基于虛擬仿真技術建立線上線下融合的大學實驗教學體系

張學博 劉依蒙 楊明

［摘 要］文章通過分析傳統高校實驗教學體系的特征及其存在的問題，研究高校實驗教學的特征及其體系構建要點，推出了線上線下融合式實驗教學的課程建設方案，提出了推進理論教學的整體優化改革與創新的具體方案。

［關鍵詞］虛擬仿真教學；線上線下融合教學；高校實驗教學體系

［中圖分類號］ 642.423 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）23-0014-05

實踐教學是幫助學生鞏固和深化理論知識的有效途徑，是應用型/工科類專業培養高校人才創新實踐能力的重要方式，也是學生從學校學習階段過渡到崗位工作階段的關鍵環節。長期以來，傳統實驗教學存在著實驗教學模式僵化、創新性不足、技能訓練模式過于刻板、學生自我發揮探索實踐的空間有限等問題，在一定程度上抑制了學生對實驗課程的積極主動性。在科技高速發展的今天，傳統的實驗教學已經不能夠滿足教學的需求，高校需要采用虛擬仿真實驗教學。

高校實驗教學體系應采用線上線下融合的方式，以突破實驗資源的限制，實現實驗資源共享，打造與學習實踐目標相匹配的專業實驗教學體系，使高校的實驗教學更好地服務于提升教學質量和學生的創新創業能力。

一、高校實驗教學體系構建要點

（一）實驗教學須領先于經濟社會發展

目前，部分高校實驗教學所使用的實驗儀器和實驗方案仍然存在滯后于社會需求的現象，這不利于高校人才的培養。此外，一些公司使用的實驗儀器相較于高校實驗室中的設備更為先進，這導致高校學生難以快速融入社會。

實驗教學的目的在于讓學生掌握實驗技術，將科學成果轉化為實際行動，培養學生理論與實踐相結合的能力和素養。科學的發展離不開實驗，通過科學、有效的實驗，我們可以不斷提煉出更加成熟的技術，從而為國家的持續發展提供強大的支撐。而高校實驗教學肩負著培養學生實驗能力的重任，因此，實驗課程體系和教學內容必須及時進行改革，以滿足經濟社會發展對高校人才培養的需求，促進教育質量的提升。

（二）將虛擬仿真實驗作為高校實驗教學體系構建的重點

開發虛擬仿真實驗教學項目，可以更好地將最新的科研成果融入實驗課堂，推動實驗課程教學內容的快速更新，以滿足經濟社會發展對高校提出的育人要求。然而，構建實驗教學體系是一項復雜且資金投入量大的工作，它的開發必須克服從理論到實踐的轉變，以便讓人們能夠更直觀地體驗從理論到實踐的發展和變化。因此，高校實驗教學體系的構建應嚴格遵循教育部頒布的《教育部關于一流本科課程建設的實施意見》（教高〔2019〕8號），采用現代化技術手段，結合實際應用，開發虛擬仿真實驗教學項目和線上線下混合式實驗課堂，將先進的科學技術和科學實驗設備應用于實驗課程，進行實驗課程改革和技術創新，以更好地適應學生的學習需求。同時，還需要改進專業實踐模式，打造出一個全新的、專業對口的高校實驗教學平臺。

（三）平衡虛擬仿真實驗教學發展與創新之間的關系

實驗教學體系的發展和創新必須遵循六個平衡，即基礎與前沿的平衡、傳統與現代的平衡、單一原理與多元化設計的平衡、個人操作與團隊協作的平衡、理論原理與實踐技術的平衡、逐步學習與研究探索的平衡。在這些平衡關系中，傳統的實驗室實驗教學項目主要體現前者，幫助學生建立專業的基礎理論、方法和技能；而虛擬仿真實驗教學和學生科研訓練則主要體現后者，幫助學生更好地鞏固專業技能，了解專業最新發展，并增強學科交叉能力，培養實踐素養。

