虛擬仿真實驗“金課”建設(shè)的探索與實踐

劉為滸　李剛?cè)A　汪歡歡

[摘 要]虛擬仿真實驗“金課”具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的特征，通過虛擬實驗?zāi)軌蛴行Ц纳苽鹘y(tǒng)實驗課堂落后低效的現(xiàn)狀，實現(xiàn)現(xiàn)代教育技術(shù)支持下的“智能+教育”。實踐證明，虛擬實驗有助于實現(xiàn)學生個性化自主學習、沉浸式探究學習;有助于加強師生實時互動交流，實現(xiàn)“線上線下”融合式教學;有助于革新傳統(tǒng)的教學方法和擴展實驗的教學內(nèi)容。

[關(guān)鍵詞]本科教學;教育技術(shù);虛擬仿真;金課

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2022）05-0086-04

2018年6月，在新時代全國高等學校本科教育工作會議上，教育部前部長陳寶生首次提出“金課”概念[1]。教育部吳巖司長進一步闡釋“金課”的“兩性一度”，即高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度[2]。同年8 月，教育部印發(fā)了《關(guān)于狠抓新時代全國高等學校本科教育工作會議精神落實的通知》，提出各高校要全面梳理各門課程的教學內(nèi)容，淘汰“水課”、打造“金課”，合理提升學業(yè)挑戰(zhàn)度、增加課程難度、拓展課程深度，切實提高課程教學質(zhì)量 [3]。

這一系列關(guān)系到高等教育歷史走向的講話和文件，不僅是對大學擴招以來本科教學質(zhì)量下滑的及時糾正，也是對新時代本科教育內(nèi)涵的精準判斷和把握，更是響應(yīng)國家“雙一流”建設(shè)戰(zhàn)略部署的積極舉措，因此得到了高等教育界的廣泛響應(yīng)，全國各高校都積極地探索和實踐著各類“金課”的建設(shè)。

結(jié)合近兩年的實踐探索，本文試著梳理總結(jié)我們在建設(shè)虛擬仿真實驗“金課”過程中的體會與經(jīng)驗。

一、建設(shè)虛擬仿真實驗“金課”的必要性

眾所周知，實驗教學是本科課程的重要組成部分，對培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的動手能力、面對綜合復(fù)雜問題的分析解決能力具有不可替代的作用，也是培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍人才的有效路徑。然而現(xiàn)實中的課堂實驗又是很容易被輕視的教學活動，其教學效果一直原地徘徊難有提升，究其原因有以下幾點。

（一）教學流程陳舊落后，缺乏創(chuàng)新活力

理想的實驗教學應(yīng)該立足于激發(fā)學生的創(chuàng)造性思維，促進學生的自我領(lǐng)悟，提升學生的科學研究素養(yǎng)。這就要求教學必須以學生為中心，通過實驗操作引導學生經(jīng)歷個性化的思維過程，體驗多樣化的認知歷程，并能夠在交流合作中融合不同的觀點，學習多樣的技巧，以達到對實驗結(jié)論的真正理解和運用，從而重構(gòu)自己的經(jīng)驗，形成自己的行動策略。

一些高校的實驗教學形式上還是普魯士大班制，一個班多則三十人少則十余人;內(nèi)容上大多為驗證性經(jīng)典實驗，極少創(chuàng)新性實驗;流程上延續(xù)教師主講、學生模仿的模式;考核上仍以實驗報告為主，缺乏真實的過程性評價。這樣的實驗課堂落后低效。

（二）部分教學對象主體意識不強，動手能力較弱

部分大學生在經(jīng)歷了多年的應(yīng)試教育后，在其思想深處不自覺地形成了重視文本理論學習的認知，認為考試分數(shù)才是最重要的，至于學習的過程中自己是不是真實有效地得到鍛煉并不重要。個別學生缺乏學習主體的意識，學習上隨大流，欠思考，以敷衍應(yīng)付為主要方式，將本應(yīng)該豐富多彩、交流碰撞、爭論提升的大學生活，硬生生地退化為渾渾噩噩、刷分過關(guān)的低效歷程。

