虚拟仿真实验教学项目建设与应用研究

郭 婷，杨树国，江永亨，黄开胜

虚拟仿真实验教学项目建设与应用研究

郭 婷，杨树国，江永亨，黄开胜

（清华大学 实验室管理处，北京 100084）

教育部对虚拟仿真实验教学项目建设与应用提出了全面要求。该文以教育部相关文件要求为基础，从实验教学的作用出发，讨论了对以核心要素仿真度为主要内容的虚拟仿真实验教学项目要求的内涵，并从虚拟仿真实验与实体实验、虚拟仿真实验教学体系与实验教学整体体系、教学内容与教学形式、线上资源和线下资源、虚拟仿真实验教学与人才培养等方面，探讨了虚拟仿真实验教学项目建设与应用中的几个重要关系。

虚拟仿真；实验教学；内涵；关系

近年来，信息技术飞速发展，为教育现代化提供了强有力的工具，正在深刻影响教育形态和教育方式的发展变化[1]。实验教学是培养创新精神、实践能力和社会责任感的重要载体，利用虚拟仿真技术拓展实验教学内容的广度和深度，延伸实验教学的时间和空间，提升实验教学的质量和水平，是教育信息化的一个重要方向[2-3]。

为了实质推进虚拟仿真实验教学项目建设，2017年7月，教育部发布《教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知（教高厅[2017]4号）》[4]，计划在高校实验教学改革和实验教学项目信息化建设基础上，统筹规划2017—2020年在60种学科类别中认定1000项左右示范性虚拟仿真实验教学项目。2017年8月，教育部发布《教育部办公厅关于开展2017年度示范性虚拟仿真实验教学项目认定工作的通知（教高厅函[2017]47号）》[5]，明确2017年在生物科学类等8个学科类别中认定100个项目（最终认定105项）。2018年6月，教育部发布《教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知（教高函[2018]5号）》[6]，指出国家虚拟仿真实验教学项目是对示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作的深化和拓展。2018年7月，教育部发布《教育部办公厅关于开展2018年度国家虚拟仿真实验教学项目认定工作的通知（教高厅函[2018]45号）[7]，计划在23个学科类别中认定260个项目（最终认定296项）。2019年7月，教育部发布《教育部高等教育司关于开展2019年度国家虚拟仿真实验教学项目认定工作的通知（教高函[2019]33号）》[8]，对2019年认定工作作出部署，计划在26个学科类别中认定305个项目。

国家虚拟仿真实验教学项目认定是在国家级虚拟仿真实验教学中心建设的基础上，以搭积木方式建设虚拟仿真教学资源的重要工作，是不断提高和完善的过程。为了有效开展虚拟仿真实验教学项目建设和应用工作，本文拟就建设和应用的内涵及如何认识和把握项目认定要求进行讨论。

1 教育部文件关于项目认定要求的简要分析

《教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知（教高厅[2017]4号）》[4]指出，建设目标是“紧紧围绕立德树人根本任务，适应经济社会快速发展对人才培养的新要求、现代大学生成长的新特点、信息化时代教育教学的新规律，以提高学生实践能力和创新精神为核心，以现代信息技术为依托，以相关专业类急需的实验教学信息化内容为指向，以完整的实验教学项目为基础，建设示范性虚拟仿真实验教学项目，推动高校积极探索线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式，形成专业布局合理、教学效果优良、开放共享有效的高等教育信息化实验教学项目示范新体系，支撑高等教育教学质量全面提高”。

《教育部办公厅关于开展2017年度示范性虚拟仿真实验教学项目认定工作的通知（教高厅函[2017]47号）》[5]《教育部办公厅关于开展2018年度国家虚拟仿真实验教学项目认定工作的通知（教高厅函[2018]45号）》[6]、《教育部高等教育司关于开展2019年度国家虚拟仿真实验教学项目认定工作的通知（教高函[2019]33号）》[8]均对项目申报和认定提出了具体要求，涉及团队情况、项目描述、网络要求描述、技术架构及主要研发技术、项目特色、持续建设服务计划、知识产权、诚信承诺、附件材料、学校承诺意见等方面内容。下面结合这3年的变化对项目申报和认定要求简述如下。

（1）项目团队。包括负责人情况和团队情况，要求团队须有在线服务人员和技术支持人员，2018年起区分为团队主要成员和其他成员，其中主要成员不超过5人。该要求表明，教育部要求项目有持续服务能力，团队人员应实际参与建设和服务工作。

（2）项目描述。应具有完整的内容结构，要求项目要满足2个学时的教学需要，学生操作步骤不少于10步。2019年要求明确标示实验所属课程课时和项目本身所占课时，并在阐述实验原理时说明核心要素的仿真度。2018年起在实验方法与步骤要求中指出，要包括实验方法和学生交互性操作步骤说明、实验结果记录情况和结果形式、上线时间和开放时间、服务学生人数、是否向社会提供服务等内容。2019年还要求明确是否纳入教学计划，强化了项目与教学计划的关系，强调了虚拟仿真项目面向实验教学的仿真度和有效性。