二、線上線下融合式實驗教學的課程建設方案

根據教育部頒布的《教育部關于一流本科課程建設的實施意見》（教高〔2019〕8號），線上線下融合式實驗教學應該采用更加先進的虛擬仿真實驗技術，以改進和優化傳統的實驗教學模式，實現混合式實驗教學，提高實驗教學質量。具體的課程建設方案如下。

（一）線上實驗教學的改進方案

為了提高學生的實驗技能水平，課題組推出了一種新型的線上實驗課程，它將所有的實踐活動轉化為虛擬仿真形式，以便讓更多學生更方便、快捷地理解和掌握知識。該線上實驗課程劃分為三類（見表1）：第一類為專業型實驗，包括專業基礎實驗、專業課程實驗、專業方向或者涉及本專業的前沿學科領域實驗；第二類為學術型實驗，包括專業或相關專業的前沿學科領域實驗，以及專業方向的實驗課程設計；第三類為創新型實驗，包括專業創新型實驗、學生自主創新型實驗和師生協作創新型實驗。創新型實驗設計具體包括實驗原理、實驗步驟、注意事項、數據記錄表及結果假設等內容，教師通過線上虛擬仿真實驗平臺對創新型實驗進行構件設計，同時由專業教師和專家組成員進行審核，并對實驗安全性和可操作性進行評估。只有經過專家組成員審核通過后，創新型實驗才能在線下進行，以提高實驗的可靠程度，并減少實驗儀器和設備損壞的可能性。若實驗可以順利進行，則可以將實驗流程融入虛擬仿真實驗平臺中，以增加線上實驗的實驗類型，完善線上實驗平臺的建設。

（二）線上線下混合式實驗課程體系的構建方案

高校實驗課程包括實際操作實驗（線下）和虛擬仿真模擬實驗（線上），旨在幫助學生更好地理解并掌握知識。為了滿足當今時代的需求，適應經濟、社會及其他領域的快速發展，課題組采用了混合式實驗教學，將線下專業實驗課程與線上專業實驗課程相結合，構建線上線下混合式實驗課程體系。

針對線下實驗，要開設具有較高質量、具有較高綜合性的課程，摒棄那些過時或無用的知識。同時，還需要對線上課程的內容和學習時長進行適當的調整，以便更好地利用最新的科學技術，開展更多的虛擬仿真實踐活動。在線上線下混合式實驗課程體系中，還要增加使用虛擬仿真技術的實驗課程所占的比例。將線上線下實驗課程進行有效融合有以下幾種方案：

（1）線下實驗+線上理論教學。

（2）線下實驗+線上輔助實驗。

（3）線下實驗+線上虛擬仿真輔助實驗（用于線下實驗預習）。

（4）線下實驗+線上MOOC（用于布置任務、理論指導、作業、管理等）。

（5）線下實驗+線上虛擬仿真實驗。

通過將線上線下實驗課程融合，大量引入虛擬仿真實驗課程，可以幫助學生拓寬知識領域，豐富實踐經驗，并獲得更大的收獲。這樣的課程既簡單又實用，能夠讓學生更加全面、系統地參與到本科的實驗教育中。其中，虛擬仿真實驗課程融入實驗課程體系的具體形式如下（見表2）。

此外，為了幫助學生科學合理地規劃所學專業實驗課程，課題組設置了線上線下專業課程實驗教學體系建設的參考路徑：

（1）根據《普通高等學校本科專業類教學質量國家標準》的規定，更加精確地確定專業學生的知識、技能、素質等培養目標，以滿足社會對高素質人才的需求。

（2）全面調整并重新設計專業的實驗課程體系，包括模塊、層次、名稱、學分和學時等，以滿足學生對于實驗類課程的學習需求。

（3）經過系統的篩查、重組和調整，淘汰落后的傳統專業實驗模式，并積極與先進的技術相結合，開發出更具創意和挑戰性的實驗課題，從而使實驗課堂更加符合當今的發展趨勢，更好地滿足專業人才的培養需求。

