高等學(xué)校虛擬仿真實驗教學(xué)現(xiàn)狀及趨勢研究*

◆李瀾 王吉

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，教學(xué)媒體輔助課堂教學(xué)的頻率日益升高，虛擬仿真實驗教學(xué)課程已成為專業(yè)類知識學(xué)習(xí)的重要載體，可有效增強教學(xué)效果。基于《教育部辦公廳關(guān)于2017—2020 年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》（教高廳〔2017〕4 號）要求，在高校實驗教學(xué)改革和實驗教學(xué)項目信息化建設(shè)的基礎(chǔ)上，自2017 年開始，全國多所高等院校均展開示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目的建設(shè)工作。

當前對于虛擬仿真實驗課程項目的相關(guān)研究較少，本文基于國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺中相關(guān)數(shù)據(jù)，對虛擬仿真實驗教學(xué)現(xiàn)狀及趨勢進行分析。據(jù)分析結(jié)果可知：目前工科、理科專業(yè)課程在平臺中占比較大，課程項目開發(fā)以高校與企業(yè)合作為主，高校間缺乏合作機制以及項目認定無統(tǒng)一標準。本文針對以上問題提出可行性建議。

1 研究設(shè)計

1.1 研究方法

本文采用內(nèi)容分析法（content analysis）對國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺中的數(shù)據(jù)內(nèi)容進行分析。該研究方法是一種透過現(xiàn)象看本質(zhì)的科學(xué)方法，通過分析平臺內(nèi)各維度的數(shù)據(jù)，可以了解平臺中各門類學(xué)科課程項目的占比，以及項目認定等方面信息的相關(guān)科學(xué)性結(jié)論。其重點步驟為：選擇分析單位→確定分析編碼→詳細評判記錄→量化分析材料。該研究方法在社會科學(xué)研究中普遍使用。本文將分析國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺的適用人群、課程分類、一流課程和開發(fā)者等四個維度。這種對文本內(nèi)容進行的客觀、系統(tǒng)、定量的描述性研究方法，可以克服常規(guī)定性研究的不確定性和主觀性[1]。

1.2 研究對象

國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺自2017年開始開設(shè)課程，截至2021 年10 月，可以檢索到60 個專業(yè)類別的相關(guān)課程，共有3 250 個課件，其中經(jīng)過國家認定的一流課程共有728 個。本文將對這些數(shù)據(jù)進行各方面的比較分析，并從中了解我國虛擬仿真實驗教學(xué)課程的現(xiàn)狀、問題及趨勢。（注：其中個別編碼維度將進行抽樣分析。）

1.3 研究類目設(shè)計

1.3.1 類目名稱 本研究以每一個虛擬仿真實驗教學(xué)課程為一個分析單位，依據(jù)課程面向的群體、可進行虛擬實驗的專業(yè)、實驗人次較多的人氣課程開發(fā)人員以及經(jīng)過認定的一流課程申報時間，對每個分析單位從適用人群、課程分類、開發(fā)者、一流課程等四個維度進行類目設(shè)計，四個類目名稱及描述見表1。

表1 類目名稱及描述

1.3.2 類目體系 以上述四個類目作為一級類目，每個類目根據(jù)具體分析問題的不同形成二級類目，再對應(yīng)上二級類目的頻數(shù)和頻率，最終形成虛擬仿真實驗教學(xué)課程分析的類目體系。在該體系中，依據(jù)一級、二級類目的界定和說明，對60 個專業(yè)的3 250 個課件進行內(nèi)容分析和頻數(shù)頻率統(tǒng)計，完成對我國虛擬仿真實驗教學(xué)課程項目的客觀、系統(tǒng)、定量分析。

2 研究成果及分析

2.1 我國虛擬仿真實驗教學(xué)課程現(xiàn)狀分析

2.1.1 國家虛擬仿真實驗平臺中工學(xué)門類科目占比較大 國務(wù)院學(xué)位委員會和教育部頒布修訂的《學(xué)位授予和人才培養(yǎng)學(xué)科目錄（2011 年）》規(guī)定，我國學(xué)科門類分為哲學(xué)、經(jīng)濟學(xué)、法學(xué)、教育學(xué)、文學(xué)、歷史學(xué)、理學(xué)、工學(xué)、農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)、軍事學(xué)、管理學(xué)、藝術(shù)學(xué)、交叉學(xué)科等14 個學(xué)科門類。按照該劃分方式，國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺中課程項目數(shù)超過100 的專業(yè)共有11 類，共1 497 個課程項目，如表2 所示。其中，有五類專業(yè)屬于工學(xué)，共有653 個課程項目；三類屬于理學(xué)，共有330 個課程項目；各有一類分別屬于管理學(xué)、藝術(shù)學(xué)、醫(yī)學(xué)，分別有221、169、124 個課程項目。其中工學(xué)門類科目占比43.62%，比例極大。