同時，少數(shù)大學生因成長在物質(zhì)相對豐富的時代，養(yǎng)成了只需關(guān)心學習、提高考試成績，不關(guān)心思考身邊事、窗外事的習慣。在家庭中，他們的生活事務(wù)由家長包辦代替，在學校里只需寫寫算算，始終缺乏面對實際問題獨立實踐、克服困難的經(jīng)歷。這就導致一部分學生缺乏基本的動手操作能力，對一些常見的基本的實驗工具都不知從何入手，更談不上熟練掌握。這種情況下，教師一旦放手讓這些學生做實驗，這些學生必然錯誤百出，挫折感頻生，也就很難談得上實驗技能和思維能力的培養(yǎng)了。

（三）教學手段更新迭代緩慢，難以適應(yīng)現(xiàn)代教育科技的發(fā)展[4]

傳統(tǒng)的大學實驗課程容易形成大家一起跟著教學流程走過場的現(xiàn)象。殊不知現(xiàn)在的學生作為伴隨網(wǎng)絡(luò)而生的線上原居民，對這種乏味的灌輸式教學已經(jīng)產(chǎn)生了麻木的態(tài)度。試問這樣的實驗課堂如何能激發(fā)學生思維、培養(yǎng)學生能力？

隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展，教學方式的更新迭代可以說日新月異。從虛擬現(xiàn)實技術(shù)進化為增強現(xiàn)實技術(shù)，教育技術(shù)的人性化程度越來越高，也越來越為教育的受眾所接受。虛擬現(xiàn)實技術(shù)采用三維仿真生成逼真的視覺、聽覺、觸覺一體化的虛擬實驗情境，讓用戶對虛擬環(huán)境中的對象進行交互操作，從而體驗接近真實的實踐感受。增強現(xiàn)實技術(shù)利用計算機產(chǎn)生的附加信息，對用戶看到的現(xiàn)實世界進行增強，在不將用戶與周圍環(huán)境隔離的前提下，將計算機生成的虛擬信息疊加到真實場景中，從而實現(xiàn)對現(xiàn)實感覺的增強。這樣的教育技術(shù)在高等教育的逐步應(yīng)用，必將改變傳統(tǒng)授課模式，打破傳統(tǒng)實驗教學時間和空間的限制，展示了現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展帶來的便利[5]。

教育部吳巖司長曾經(jīng)指出為什么要建設(shè)虛擬仿真“金課”—— 因為我們看中了“互聯(lián)網(wǎng)+ 教育”之后的“智能+ 教育”。信息技術(shù)、智能技術(shù)與實驗教學的深度融合破解了高等學校實驗、實習、實訓中的老大難問題，解決了原先“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的問題[2] 。

二、建設(shè)虛擬仿真實驗“金課”的探索與實踐

作物栽培學是農(nóng)學專業(yè)的核心基礎(chǔ)課，教學過程不僅需要學生理解作物的生長發(fā)育過程、熟悉決定作物產(chǎn)量品質(zhì)的關(guān)鍵發(fā)育階段、掌握作物生長分析相關(guān)的理論知識，而且需要學生在實驗教學中掌握作物生產(chǎn)、試驗研究必要的基本技能方法，進而能根據(jù)實際生產(chǎn)的具體情況，提出解決問題的方案，以訓練學生綜合運用理論知識的能力。

