。教材建設需吸納學科方向的前沿科學知識，虛擬仿真“金課”建設一樣也得吸收最新科研成果轉化的實驗內容，引入科研技術與方法，方能提高項目質量與水平。同時，需要科學設計，虛實結合，有效融入實驗課程體系。

(2)協同不夠。虛擬仿真“金課”強調信息技術與實驗教學的深度融合，是高度信息化、智能化的實驗教學項目。其建設必然要求團隊合作，加強與行業產業部門的互動，爭取建立隊伍雙向流動機制［5］，跨界融合創新。不僅需要校內科教融合，還需要與校外產教融合，才能在實驗內容、交互技術、用戶體驗等方面做到高仿真度。

(3)推廣不足。由于共享機制不夠健全，知識產權保護有效性不足，實驗教學信息化融合不夠深［6-7］等原因，造成已有項目向外單位推廣的積極性不高。一些項目建成后，實際用戶人數較少，甚至個別項目鏈接失效。整體上，科教融合不深，需加強研究性教學，加大教師在項目設計研發上的投入。

2 科教產教雙融合對虛擬仿真“金課”建設的意義

虛擬仿真“金課”是虛擬仿真實驗項目新時代“8個教學特征”與金課“兩性一度”之間的完美結合。只有將兩者在教學中得以充分體現，才可重塑實驗實踐教學環節的內容和形式，達成虛擬仿真“金課”的建設目標。這需要項目建設者高校教師聯合校內外技術開發力量，根據國家虛擬仿真實驗教學項目的建設要求，深入領會和鉆研項目建設內涵，做到科教融合與產教融合雙向融合，協同創新，合作破解虛擬仿真“金課”建設過程中的瓶頸問題。

(1)金課支撐：科教融合。科教融合是建設優質教學資源，提高教學質量的有效途徑。首先，虛擬仿真“金課”開發，需要教師將學科專業前沿知識，融入實驗教學項目設計，從而確保項目的前沿性和知識性。其次，虛擬仿真“金課”建設要求教師開展研究性教學，使其具備教學內容的高階性和挑戰度。從體現教學學生中心的角度來說，項目開發者需根據教學經驗，做好實驗資源需求分析，以科研的態度和思維，來做好虛擬仿真項目開發的頂層設計。設計過程中，教師應充分考慮創設一種類似科學研究的情景和途徑，讓學生在獨立的主動探索、主動思考、主動實踐的研究過程中，吸收知識、應用知識、分析問題、解決問題，從而提高學生的各方面素質，培養學生創造能力和創新精神。此外，調查表明，專業教學評估排名高或一流學科支撐的科教融合較深的土木類專業，在2018年國家虛擬仿真項目中被推薦參評比例高［8］。

(2)技術支持：產教融合。李平等［12］指出，倡導聯合企業開發實力和技術服務能力來建設國家級虛擬仿真中心，實質就是以產教融合促進虛擬仿真實驗教學改革。教師的專業所長在于實驗項目內容教學，而非虛擬仿真技術開發。他們需要將交互技術、系統集成、硬件配套、資源共享等技術環節，委托給相關IT企業。這就要求項目開發時，需要積極開展產教融合。校企深度合作，開發虛擬仿真實驗教學體系，建立共建共管合作機制，可攜手推動實驗教學改革，推進實驗教學信息化，提升虛擬仿真項目呈現技術的創新性，快速提高項目建設質量。產教深度融合，還可借助IT公司虛擬仿真開發技術的優勢，研發出具有擴展性、兼容性、前瞻性的共享管理平臺，聯合向外單位推廣項目。

(3)突破瓶頸：科教產教雙融合。虛擬仿真“金課”建設過程中，一方面，專業教師有時不明確應開發何種具有創新性的項目，或者想做的項目遇到技術實現困難。另一方面，IT企業掌握技術與人員，但不了解具體學科知識，或者對具體虛擬仿真項目的教學目標及內容需求不清晰。在科教產教不能雙向銜接的情況中，造成虛擬仿真項目建設必要性、協同性、智能性、共享度等方面的瓶頸問題。

當科教產教同步融合時，可有效破解上述瓶頸問題。科教融合確保虛擬仿真實驗項目知識的前沿性和先進性，賦予項目教學內容高階性、挑戰度。產教融合建設虛擬仿真“金課”，可確保項目在實現技術和表現形式上的智能性和創新性。科教融合聯合產教融合，即科教產教雙融合，還能保障虛擬仿真“金課”體現實踐性和趣味性。