表2 支持虛擬仿真實驗課程的專業(yè)類別

下面對支持虛擬仿真實驗課程的專業(yè)類別（專業(yè)包含課程項目數(shù)≥100）進行內(nèi)容分析：

1）課程項目數(shù)排在第一位的是管理類，包括221 個項目（14.76%），其中經(jīng)過國家認定的一流課程項目有28 個（12.67%）；

2）課程項目數(shù)排在第二位的是機械類，包括175 個項目（11.69%），其中經(jīng)過國家認定的一流課程項目數(shù)有44 個（25.14%）；

3）藝術(shù)學(xué)類排在第三位，共有169 個項目（11.29%），包括24 個國家認定的一流課程項目（14.2%）；

4）基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)類和土木類并列第四位，各包含124 個項目（8.28%），其中基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)類國家認定的一流課程項目有42 個（33.87%），土木類國家認定的一流課程項目有33 個（26.61%）；

5）化工與制藥類、化學(xué)類和電子信息類排在第五位，項目數(shù)均為120 個（8.02%），其中化工與制藥類國家認定的一流課程項目數(shù)為30 個（25%），化學(xué)類國家認定的一流課程項目數(shù)為31個（25.83%），電子信息類國家認定的一流課程項目數(shù)為14 個（11.67%）；

6）電氣類課程項目數(shù)為114 個（7.62%），其中國家認定的一流課程項目數(shù)為15 個（13.16%）；

7）物理學(xué)類課程項目數(shù)為105 個（7.01%），其中國家認定的一流課程項目數(shù)是15 個（14.29%）；

8）生物科學(xué)類課程項目數(shù)為105 個（7.01%），其中國家認定的一流課程項目數(shù)為35 個（33.34%）。

另外，縱觀平臺現(xiàn)有虛擬仿真實驗的全部課程，可以發(fā)現(xiàn)課程項目均未標注面向人群，以及此課程是否需要某些基礎(chǔ)相關(guān)知識作為理論支撐，從而增加了使用難度，用戶體驗不佳，降低了用戶黏度，不利于虛擬仿真實驗的長期發(fā)展。

2.1.2 “人氣課程”分布特征分析 對2017—2021 年國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程平臺中實驗人次最多的前20 個“人氣課程”項目的開發(fā)單位進行統(tǒng)計，見表3。其中，60%的開發(fā)單位是211 院校，40%的開發(fā)單位是985 院校（統(tǒng)計結(jié)果中211 院校與985 院校頻數(shù)頻率有重復(fù)）。來自其他院校的課程項目數(shù)共計8 個，占比40%，均為本科院校，并無專科院校。

表3 2017—2021 年國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程平臺中實驗人次最多的前20 個“人氣課程”項目的開發(fā)單位

從數(shù)據(jù)分析結(jié)果來看，虛擬仿真實驗課程開發(fā)團隊水平較高，但人員分布不均。在前20 個“人氣課程”項目的開發(fā)負責人中，有18 位為教授職稱；具有博士學(xué)歷的負責人共有9 位，具有碩士學(xué)歷的負責人有4 位，具有本科學(xué)歷的負責人有3 位；其中2 位負責人為院長，1 位負責人為博士生導(dǎo)師，其余17 位負責人均為副院長或高級工程師。通過分析項目開發(fā)的參與人員發(fā)現(xiàn)，開發(fā)團隊在7 ～28人不等，其中有4 個課程項目開發(fā)團隊僅由7 人組成，合作企業(yè)人員1 ～2 人。開發(fā)團隊主要由教授、副教授、實驗師及企業(yè)人員組成。高校人員約占開發(fā)人員總數(shù)的3/4，其余為項目合作開發(fā)的企業(yè)人員。其中并未有高校人員獨立完成課程項目。

虛擬仿真實驗課程在開發(fā)上缺乏合作。關(guān)于虛擬仿真實驗課程的開發(fā)單位，從表3 可以看到，其中有6 所985 高校和11 所211 高校，占統(tǒng)計數(shù)據(jù)的55%。4個直轄市均有高校上榜，上海、湖北、湖南、江蘇、陜西分別有2 所學(xué)校上榜。西南地區(qū)除重慶外，僅有四川大學(xué)1 所學(xué)校上榜，而東北地區(qū)只有吉林大學(xué)1 所高校在榜單上，華南地區(qū)及新疆、內(nèi)蒙古、青海、寧夏等內(nèi)陸省份并未有高校上榜。從地域分布上看，各直轄市和湖南、湖北、江蘇、陜西等高校聚集地區(qū)，在虛擬仿真實驗課程的開發(fā)上成果顯著。