掌握水稻葉片與器官生長發(fā)育同伸規(guī)則，是作物栽培學理論與實踐的基礎(chǔ)。但在實驗教學過程中，受水稻生長周期長帶來的實驗時空跨度大、微觀結(jié)構(gòu)進程實時觀測難度高等客觀因素的影響，學生無法很好地參與整個過程，這很大程度上制約了學生實踐能力、創(chuàng)新能力、綜合能力的培養(yǎng)。我們借助計算機三維建模技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)，建設(shè)了一套“水稻生長發(fā)育虛擬仿真實驗”，以葉齡進程為主線，展現(xiàn)包括種子萌發(fā)、分蘗、拔節(jié)孕穗等各時期的教學難點，讓學生掌握葉片與器官生長發(fā)育同伸規(guī)則，并熟悉相關(guān)診斷實驗。再結(jié)合相應(yīng)的實體實驗，利用“虛實結(jié)合、虛實互補” 的實驗教學形式，讓學生對水稻整個生長發(fā)育期形成整體認識，這樣能夠激發(fā)學生的興趣，啟迪學生思維，提高學生的實驗實踐能力。

在項目建設(shè)過程中我們著重從以下四個方面改進傳統(tǒng)的實驗教學[6]。

（一）“聚焦重點、攻克難點”，實現(xiàn)線上線下融合式教學

對于水稻種子的微觀結(jié)構(gòu)及萌發(fā)過程、幼苗期種子胚乳淀粉物質(zhì)消耗、根系結(jié)構(gòu)、幼穗分化進程等，學生借助光學顯微鏡往往只能看到微觀結(jié)構(gòu)的二維形態(tài)，無法精準構(gòu)建出真實的立體器官結(jié)構(gòu)，也就不能準確理解水稻生長發(fā)育周期中所發(fā)生的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和位置的動態(tài)變化進程，導致自身知識理論的領(lǐng)悟無法取得滿意的效果，成為傳統(tǒng)實驗教學的瓶頸。

顯微技術(shù)與虛擬實驗相結(jié)合，依據(jù)高性能顯微鏡的觀測結(jié)果，結(jié)合3D虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建可交互的三維動畫模型，使不易觀察的教學內(nèi)容精細化、定格化、互動化，對教學的重點、難點還能進行局部放大、立體動態(tài)展示，這徹底改變了傳統(tǒng)課堂依靠理論推演闡釋的現(xiàn)狀。學生可在虛擬環(huán)境中對實驗對象進行多視角觀測與結(jié)構(gòu)拆解，反復(fù)觀察揣摩實驗內(nèi)容，了解其微觀結(jié)構(gòu)，掌握其生長發(fā)育過程。

例如：胚的結(jié)構(gòu)認知的教學（見圖1）。

胚位于稻種內(nèi)部糙米上，由卵細胞的卵核與精子受精后發(fā)育而成，是新的有機體的原始體。在虛擬實驗中學生可使用鼠標多角度觀察胚的結(jié)構(gòu)，點擊部位上的序號進行學習，掌握胚的結(jié)構(gòu)組成：胚芽鞘、幼葉、胚根、胚根鞘等。然后進行實體顯微鏡解剖觀察，兩相對照不僅提升了學生對種子微觀結(jié)構(gòu)的認知，而且有利于學生掌握胚的萌發(fā)與營養(yǎng)物質(zhì)消耗過程。

這種線上線下融合式教學，能有效克服教學難點，提升實驗教學的效果。

（二）“虛實結(jié)合、以虛促實”，助推學生個性化自主學習

由于水稻屬于大田作物，實驗教學不僅在實驗室，更多的時候還要走向田間地頭。在現(xiàn)有的大班教學體系下，學生的學習過程基本是自上而下接受式的，實驗操作過程也多是按部就班的模仿為主，缺乏個性化的有效指導，實驗教學效果一直不佳。借助于虛擬仿真平臺，采取“虛實結(jié)合、以虛促實”的教學形式，可以讓學生先通過虛擬實驗完成基本訓練，獲得沉浸式實踐體驗，配合師生、生生的實時互動，克服實驗過程中的個性化困難。教師也可以通過管理后臺收集反饋信息，有針對性地進行個性化點撥。這樣不僅能提升學生對理論知識的領(lǐng)悟程度，還能有效提高學生綜合實踐與創(chuàng)新能力，促進實驗教學效果的提升。