（4）構建一個包含各種實驗教學內容的關聯矩陣，這個矩陣的橫軸代表著滿足不同專業的學習需求（包括但不限于實驗課程、實驗項目、主講教師及其他相應的指導教師、各個小組的成員），縱軸表示這些需求的大小及它們之間的相互作用。

（5）重新設計高校實驗教學課程，并為各專業配備實驗教學資源配置圖，根據各個專業實驗教學資源進行安排，以便更精準地對線上線下的實驗課程及其所占比例進行科學合理的分配。

（三）線上線下混合式專業實驗教學資源配置——以河南理工大學安全工程專業為例

專業實驗教學資源配置圖是一種重要的工具，它可以幫助我們更好地管理和組織實驗室的資源，為教師提供一個更加精確的指南，從而更好地指導學生的學習，提高學生的實驗能力。

在制訂專業的實驗教學資源配置圖時，邀請來自專業領域的權威人士參與是非常重要的，例如邀請有著豐富實踐經驗的教授、在實驗教學領域取得顯著進展的優秀人才等。下面以河南理工大學安全工程專業本科人才培養為例，對專業實驗教學資源配置圖做詳細解析（見表3）。通過分析河南理工大學安全工程專業本科生的實驗情況，可以深入了解該學院的實驗室和課堂的資源分布情況，從而更好地提升學生的能力。

三、實驗教學的整體優化改革與創新的建議

（一）引入傳統的簡單實驗，可以更好地將理論知識融入基礎的虛擬仿真課程中

雖然隨著科技的發展，利用信息技術進行在線實驗已被廣泛應用于理論教學中，但傳統的簡單實驗能夠使學生更易于進行復雜的驗證性操作，為更難的實驗操作流程打下堅實的基礎，并可將其作為評估學生能力的重要依據，使其他傳統的簡易驗證性操作能夠得到充分的應用。

（二）利用多種信息來源，結合多樣化的實踐活動，以培養學生獨立思考、深入研究和掌握專業技術的能力

經過改進的實驗教學體系，將一些已經失效的驗證性實驗納入其中，能夠幫助學生更好地掌握并運用各種知識，包括基本的數據、模型、算法、工具等，從而更好地應對復雜的現代社會問題。此外，將最新的科技和工程技術納入理論課的教學中，不僅可以大大節省教師的教學時間，還能更好地滿足學習者的需求。

（三）淘汰落后的傳統實驗模式和內容

為了更好地滿足當今經濟、社會及其他發展的要求，將最新的科研成果和更多的實踐性活動引入高校實驗教學的課堂中，以提升實驗課程的教學效果。同時，可將不同專業知識有效地融入課堂中，以更好地滿足當今的實際需求。

（四）全面貫徹多層次變革實驗教學理念

虛擬仿真實驗教學是一種具有革命性的教學方法，它不僅徹底改變了傳統的教學模式，還極大地拓寬了學生的視野，使得他們的學習體驗得到了改善。虛擬仿真實驗教學系統可以將實驗的各種步驟有機地結合起來，使學生更加深入地了解實驗教學的實際情況，并更好地實現實驗教學的目標。

（五）利用虛擬仿真實驗教學推進創新創業教育融入專業教育全過程

虛擬仿真實驗教學可以大大完善實驗課程體系與教學內容，甚至可以替代傳統實體實驗，將多種實驗結果融為一體，以更好地反映當下最先進的科學技術，實現學習內容與實踐能力之間的協調，從而滿足學生提升創新能力及實踐能力的需求。對于培養學生的創造力來說，改革課程體系和教學內容已成為推動創業教育深度滲透到整個教學過程的重要舉措。

四、總結

本文通過分析高校實驗教學體系構建要點，從社會、課程構建、教學與創新三個方面展開探討，最終確定了線上線下融合式實驗教學的課程建設方案，包括線上實驗課程的改進方案、線上線下混合式實驗課程體系的構建方案，以及以河南理工大學安全工程專業為例分析的線上線下混合式專業實驗教學資源配置方案，并為實驗教學優化改革和創新提出了相關建議。

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［責任編輯：鐘 嵐］