所有課程項目均為高校獨自主持開發(fā)，并未發(fā)現(xiàn)有幾所學(xué)校聯(lián)合組織課程項目的情況，或高水平院校幫助支持低水平院校建設(shè)健全虛擬仿真實驗課程的開發(fā)和虛擬仿真實驗室的使用。綜合可知，在課程開發(fā)和教學(xué)資源方面存在整合不佳的問題，高校間缺乏合作與互幫互助[2]。

虛擬仿真實驗課程在申報上與學(xué)校水平?jīng)]有直接關(guān)系。從“人氣課程”排行榜上的課程項目歸屬可以看到，有北京大學(xué)、同濟大學(xué)、四川大學(xué)等高水平學(xué)校，也有鹽城工學(xué)院、洛陽理工學(xué)院、西藏民族大學(xué)等地方高校，開發(fā)及申報課程項目的學(xué)校水平是不同的。這也反映出虛擬仿真實驗課程對各級各類學(xué)校而言都是新興事物，各級各類學(xué)校都在同一起跑線上，很多普通高校存在彎道超車的跡象，高水平院校在申報虛擬仿真實驗課程上并不存在明顯優(yōu)勢。

2.1.3 國家認定一流項目逐年遞增，但缺乏后續(xù)支持 根據(jù)《教育部辦公廳關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》和《教育部關(guān)于開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作的通知》等文件要求，計劃到2020 年認定1 000 項左右的示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目（一流項目），以便積極推動現(xiàn)代信息技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用，提升實驗教學(xué)質(zhì)量和水平[3-4]。因此，2017年，國家開通虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺。自2017 年以來，各年申報項目的相關(guān)數(shù)據(jù)見表4。

表4 2017 年以來各年申報項目的相關(guān)數(shù)據(jù)

可以看到，2017 年提交申報并經(jīng)過認定的項目數(shù)是105 項，2018 年是296 項，2019 年是327 項，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)逐年增長趨勢，虛擬仿真實驗課程在國家政策的推動下發(fā)展速度逐年加快。可以發(fā)現(xiàn)，虛擬仿真實驗教學(xué)項目的發(fā)展是高等教育的“互聯(lián)網(wǎng)+”新趨勢[5]，這種教學(xué)方式已經(jīng)得到普遍認可和新的、升級化的發(fā)展。這種發(fā)展對教育教學(xué)，特別是對專業(yè)度要求較高的課程，起到良好的推動作用。

2020 年和2021 年在該平臺上提交申報的項目至今還未被認定成功，所以在表4 中，2020 年和2021 年申報的一流項目為0 項。不難看出，一流項目的認定工作存在一定問題，平臺重課程輕推廣，缺乏后續(xù)支持，不利于課程項目的持續(xù)性發(fā)展。

3 關(guān)于推進虛擬仿真實驗教學(xué)課程發(fā)展的建議

3.1 在課程開發(fā)上要遵循共建共享原則

國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程平臺的建設(shè)和發(fā)展，推動了高校教學(xué)改革，實現(xiàn)了教學(xué)信息從信息源到學(xué)習(xí)者之間個性化、智能化、泛在化的傳遞，具有明確的教學(xué)目的、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)對象，這也是教學(xué)新形式。課程平臺的建設(shè)和發(fā)展推動了現(xiàn)代信息技術(shù)與實驗教學(xué)項目的深度融合，優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容，提升了學(xué)生學(xué)習(xí)深度，延伸了實驗教學(xué)時間和空間，提升了實驗教學(xué)的質(zhì)量和水平。

其中，工科、理科相關(guān)專業(yè)在虛擬仿真實驗中課程項目數(shù)最多，課程點擊率最高，虛擬仿真實驗項目可以為這類實驗性較高的學(xué)科提供及時且有效的學(xué)習(xí)方法，幫助高校更好地開展實驗教學(xué)。虛擬仿真實驗在一線教學(xué)及學(xué)生線下自主學(xué)習(xí)中的地位越來越重要，所以在項目開發(fā)中應(yīng)結(jié)合當今時代背景、未來發(fā)展趨勢以及學(xué)生的需求，關(guān)注學(xué)生創(chuàng)新和實踐能力的培養(yǎng)，重點解決實際實驗操作中存在危險或設(shè)備不支持的問題。實驗課件要將理論知識與操作技能相結(jié)合，使學(xué)生全面、形象地感知學(xué)習(xí)，加速知識遷移，促進實驗教學(xué)內(nèi)涵式發(fā)展。