例如：觀察葉節(jié)同伸的教學（見圖2）。

同伸規(guī)律揭示的是作物生長的動態(tài)過程，田間觀察只能實現(xiàn)某一時間節(jié)點的發(fā)育形態(tài)，學生難以形成整體認知。在虛擬仿真實驗中可以實現(xiàn)動態(tài)展示葉片的生長發(fā)育過程，將葉片與節(jié)間發(fā)育進行對應(yīng)放大，清晰展示葉節(jié)同伸過程，拖動進度條，還可定格觀察主莖葉片生長、內(nèi)部節(jié)間發(fā)育及某一節(jié)間微觀結(jié)構(gòu)變化的動態(tài)過程。學生可從整體與局部兩個角度掌握葉節(jié)同伸規(guī)律，理解判斷某一節(jié)間生長狀態(tài)的方法要領(lǐng)。

由于學生對各關(guān)鍵生育期的主要器官發(fā)育進程理解有差異，存在個性化的困難，我們就利用3D仿真技術(shù)實現(xiàn)水稻生長發(fā)育的三大時期的精準虛擬呈現(xiàn)，包括葉片、分蘗、根、莖稈、幼穗等都可以進行立體觀察與結(jié)構(gòu)拆解，幫助不同學生對這一教學重點、難點進行領(lǐng)悟與掌握。 這種先通過虛擬實驗完成演練，并在虛擬操作中不斷修正夯實實驗操作技能的新型學習模式，不僅能提高學生的實驗成功率，而且有助于實驗課堂的高水平重建。

（三）“長時實驗仿真虛擬化”，推進學生沉浸式探究學習

水稻生長發(fā)育周期長，受環(huán)境影響大，學生跟蹤觀察難以實現(xiàn)，所以傳統(tǒng)實驗教學經(jīng)常由于時空條件、氣候因素、觀測樣本的生長情況、教學課時限制等的影響，無法保質(zhì)保量地完成教學計劃。

運用三維動畫模擬技術(shù)，將原本需要按4～5個月水稻生長周期學習的知識與實驗操作濃縮在4個課時內(nèi)，利用3D虛擬仿真技術(shù)展現(xiàn)水稻從種子萌發(fā)、根系生長到分蘗盛期的動態(tài)全過程。學生通過虛擬實驗可以觀測完整過程，實現(xiàn)對水稻生長發(fā)育過程的生物學特征認知，提升對理論知識的領(lǐng)悟水平。這有助于學生掌握葉齡診斷方法，為水稻穗肥的正確施用和雜交制種父母本花期預(yù)測提供技術(shù)支撐。對掌握不好的難點，學生還可以反復(fù)訓練或設(shè)計實驗，從而提高自身的實驗技能及創(chuàng)新能力。

例如：觀察稻種萌發(fā)的教學（見圖3）。

從種子萌發(fā)至三葉期，為水稻的幼苗期。這一進程歷時較長，且為微觀進程，難以觀察。教師可利用虛擬仿真技術(shù)虛擬胚的萌發(fā)與營養(yǎng)物質(zhì)消耗過程，呈現(xiàn)種子萌發(fā)過程的生理變化。在虛擬操作中拖動進度條，學生可學習稻種萌發(fā)與幼苗生長具體過程，理解稻種內(nèi)部胚乳淀粉物質(zhì)供給稻種生長的過程;點擊“觀察根系結(jié)構(gòu)”按鈕，可以局部放大，從而清晰觀察該時期的根系結(jié)構(gòu)。

通過虛擬仿真實驗系統(tǒng)，學生可打破時間、空間限制，隨時、隨地進行重復(fù)實驗，進行基于虛擬實驗平臺的沉浸式學習，有利于重新構(gòu)建便于教師教、學生學的新型本科課堂，打破傳統(tǒng)實驗教學受地域、時間、樣品量及體力等的限制，能使學生主動學習的欲望更強烈、實驗操作的興趣更濃厚、知識體系更加完備、實驗技能得到更有效的提升。