3 虛擬仿真“金課”科教產教雙融合共建模式

科教產教雙融合建設虛擬仿真“金課”，要求教師用科學研究的理性務實，反復探究來開展實驗教學改革，并深化產教融合，與IT企業團隊持續推進科教融合與產教融合的融通創新，不斷優化雙融合共建模式，豐富共建內容，共同推廣應用，合作打造虛擬仿真“金課”的專業特色和技術特色，保障“金課”可持續發展。

3.1 雙融合共建模式

虛擬仿真“金課”科教產教雙融合共建模式（見圖1），是以高校教師為主導，科教融合設計，以信息化、智能化思維深挖實驗教學內容，巧妙構思實驗流程，運用先進實驗技術；與企業技術團隊合作，產教融合開發，共同打造虛擬仿真“金課”。并聯合發揮雙方優勢，根據學生（用戶）實驗評價反饋，持續改進與豐富“金課”內容，形成持續推進科教產教雙向融通，共建公管虛擬仿真“金課”的良性建設開發與共享應用循環。

圖1 虛擬仿真“金課”的科教產教雙融合共建模式

實施雙融合共建模式的首要關鍵在于合作選題，需重點注意以下3點：

(1)深入論證必要性與創新性。教師提供若干現實條件下“做不了”“做不好”的虛擬仿真項目，聯合企業團隊開展廣泛調研，論證項目開發的必要性。同時，引入教師最新科研成果轉化為仿真實驗教學資源，或是重大工程項目的虛擬仿真，保證實驗項目的創新性。確定好初選虛擬仿真項目后，提煉出該實驗的教學目標，細化分解如何支撐學生實踐創新能力的培養。

(2)合理設計實驗教學場景。商討確定實驗教學目標的教學應用場景，以及完成實驗的交互操作細節。在設定實驗場景下，需要學生掌握哪些實驗知識點，通過在應用場景中的交互操作，有邏輯地整合在一起，完成后達到教學目標。

(3)科學設計實驗技術流程。除了考慮滿足國家虛擬仿真實驗項目的若干關鍵要求，不少于10個交互性實驗操作步驟之外，應充分發揮項目聯合開發團隊的聰明才智，拓展實驗內容、方法和教學方法，滿足虛擬仿真“金課”的實驗教學深度和廣度，以及技術的先進性。

3.2 雙融合共建主要內容

雙融合共建模式下，高校教師和IT企業團隊確定了開發項目選題后，還將在產教融合開發應用技術、實驗素材建設、知識產權申報、虛擬仿真“金課”申報等方面，展開深層次的合作。在與高校深入科教產教雙融合開發項目過程中，企業也將受益于轉型升級聯動發展。

3.2.1 產教融合開發應用技術

新興、主流信息技術的發展對虛擬仿真實驗教學產生重要影響［13］。在合作選題和項目設計基礎上，教師和企業技術團隊需要按照共建模式，深化產教融合合作，共同商議，對比遴選虛擬現實VR、增強現實AR、人機交互、人工智能或三維建模等先進信息技術，營造虛擬仿真實驗的沉浸感與真實感，增強用戶實驗體驗。同時，產教融合開發還需要結合學科特點，以及實驗教學目標，統籌考慮項目應用時響應速度快、兼容性強、進程還原加載、移動端適用等特點，靈活選擇加載各種虛擬仿真接入設備，提高項目吸引力和教學效果。當前，應用于虛擬仿真項目開發的主要技術有VR、AR、MR（混合現實）、3D仿真、二維動畫、HTML5等，各開發技術優勢劣勢分析見表1。

另外，快速發展的人工智能AI和區塊鏈技術，也可應用于虛擬仿真項目開發。AI技術應用于虛擬仿真項目開發，已具備了兩個前提條件，一是虛擬仿真項目開發內核基于AI算法模型，二是具備足夠多的應用單位和人數，提供了大數據樣本。這將使得虛擬仿真項目的開發，可向自我學習，不斷迭代演進的AI方向發展。區塊鏈技術可為虛擬仿真項目教學全過程進行檔案記錄，提供最真實、原始的評價數據源，可有助于更加有力地幫助管理者與學習者，實現學習認證、學分互認。虛擬仿真項目未來開發技術的進步和創新，更加需要校方與IT企業，就具體項目開展更加深入的產教融合與技術創新。