推進高校間信息交流、整合，建立資源共建共享模式。課程開發(fā)包括課程目標、課程內(nèi)容、課程實施和課程評價等四個環(huán)節(jié)，課程開發(fā)的前期工作是做好針對課程目標和課程內(nèi)容的課程設(shè)計。對于課程內(nèi)容的設(shè)計，開發(fā)團隊需要掌握大量課程相關(guān)的專業(yè)信息，進行內(nèi)容整合，再根據(jù)課程目標完成篩選工作，從而得到適合的、優(yōu)質(zhì)的、高水平的課程內(nèi)容。要整合各高校的教學(xué)、信息、技術(shù)資源，把所有教育因素和教學(xué)力量融合成一個整體，為學(xué)生建立高水平的課程項目[6]。特別是有重復(fù)或相似項目的高校之間應(yīng)進行深度合作共享。高水平學(xué)校如985、211 工程高校應(yīng)主動發(fā)揮引領(lǐng)作用，帶動更多學(xué)校參與教學(xué)資源建設(shè)，開發(fā)受眾群體更廣、課件水平更高的優(yōu)質(zhì)課程，使虛擬仿真實驗課程發(fā)揮更高的效益[7]。高校內(nèi)部也應(yīng)該嘗試學(xué)科交叉等方式，探討新的虛擬仿真實驗形式和新的高效使用方法。

目前，在國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程平臺中并沒有對課程適用人員進行分類，對缺乏專人指導(dǎo)的學(xué)生群體不友好，增加了使用難度，限制了受眾群體，不利于平臺的長期發(fā)展。

申請項目和準備制作虛擬仿真實驗項目之前應(yīng)考慮項目所針對的人群，并標注清楚本課程項目的學(xué)習(xí)群體和課前需要掌握的相關(guān)基礎(chǔ)知識，使用戶可以有針對性地挑選適合自己的課程。

3.2 開發(fā)人員需要進一步提高水平

項目參與人員和一線授課教師需要進一步提高水平。主持項目開發(fā)的工作人員最好是具有豐富的實驗教學(xué)經(jīng)驗和班級人員組織能力的一線教師[8]。一線教師參與腳本編寫，可以更好地發(fā)揮經(jīng)驗優(yōu)勢。全職實驗技術(shù)人員應(yīng)是項目開發(fā)的核心，因為他們對項目開發(fā)的設(shè)計和過程更加熟悉，更了解課程項目在使用過程中容易出現(xiàn)錯誤的地方，可以提前做好預(yù)防工作。他們?nèi)虆⑴c監(jiān)督，可以使課程項目更加專業(yè)、規(guī)范[9]。

高校和科技公司要加強合作，共創(chuàng)優(yōu)質(zhì)課程。通過對項目開發(fā)人員分析發(fā)現(xiàn)，虛擬仿真實驗課程開發(fā)均為高校與科技公司合作完成。絕大多數(shù)學(xué)校不具備獨立制作虛擬仿真項目的能力，高校人員雖然具備相關(guān)專業(yè)知識，但在程序開發(fā)上水平不夠，經(jīng)驗不足；而科技公司雖然專業(yè)知識能力不夠，但在程序開發(fā)上水平較高，因此，虛擬仿真實驗課程的開發(fā)離不開二者相互配合和深度合作。高校方面要具備前瞻性，提出未來發(fā)展的方向，在開發(fā)項目中明確重難點與留白，為后續(xù)課程內(nèi)容和平臺功能拓展留出一定空間。合作公司應(yīng)該積極學(xué)習(xí)實驗課程相關(guān)專業(yè)知識、課程相關(guān)動態(tài)及行業(yè)最新消息，并與高校教師相互學(xué)習(xí)、合作共贏，為后期進一步深度研發(fā)奠定基礎(chǔ)[10]。

3.3 平臺需要做好支持性工作，注重建設(shè)的同時做好推廣工作

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真實驗的價值越來越凸顯，再加上國家政策支持，越來越多的高校和科技公司愿意投身于虛擬仿真實驗課程的開發(fā)，說明虛擬仿真實驗的發(fā)展前景良好，市場需求量巨大。通過一流項目分析可知，一流項目認定存在問題，包括認定效率低下、平臺不重視推廣。很多優(yōu)質(zhì)課程沒有通過一流課程認定，在平臺頁面展示中排序靠后，不便于用戶使用、學(xué)習(xí)，不能發(fā)揮其優(yōu)良效益。建議平臺在注重建設(shè)的同時也要做好推廣，做好支持性工作，發(fā)揮課程項目的作用。