基于虛擬仿真技術的實驗教學探索

劉曉柳 李樹立 趙士豪

摘要：本研究旨在探索適用于實驗教學的“線上+線下”模式，滿足學生實踐需求，提升教學成效。從“發酵工程設備實驗”課程實際出發，引進虛擬仿真平臺，從平臺建設思路、應用效果及學生反饋，探索虛擬仿真技術在實踐教學中應用的可行性。虛擬仿真平臺應用后，學生對“課程易于理解”、“學習興趣”、“學習效果”以及“課程綜合打分”等項目的打分均有不同程度的提高。可見其對于促進實驗條件苛刻、設備要求高、學生實操困難課程中的常態化、高效化運行具有積極作用，為提升相關專業的教學質量提供參考。

關鍵詞：虛擬仿真;實驗教學;發酵工程設備;教學研究

“線上+線下”混合教學模式對新時代提高教學能力具有非常重要的意義。然而，在以實驗課程多著稱的生物工程、食品科學與工程等專業教學中，對設備、場地以及學生參與度的要求高，機械地將實驗類課程從線下搬至線上只會將實踐變成理論，無法達到教學目的[1]。G W Morgenthater于1961年首次從技術角度提出仿真的定義，即實際系統不存在或比較復雜難以實現的情況下對系統或活動本質上的實現[2]。1989年，美國Willom wolf教授提出虛擬實驗室概念[3]。將虛擬仿真技術引入高等教育，有助于打破儀器套數、時間、空間限制，降低教育成本，減少潛在的人身安全及環境污染風險，提高學生參與度和自主學習、實踐的能力[4-6]。我國也高度重視虛擬現實技術的教育應用，2018年教育部公布首批105個國家虛擬仿真實驗教學項目[7]，同時，教育部高等教育司司長吳巖說道：我們想，如果我們把這樣的虛擬仿真項目持續地推進，將對中國的高等教育質量提高、推進公平，將會在卓越拔尖人才的培養方面取得非常重要的、有效的一個手段，一個創新。本文以“發酵工程設備實驗”為例，介紹虛擬仿真系統在工科實驗課程中的建設思路、使用流程及應用效果，為工科類專業實驗課程的高質量完成提供參考。

一、 課程現狀

“發酵工程設備實驗”是食品科學與工程、生物工程、生物技術等相關專業的專業必修課程，具有鮮明的工程化特色。以筆者所在學院的“發酵工程設備實驗”為例，課程內容包括釀酒酵母的發酵培養（涉及機械攪拌發酵系統），菌體富集（涉及離心/壓濾設備）以及菌劑噴霧干燥（涉及噴霧干燥設備）。整套設備價格昂貴，難以實現人手一臺的實驗模式，學生參與度和積極性較低[8];另外，操作系統復雜，學生難以在短時間內掌握重點難點，教學效果較差，甚至存在部分學生為完成考核任務，抄襲實驗報告及結果的現象。

二、 課程設計及實施

（一）課程設計

教學采用線上、線下相結合的翻轉課堂教學方法[9]，將學習通平臺、虛擬仿真平臺以及設備實操融入課程，注重學生自主學習能力的培養，同時利用平臺數據統計功能及學生意見反饋，及時改進教學方式，提高成效，實現線上線下教學虛實結合、相輔相成。具體實施方式見圖1。

（二） 課程實施

1. 課程理論學習

教師利用學習通平臺建立網絡課堂，將學習的相關資料，包括實驗教案、虛擬仿真平臺操作手冊、課程引導微視頻、待討論題目等上傳至平臺，供學生課下預習和學習。學生實名建立賬號后，通過掃描二維碼加入課程，教師賬號可后臺查看學生的學習情況，包括登錄時間、學習時長等，便于進行平時成績的管理及理論考核。

2. 學生仿真模擬操作和實驗室實操

學生通過網絡鏈接進入仿真操作平臺，學習相關操作知識、熟悉實訓項目。課程平臺不限次使用，便于學生反復操作練習，熟悉并掌握操作流程。仿真實驗進行過程中，每步操作均有評分標準，分階段和步驟地對學生能力進行檢查。最后，如條件允許，學生進入實驗室進行操作，虛實結合，有效提高學習成效。

3.課程考核及答疑

教師通過平臺自動打分了解學生對知識點及實驗操作細則的掌握情況，并及時作出反饋，包括調節課時安排及難點問題的統一講解，使學生能夠在虛擬仿真平臺和教師的雙重指導幫助下查找不足，反思成敗。

虛擬仿真系統應用以前，本課程考核由平時成績（包括考勤和課堂操作規范性等，20%），實驗報告（原始數據和課程反思，60%）以及期末筆試成績（20%）組成。課程改革之后，原有考核方式已不適用。現在的考核包括平時成績（學習時長30%，仿真操作步驟評分30%）、實驗報告（20%）以及期末仿真操作考核（20%）三部分。通過學習通平臺記錄理論知識的學習時長，仿真軟件對步驟操作和期末考核進行打分，減少主觀因素對學生學習成績的影響，學生接受度更高。

三、應用效果分析及課程反思

（一）應用效果分析

本課程開設對象為食品科學與工程專業本科三年級學生，自虛擬仿真系統應用以來，服務2018級41人、2019級學生39人。針對未使用系統的2017級學生（31人）、使用過系統的2018級、2019級學生設計課程滿意度問卷，考察系統的應用效果。共發放問卷111份，收回有效問卷97份，其中使用過和未使用過虛擬仿真系統的問卷數量分別為69份和28份。