表1 虛擬仿真實驗項目開發主流技術統計表

3.2.2 合作建設實驗素材

優秀的虛擬仿真項目，不僅需要設計巧妙、技術先進、評價智能與客觀等，還需要建設充分的實驗素材，支持實驗者（學生）順利開展實驗，吸引學生持續探究。為此，要求項目設計的高校教師與企業技術開發者，合作建設至少以下3種項目素材。

(1)交互操作指南。項目設計者與技術開發者需充分溝通配合，將項目設計思維完美地嵌入實驗的交互操作步驟，讓參加實驗者（學生）進入實驗界面，即可按照操作提示，順利進行實驗。同時，對于項目后續開發技術人員，可依據操作指南的步驟說明，完成項目的后續改進或開發任務。

(2)實驗基礎知識。提供與實驗配套的教學PPT或視頻，涵蓋該項目涉及的核心理論、方法與技術，輔助實驗者回憶與應用知識點。

(3)實驗拓展素材。提供一些與此虛擬仿真項目相關的背景素材，例如現場視頻、應用實例、問題方案等，幫助學生加深實驗技能與操作的理解，并基于虛擬仿真項目訓練后，實現實驗知識技能的遷移。讓實驗者面對相關新問題時，可依據掌握的實驗知識與技能，創新性地完成分析與解決具有一定挑戰度的問題，達到“金課”的高階學習目標。

3.2.3 合作申請知識產權

項目建設中，以高校教師為主設計開發的實驗操作場景、界面信息、硬件接入、語音識別、交互操作、過程記錄、考核評價方式等創新性技術，具有鮮明的學科專業和高校特色，均需要及時申報軟件著作權、發明專利或實用新型專利，給予及時的知識產權保護。項目具有自主知識產權或共享知識產權，與行業、企業合作共建，能推動教學形式創新、技術創新、組織模式創新等各項創新，可有力支撐國家級或省級項目的申報［14］。對已獲批國家虛擬仿真項目的申報資料數據統計，項目建設期間獲得的知識產權以軟件著作權為主，占所有知識產權項數的比例超過85%。但是，對于非計算機相關類專業教師而言，他們不熟悉軟件著作權的撰寫與申報，需要在企業技術開發者協助下完成。高校教師與企業開發者的聯手合作，共同推進了實驗教學創新與技術應用創新之間的完美結合。發掘其中的發明創造或創新點，深化產教融合合作，將產生更多的優秀知識產權成果。這是教師與技術開發者之間的第1次合作總結。

3.2.4 合作申報國家“金課”

在產教科教雙融合下建成的虛擬仿真項目，經兩學期的應用與完善后，可積極申報國家虛擬仿真“金課”。宏觀上，虛擬仿真項目技術開發企業，熟悉了解虛擬仿真項目技術應用發展趨勢，以及國內高校相關學科專業項目建設概況。同時，他們積累了較多的申報成功經驗，尤其是申報書中涉及開發技術部分的撰寫，需要開發人員的深度參與。因此，申報國家虛擬仿真“金課”時，是教師與技術開發者之間的第2次合作總結，一般以分工合作來完成。①高校教師與企業專家共同研讀理解國家“金課”遴選指標，指定項目申請書統稿負責人，校企分工編寫申報書。②學校為主撰寫第1部分，企業為主撰寫第2部分、第3、4部分由雙方合作完成。③申報視頻的制作上，雙方合作統籌考慮視頻腳本，合作拍攝制作視頻。注意突出重點，著重強調實驗必要性、內容、教法改革、實驗效果等方面。④共同校對申報書與視頻，按規定流程向上級教育管理部門推薦與申報。

3.3 聯合推廣持續發展

虛擬仿真“金課”的發展，已成為一種可供專業或學生選擇評價的開放式教學資源。隨用戶數增加，持續數據積累與優化，終將成為某些專業或課程教學必不可少的實驗資源。根據科教產教雙融合共建模式，用戶的體驗評價反饋，是虛擬仿真“金課”優化改進、持續發展的重要動力源。共享應用過程中，需著重考慮如何在管理平臺上推廣應用，長期保持“金課”的價值與活力。當前，高校虛擬仿真項目應用的管理平臺，主要有教育部X-lab平臺、省級平臺、校級平臺、網頁版等。這些平臺各有優缺點，項目推廣應考慮多方合作，多平臺推廣。