（四）“教學反饋實時化，教學指導個性化”， 實現(xiàn)立體互動式教學

傳統(tǒng)的實驗課堂由于建立在大班教學基礎(chǔ)上，一直存在“一管就死，一放就亂”的尷尬局面，師生互動、生生互動難以切實有效地開展;教學信息的采集也是基于督導聽課、問卷調(diào)查、個體訪談等方式進行，學情信息的準確性、實時性、反饋的針對性均難以讓人滿意。借助虛擬仿真技術(shù)平臺管理功能，能夠?qū)崟r跟蹤記錄學生學習的情況;通過在線虛擬操作、提示反饋和問答討論等模塊，能夠記錄學生的參與情況、指導學生的操作過程和評價學生的實驗效果。后臺管理的“在線交流”模塊能夠提供實時在線交流，分享實驗心得，克服實驗困難，達成“人機人”立體互動的實驗教學效果。平臺數(shù)據(jù)收集模塊還能實時記錄完整全面的學情信息，統(tǒng)計輸出匯總的結(jié)果。

全員無遺漏的學情統(tǒng)計報表，是一線教師重要的教學資源，它能有效地幫助教師改進自己的教學，并能有針對性地為學生提供個性化的專業(yè)指導。建立在全面精準學情之上的課堂教學必然更貼合學生的實際需求，更有針對性地提高學生的能力，也就更能吸引學生，從而有效地達成實驗教學的目標，完成學生科學素養(yǎng)的培育。

三、建設(shè)虛擬仿真實驗“金課”的優(yōu)勢探討

高層次的思考可保證學習者學習的有效性，教學過程中只有包含高層次思考才會使學習者長期處于高水平認知緊張的階段。虛擬仿真實驗“金課”借助現(xiàn)代的教育技術(shù)，實現(xiàn)虛擬實驗情景與實體實驗情景的相互補充促進，以個性化和互動性為基本點，創(chuàng)設(shè)雙重互補的學習情境，對培養(yǎng)學習者解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維具有真實可證的優(yōu)勢[7]。

（一） 顯微技術(shù)與虛擬實驗相結(jié)合，能夠革新傳統(tǒng)的教學方法

隨著生物技術(shù)的發(fā)展，實驗課程中經(jīng)常出現(xiàn)涉及微觀結(jié)構(gòu)和長時進程的教學內(nèi)容，雖然教學顯微鏡的性能也在迭代更新，但是實驗樣本的采集、制作，實驗儀器的調(diào)節(jié)、觀測都依賴于實驗者較高的實驗技巧。剛開始接觸這類實驗的學生往往缺乏所需能力，實驗的成功率很低，學習者的挫折感較強，導致實驗走過場的現(xiàn)象頻頻發(fā)生。

可利用科研高性能顯微鏡的圖像數(shù)據(jù)采集功能，結(jié)合計算機3D虛擬技術(shù)，展現(xiàn)難以觀察的微觀結(jié)構(gòu)，模擬實驗觀測進程。可借助仿真技術(shù)、增強現(xiàn)實技術(shù)將實驗的所有環(huán)節(jié)整合成可交互的三維動畫形式，實現(xiàn)學生多維度定格化操作學習，這能有效地提升學生的實驗技能，激發(fā)學生的學習熱情。

（二） 虛擬操作與實體實驗互補，能夠提升實驗的教學效果

傳統(tǒng)大班制實驗課堂教學效果一直不佳，常常課程結(jié)束了，學習者的實際操作能力提升并不明顯。動手能力強的學生感覺實驗挑戰(zhàn)度不夠，收獲不多;動手能力弱的學生往往敷衍了事，最終還是沒有學會。