分別對使用過和未使用過該系統的問卷結果進行分析匯總，結果如圖2。虛擬仿真平臺應用后，學生對“課程易于理解”項目的打分平均值為94.73，而未應用打分值僅80.25，分值的大幅提高主要在于虛擬仿真系統的應用提高了實驗的可視化、可參與化程度，且線上平臺資源長期開放，可供學生多次重復學習演練，相較于原來走馬觀花式的觀摩學習和小組操作，更有利于學生對知識點的熟練掌握，導致學生主觀認為課程難度降低。此外，在“學習興趣”、“學習效果”以及“課程綜合打分”項目中，虛擬仿真平臺應用后學生的打分均高于應用前學生打分，表明虛擬仿真平臺的應用，對激發學生學習興趣，提升學習成效具有積極作用，獲得較高的接受和認可度。

值得注意的是，在“學時分配”一項中，項目應用前后的打分值分別為87.45和80.10，結合評分較低問卷中“對本課程的意見和建議”一項，發現部分學生認為平臺應用后，課堂時間多用于模擬操作演練和答疑，而課程的理論學習占用了大量的課外時間。另外，亦有學生提出課程教學項目過于煩瑣，應當適當精簡學習任務;實驗操作步驟和原始數據均由仿真平臺記錄，是否可取消實驗報告，改為提交實驗成敗反思總結;虛擬仿真系統與實驗室現有設備間存在一定差異，可錄制教師對真實設備的操作視頻，供學生學習等可行性高的意見和建議，為今后“發酵工程設備實驗”課程教學的持續改進提供方向。

（二）課程反思

課程改革旨在激活學生學習的內驅力，培養學生的創造性思維和終身學習能力[10]。本實驗教學環節應用虛擬仿真軟件，將實驗流程操作以仿真的形式進行形象逼真的表現。虛擬仿真培訓系統能模擬工廠的正常生產和各種事故過程的現象和操作，使受訓者能夠如身臨其境地進行訓練學習，更容易理解和掌握相關知識和操作規程。彌補傳統實驗教學中預習、演示、網絡自主實驗及其效果評價、教學管理等不足。培養社會實踐能力，提高綜合素質，為畢業專題實習和就業打下基礎。也為線上線下相結合的實驗課程的高效、高質量教學提供參考。最終，本項目獲得2020年度河北省虛擬仿真實驗教學一流本科課程立項。

但是，“發酵工程設備實驗”課程的改革和建設才剛剛起步，在教學環節設計、學時分配、考核形式及標準等方面還存在很多不足，對教學團隊自身能力也有更高的要求。今后課程改革措施如下：

1.優化課程結構，精簡教學任務，通過教學提綱、思維導圖等形式幫助學生理清課程體系，讓學生有更多的時間針對自身薄弱環節進行重點擊破，減少時間和精力消耗，防止學生出現厭學情緒;

2.課程考核形式多樣化，跳出傳統考試成績定江山的模式，提高學生的實驗成敗反思報告占比，注重學生的個性化發展，有效防止實驗數據抄襲現象;

3.加強教學團隊自身素質建設，加強校企合作，開發或引進更多教學平臺，切實提高學習成效。

四、結束語

“線上+線下”相結合的教學模式對提升教學成效具有積極意義，給傳統教學模式帶來挑戰的同時也帶來新的機遇，成為教學模式改革的推動力。將虛擬仿真技術應用于“發酵工程設備實驗”教學中，有效地提高學生的參與度，激發學生的積極性，改善因設備數量、場地、時間的條件限制，切實提高學習成效，成為電化課程改革的有益嘗試。但課程建設剛剛起步，還存在很大的差距，對教師自身素質提升也有更高要求，以促進課程水平的進一步提高。

作者單位：劉曉柳? ? 李樹立? ? 趙士豪? ? 河北經貿大學 生物科學與工程學院

參? 考? 文? 獻

[1] 陳海， 朱瀚昆， 戴宏杰， 等. 后疫情時代下基于虛擬仿真技術提升食品科學與工程專業教學質量的探討[J]. 食品與發酵工業. 2021.

[2] 劉德建， 劉曉琳， 張琰， 等. 虛擬現實技術教育應用的潛力、進展與挑戰[J]. 開放教育研究. 2016， 22（4）： 25-31.

[3] 唐軍杰， 王愛軍， 趙昆. 我校大學物理虛擬仿真實驗室建設[J]. 教育教學論壇. 2012（9）： 230-231.

[4] 錢猛， 崔瑾， 成丹， 等. 南京農業大學微生物學虛擬仿真實驗教學模式的探索[J]. 微生物學通報. 2016， 43（4）： 861-866.

[5] 嚴金鳳， 居里鍇， 周成. 新工科背景下機械安全虛擬仿真實驗教學探索[J]. 實驗技術與管理. 2022， 39（1）： 98-102.

[6] 李祺， 聶為之， 房朝輝， 等. 基于虛擬仿真技術的線上項目式教學探索[J]. 實驗技術與管理. 2022， 39（1）： 199-203.

[7] 中華人民共和國教育部. 教育部關于公布首批國家虛擬仿真實驗教學項目認定結果的通知 教高函〔2018〕6號[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201806/t20180615_340000. html.

[8] 易俊潔， 劉志佳， 周林燕， 等. 食品科學與工程類專業生產實踐環節混合式教學模式創新與實踐——以“NFC果蔬汁生產實踐與設計”虛擬仿真實驗教學為例[J]. 食品與發酵工業. 2021， 47（22）： 326-332.

[9] 陳保紅， 單偉龍. “互聯網+ ”視閾下大學生自主學習能力培養研究——以大學英語為例[J]. 中國電化教育. 2021（419）： 139-145.

[10] 徐芳芳， 謝寧. 微生物學“SPOC+對分課堂”混合教學模式的探索與實踐[J]. 微生物學通報. 2021.