但是，考慮到“十四五”規劃持續建設、項目數量增長、學科專業特點、信息化智能化技術發展、反饋數據收集效率等因素，有條件的高校，還是應該建設體現校情特點的虛擬仿真項目統一管理平臺。統一平臺系統架構的開發與應用，可實現各學科專業門類虛擬仿真實驗項目教學共享平臺的技術對接和數據共享，可促進校內外虛擬仿真實驗教學資源在線開放共享、高效集約應用、形成規模化資源優勢［15-16］。學校統一平臺的使用有利于方便項目維護團隊的技術支持、對外平臺對接、教學效果考核評價、用戶體驗反饋與改進等持續化發展，還能避免學校各二級單位盲目重復建設應用平臺，并為全校項目擴大共享應用范圍提供支撐。

為促進虛擬仿真“金課”的共享應用和持續發展，學校統一教學管理平臺的建設，需重點考慮以下因素：①校內數據兼容與銜接。統籌考慮門戶網站、學科專業分類、教學管理系統、技術保障系統等建設，便于校內師生應用數據的順利導入與統計。②校外平臺銜接與多終端適應。建立有效對接國家項目平臺的統一接口規范與標準，有效支持外部數據接入，便于電腦、平板、手機等不同用戶的數據接入，實現管理平臺和數據資源的有效聯接與互相支撐。③優化實驗教學流程管理功能。應考慮實驗教學流程管理功能的完整性，可滿足多種類型用戶教學需求以及管理評價需求，可支持項目在線開放共享。④高效并發數據管理。既能對內網絡實驗請求及時響應，又能確保校外互聯網網絡鏈接地址直接指向實驗項目以及所設定的并發數，并對超過并發數的實驗請求提供排隊提示服務。⑤知識產權管理權限預留。加強項目知識產權保護，開發數字加密技術，逐步探索合理收費的共享應用模式。

此外，在校內統一管理平臺良好的應用基礎上，學校應積極打造具有專業特色的虛擬仿真“金課”系列，形成特色專業類別的系列“金課”資源集合，并積極面向行業領域、職業培訓等機構推廣應用，建立多方共享機制，不斷優化支持服務，實現虛擬仿真“金課”的可持續發展。

4 結 語

重視實踐教學改革是我校的優良傳統。近年來，在本科實驗、實踐教學方面持續投入，提高實驗教學支持條件的同時，積極推進本科實驗教學改革與資源建設，推動各專業不斷完善和優化實驗教學體系。

2016年起，學校實施“互聯網＋創新人才培養計劃”，在充分認識“互聯網＋教育”背景下虛擬仿真實驗項目建設工作的重要性和必要性的基礎上，建設了校級虛擬仿真實驗項目50多項。其中入選全國首批虛擬仿真項目1項獲批國家項目1項，并有3項目被推薦申報2020年國家級項目。科教產教雙融合建設虛擬仿真項目的相關成果獲得廣東省教學成果獎二等獎。

在培育與建設虛擬仿真“金課”的實踐過程中，積累了幾點經驗：①科教融合面上培育。梳理重點學科支持的專業方向，從校院兩個層面出臺建設培育規劃，依托學科帶頭人和專業負責人，規劃虛擬仿真實驗項目的建設背景、目標、任務、實施方式和申報時間節點。②合理布點創新模式。重點支持跨學科專業領域的共性需求，支持開發跨學科跨專業項目。鼓勵教師開展研究性實驗教學，將科研成果轉化成為實驗教學內容，將成熟的科研方法與技術應用于虛擬仿真項目。引薦優秀的技術開發企業，與教師團隊進行產教融合開發，探索出虛擬仿真“金課”的科教產教雙融合共建模式。③推廣模式打造系列。在校內各學院推廣科教產教雙融合共建虛擬仿真“金課”的建設模式與成功經驗，在心理學、生物學等專業布局建設虛擬仿真“金課”體系。④加強推廣共享應用。依托網絡中心，在學校“礪儒云課堂”平臺開辟了虛擬仿真實驗“金課”專欄，在抗擊新冠肺炎疫情期間有效支撐相關實驗課程的開出。同時，還向陜西師大等多所高校開放共享。⑤優化管理保障機制。出臺學校本科重點實驗教學平臺（含項目）管理辦法，給予建設者培育經費保障和持續開放維護費用，支持虛擬仿真“金課”可持續發展。