（3）项目相关网络要求描述。要求说明软硬件和网络要求及主要技术，2018年起要求说明是否支持移动端，2019年新设了网络安全内容，要求说明是否完成国家信息安全等级保护及其级别。该要求说明项目应尽可能适应各种新的应用需要，重视信息安全。

（4）技术架构及主要研发技术。要求对技术做出清楚说明，2019年不再要求对管理平台进行专门说明，但增加了对项目品质的要求。

（5）关于项目特色。2017年要求对教学理念、内容、方式方法、开放运行、评价体系等予以说明，2018年起则要求体现项目建设的必要性及先进性、教学方式方法、评价体系及对传统教学的延伸与拓展，更加强调与实体实验的关系及其对实验教学的作用。

（6）项目持续建设服务计划。要求至少能够向高校和社会持续开放服务5年，而不能只认定不服务。

（7）知识产权。2019年特别要求说明软件著作权登记情况，强调自主创新及无争议服务。

（8）诚信承诺和学校承诺。此项要求为项目申请和认定的基本要求。

（9）附件材料。2019年增加了政治审查意见和校外评价意见的要求，强调要重视政治方向。

上述内容是教育部对虚拟仿真实验教学项目建设和应用提出的全面要求，是体系性的，又是发展性的。这些要求是文本型的、条目式的，而要准确理解和把握，还需要进一步分析这些要求的内涵以及实现过程中可能涉及的问题。

2 虚拟仿真实验教学项目要求的内涵

关于虚拟仿真实验教学项目要求的内涵，教育部高教司领导做过多次专门讲话和指示。虚拟仿真实验教学项目是面向实验教学的，因而它首先要满足实验教学的要求，实现实验教学的目标，符合实验教学的规律。一般来说，实验教学应从以下几方面发挥作用。

（1）帮助学生直观认识和理解客观世界的运动。一切学问都是客观世界运动的规律性的反映，它最终体现在理论上，但是理论一经抽象就失去了具体的内容。实验教学正是从这个意义上帮助学生对客观世界的运动产生生动的、全面的认识。这种认识以感性认识为基础，以科学理论为指导，最终上升到理性认识。

（2）帮助学生掌握一定的实验知识和能力。实验是生产知识的重要手段，特别是当今世界，实验的综合性、复杂性愈来愈强，专门化要求愈来愈高，实验既是技能，又要求有专门的理论知识，实验教学就是要培养学生的实验知识和能力。

（3）帮助学生提高创造性和综合性动手能力。通过一些综合性、开放性、工程性实验，让学生去面对和解决实际问题，在游泳中学习游泳，在实践中提高创造性和综合性动手能力，掌握真本领。

（4）帮助学生培养学术素养和实践素养。纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。实验实践过程蕴含着丰富的信息，涉及素养的东西靠耳提面命是得不到的。实验教学在教授知识和培养能力的同时，更强调培养学生的学术素养和实践素养，即通过大量实践建立起良好的思维习惯，这是实验、实践的真正意义所在。

每个学科都有自己的特点，每类实验又有不同的培养重点。因此，实验教学要有完整的体系，要与培养计划、理论教学配合起来，每个实验教学项目要按照自己的定位，有重点地从一个方面或几个方面发挥作用。从根本上说，实验教学就是要让学生看真的，真的做。

虚拟仿真实验是利用信息技术开展实验教学的一个手段，要使它在上述几方面切实发挥作用，核心问题是仿真度，即虚拟仿真实验对象与实体对象的相似程度。仿真度的评价是客观存在和主观准则的统一，与实验目的紧密相关，并随实验类型的不同而不同。对于体验性实验的仿真度，要求呈现方式、沉浸感真实，即给人的视、听、触、味等感觉要真实；对于物理、化学、生物反应以及机械运动等方面实验的仿真度，要求反应机理要真实；对于复杂系统实验的仿真度，要求系统结构、运动机理、数据源要真实；对于锻炼动手能力实验的仿真度，要求操作动作和对象反馈要真实。如果一个实验对象或系统，要求全面高仿真度，代价太大，因此要准确选择核心要素，以其核心要素的仿真度满足实验教学要求为标准。总体上讲，在实验教学的意义上，虚拟仿真实验对象特性要与实体对象相一致，在此基础上，学生交互操作步骤要具有实际操作意义，而不仅是页面触动。

3 虚拟仿真实验教学项目建设与应用应注意的几个关系

内涵明确之后，还应注意处理好几个重要关系。

（1）虚拟仿真实验与实体实验的关系。近些年，科学技术领域快速向宇观和微观方向拓展，极端条件越来越突出，如复杂的化工过程、微观的量子行为、各类空间的飞行器、地球物理系统、宇宙运行系统、复杂的社会组织运动等，或者很难在实验室实现，或者实现了也难以直观看到内部过程[9]。若能通过虚拟仿真手段将其以一定的仿真度再现出来，是非常有意义的。即便是一些常规过程，虚拟仿真实验也在直观认识、模拟培训等方面有独特的优势。虚拟仿真实验教学项目就是要从这些方面发挥独特优势，对于那些由于极端条件实验室难以实现或危险性较大的实验，那些由于空间、场所局限难以大规模复制的实验，那些由于实验周期过长或者难以复现的实验等，即可采用虚拟仿真方式开展实验教学。但另一方面，虚拟仿真实验教学项目不能简单地替代实体实验，应始终坚持能实不虚的原则。为了综合虚拟仿真实验和实体实验的优势，应根据实际情况建设虚实结合的实验体系。