虛擬仿真技術(shù)可以高度還原實驗對象生長的立體動態(tài)進程，配合時間軸的設(shè)定，使學生從整體到局部，多視角地全面觀測生長發(fā)育的完整過程，通過虛擬操作掌握相關(guān)的實驗技能和技巧。軟件的跟蹤控制模塊還能實時提供個性化的操作指導，學生可以先通過虛擬操作學習相關(guān)技能，再進行實體實驗，提高實驗成功率。學生也可以在實體試驗后進行虛擬實驗，鞏固實驗技能，達成對教學內(nèi)容的全面完整的領(lǐng)悟，提升實驗教學效果。

（三） 利用虛擬平臺實現(xiàn)科研反哺教學，能夠擴展實驗的教學內(nèi)容[8]

科學研究的發(fā)展日新月異，新觀點、新方法、新儀器層出不窮，利用虛擬仿真實驗平臺實現(xiàn)科研反哺教學，不僅能夠擴展傳統(tǒng)教學的內(nèi)容，還能開闊學生視野，對接科學前沿。例如：“水稻葉齡模式”是根據(jù)水稻器官同伸規(guī)律，應(yīng)用水稻主莖葉片生育進程來診斷水稻的生育時期，從而確定相應(yīng)的高產(chǎn)栽培技術(shù)和肥水管理“促”“挖”措施。它是由南京農(nóng)業(yè)大學凌啟鴻教授團隊集國內(nèi)外相關(guān)研究成果，經(jīng)多年研究建立的一種新型栽培理論及技術(shù)體系，不僅是對我國水稻精耕細作傳統(tǒng)的現(xiàn)代詮釋，而且是我國作物栽培學研究對世界作物生產(chǎn)科研與應(yīng)用的重要貢獻。

將這一理論成果以虛擬仿真實驗為載體，完整推進到本科教學一線，是科研反哺教學的真實體現(xiàn)，大大擴展了傳統(tǒng)實驗教學的內(nèi)容。

總之，經(jīng)過這兩年的建設(shè)虛擬仿真實驗“金課”的實踐探索，結(jié)合近千名學生進行虛擬仿真實驗操作學習后的反饋信息，師生們一致認為，虛擬仿真實驗“金課”不僅能夠增強學生自主學習、主動探究的積極性，而且能真實有效地提高實驗技能和實驗教學效果。因此，隨著互聯(lián)網(wǎng)與信息技術(shù)的飛速發(fā)展，采用虛擬仿真技術(shù)提檔升級傳統(tǒng)的教學模式是一條卓有成效的教學改進之路。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 陳寶生.寫好高等教育“奮進之筆”：在教育部直屬高校工作咨詢委員會第二十七次全體會議上的講話[J].中國高等教育，2018（Z1）：14-22.

[2] 吳巖. 建設(shè)中國“金課”[J]. 中國大學教學，2018（12）：4-9.

[3] 教育部.教育部關(guān)于狠抓新時代全國高等學校本科教育工作會議精神落實的通知（教高函〔2018〕8 號）[Z].2018.

[4] 王玉璽. 知識為憑·能力為用·素質(zhì)為本：現(xiàn)代教育的三個境界斷想[J]. 內(nèi)蒙古教育，2006（3）：4-6.

[5] 肖世維，青思含，文錦瓊.從虛擬現(xiàn)實到增強現(xiàn)實探索基礎(chǔ)醫(yī)學實驗教學“金課”建設(shè)[J].高校醫(yī)學教學研究（電子版），2019（3）：7-12.

[6] 劉為滸，郝佩佩，黃驥.虛擬仿真技術(shù)在本科教學中的應(yīng)用研究[J].中國農(nóng)業(yè)教育，2016（3）：91-96.

[7] 崔佳，宋耀武.“金課”的教學設(shè)計原則探究[J].中國高等教育，2019（5）：46-48.

[8] 熊宏齊.國家虛擬仿真實驗教學項目的新時代教學特征[J].實驗技術(shù)與管理，2019（9）：1-4.

[責任編輯：鐘 嵐]