（2）虚拟仿真实验教学体系与实验教学整体体系的关系。虚拟仿真实验教学体系应从实验教学整体体系中来、从教学大纲中来，应在能实不虚的原则下各就其位、各司其职，使虚拟仿真项目发挥出自身的特点和长处。当然，这并不意味着虚拟仿真实验教学项目只能是实体实验项目的虚拟仿真化，而应根据教学目的，发挥信息技术优势，拓展出新的实验教学项目。同时，虚拟仿真实验教学项目应自成体系，应从实验教学资源的角度出发，建设仿真度适宜的实验对象，灵活开发和配置不同层次、不同角度的教学项目。

（3）教学内容和教学形式的关系。信息技术的快速发展首先激发的是教学形式的变革[10]。虚拟仿真实验教学为灵活教学、推动以学生为中心的教学提供了条件。但教学内容是基础的、核心的、决定性的东西，因此要坚持以教学内容为中心，避免单纯兴趣中心、逃避压力、知识碎片化等现象。

（4）线上资源和线下资源的关系。虽然虚拟仿真实验教学项目呈现的是线上资源，但需要明确的是，虚拟仿真实验教学是在物理世界进行的，学生和教师都是物理世界活生生的人，资源的维护也需要人财物的物理条件。特别是对于长期开放服务，更需要大量的线下资源匹配。只有将线上资源和线下资源合理匹配起来，才能有效发挥虚拟仿真实验教学的作用。

（5）虚拟仿真实验教学与人才培养的关系。虚拟仿真实验教学能够以更丰富的内容、更便利的方式培养人才[11-12]。但由于虚拟仿真给学生呈现的是一个虚拟的对象，甚至是一个虚拟的世界，因此要特别重视虚拟世界与真实世界的关系及其对学生认知的影响，要加强对这方面问题的研究，特别是对一些涉及世界观、价值观方面问题的研究。

4 结语

近年来，特别是教育部启动虚拟仿真实验教学项目认定以来，关于虚拟仿真实验教学的研究、讨论和实践蔚然成风，取得了不少成果，但也存在需要进一步提高认识和统一认识的问题。本文从教育部相关文件要求出发，讨论了对虚拟仿真实验教学项目要求的内涵及项目建设与应用中应注意的几个关系。当然，这些内容都应结合不同领域和条件的具体情况作进一步的细化研究。

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[3] 祖强，魏永军.国家级示范性虚拟仿真实验教学项目申报策略探讨[J].实验技术与管理，2018, 35(9): 236–238.

[4] 教育部. 教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知[Z]. (2017-7-11).http://www.moe. gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201707/t20170721_309819.html.

[5] 教育部. 教育部办公厅关于开展2017年度示范性虚拟仿真实验教学项目认定工作的通知[Z]. (2017-8-29). http://www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201709/t20170912_314251.html.

[6] 教育部. 教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知[Z]. (2018-5-30). http://www.moe.gov.cn/srcsite/A08/ s7945/s7946/201806/t20180607_338713.html.

[7] 教育部. 教育部办公厅关于开展2018年度国家虚拟仿真实验教学项目认定工作的通知[Z]. (2018-7-30). http://www.moe. gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201808/t20180810_344990.html.

[8] 教育部. 教育部高等教育司关于开展2019年度国家虚拟仿真实验教学项目认定工作的通知[Z]. (2019-7-1). http://www.moe. gov.cn/s78/A08/A08_gggs/A08_sjhj/201907/t20190702_388692.html.

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Study on construction and application of virtual simulation experimental teaching projects

GUO Ting, YANG Shuguo, JIANG Yongheng, HUANG Kaisheng

(Office of Laboratory Management, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

The Ministry of Education has put forward comprehensive requirements for the construction and application of virtual simulation experimental teaching projects. Based on the requirements of relevant documents of the Ministry of Education and starting from the role of experimental teaching, this paper discusses the connotation of the requirement of virtual simulation experimental teaching projects with core element simulation as its main content. Several important relationships between the construction and application of virtual simulation experimental teaching projects are explored from the aspects of the virtual simulation experiment and physical experiment, virtual simulation experiment teaching system and experimental teaching system, teaching content and teaching form, online and offline resources, virtual simulation experimental teaching and personnel training.

virtual simulation; experimental teaching; connotation; relationship

G642.324；G434

A

1002-4956(2019)10-0215-03

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.052

2019-08-15

2019-08-20

北京市高等教育学会技术物资研究分会教育信息化2.0时代背景下优质实验教学资源建设的研究与实践项目（JSWZ201811）

郭婷（1988—），女，河南安阳，博士，主要研究方向为实验教学、实验室建设与管理、实验技术队伍建设与管理。E-mail: guoting@tsinghua.edu.cn