国家虚拟仿真实验教学项目的新时代教学特征

熊宏齐

在新形势下，虚拟仿真实验在国内高校得到比较快的发展与普及，在人才培养及实验教学方面起到了重要的作用。东南大学实验室与设备管理处熊宏齐处长在有关文件精神的基础上，结合多年的实践经验，总结凝练了国家虚拟仿真实验教学8个新时代的教学特征；华中科技大学实验室与设备管理处李震彪处长在观察与思考的基础上，客观地解读了在开发虚拟仿真实验项目过程中应该注意的相关问题。这两篇文章对于高校在新时代更好地开展虚拟仿真实验教学能够给予广大读者一些新的、有益的启示。

国家虚拟仿真实验教学项目的新时代教学特征

熊宏齐

（东南大学 实验室与设备管理处，江苏 南京 211189）

国家虚拟仿真实验教学项目是教育部推出的5类国家“金课”之一，其建设水平遵循国家“金课”的“高阶性、创新性、挑战度”，即“两性一度”标准。依据教育部有关推进国家虚拟仿真实验教学项目建设的相关文件精神和国家“金课”“两性一度”标准，结合推进国家虚拟仿真实验教学项目建设的经验和相关思考，总结凝练出国家虚拟仿真实验教学项目具有实验内容精彩、实验构思巧妙、实验技术先进、实验做法灵活、实验评价客观、形象展现抽象、拓展实验教学的广度和深度、加速推进实验教学与理论教学平衡发展等8个新时代的教学特征。

虚拟仿真；实验教学；教学特征

教育部《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）[1]和教育部《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）[2]明确指出，国家虚拟仿真实验教学项目的教学理念：注重以学生为中心，注重对学生社会责任感、创新精神、实践能力的综合培养，调动学生参与实验教学的积极性和主动性，激发学生的学习兴趣和潜能，增强学生创新创造能力；国家虚拟仿真实验教学项目的教学内容：坚持问题导向，重点解决真实实验项目条件不具备或实际运行困难，涉及高危或极端环境，高成本、高消耗、不可逆操作，以及大型综合训练等问题；同时坚持需求导向，紧密结合经济社会发展对高校人才培养的需求，紧密结合专业特色和行业产业发展最新成果；国家虚拟仿真实验教学项目的教学方法: 始终关注信息化时代背景下学生需求，重点实行基于问题、案例的互动式、研讨式教学，倡导自主式、合作式、探究式学习。

国家虚拟仿真实验教学项目是教育部推出的5类“金课”之一，其建设水平坚持“高阶性、创新性、挑战度”，即“两性一度”标准。高阶性是指知识能力素质的有机融合，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维；创新性是指教学内容反映前沿性和时代性，教学形式体现先进性和互动性，学习结果具有探究性和个性化；挑战度是指实验有一定难度，需要学生努力才能够得着，对教师备课和学生课下有较高要求[3-4]。

依据教育部关于推进国家虚拟仿真实验教学项目建设的相关文件精神，和教育部推出“金课”的“两性一度”标准，结合作者在推进国家虚拟仿真实验教学项目建设中的经验和相关思考，总结凝练出国家虚拟仿真实验教学项目具有以下8个新时代的教学特征。

1 实验内容精彩

良好的虚拟仿真实验教学项目的教学内容选择，需紧紧围绕立德树人的根本任务，适应经济社会快速发展对人才培养的新要求[5-6]。立德树人，关键在教师。2014年9月9日，习近平总书记到北京师范大学考察，对教师提出了要有理想信念、有道德情操、有扎实学识、有仁爱之心的要求。将理想信念、道德情操、扎实学识、仁爱之心在教学中传承、传授，就是立德树人。其中，扎实学识需要有扎实的知识功底、过硬的教学能力。要求教师不仅需要过硬的专业知识基础，还要洞悉学科前沿方向，更要有将国家行业产业发展最新成果转换为教学内容，采用适当的教学方法传授给学生的能力，以国家使命和社会责任培养学生的家国情怀和将来献身国家的理想信念。国家行业产业发展的最新成果转换成实体实验教学项目，需要教学内容的凝练、仪器设备的设计和制造等环节，投入到实际教学需要较长的时间，有的成果甚至没有办法转换成实体实验项目。因此，将国家行业产业发展的最新成果转换成虚拟仿真实验教学项目，不但可以确保实验内容精彩，还可以缩短投入到教学的时间，以适应经济社会快速发展对人才培养的新要求，达到立德树人的教学目的。

2 实验构思巧妙

国家行业产业发展的最新成果转换成虚拟仿真实验教学项目需要解决的关键问题是，本科生所具备的知识基础难以让学生完全掌握前沿高深的知识和最先进的技术，该如何进行教学设计？这就需要虚拟仿真实验教学项目建设课题组对国家行业产业发展的最新成果的核心要义高度凝练，用学生通晓的、最普通的方法进行教学实践，让学生容易自主完成实验，让教师容易组织教学。

举一个构思巧妙的实体实验例子，其实验构思的巧妙性值得我们将前沿高深的知识和最先进的技术转换成虚拟仿真实验时借鉴。如油滴实验，是美国实验物理学家罗伯特×密立根在1909年所进行的一项物理学实验。此实验的目的是要测量单一电子的电荷。方法主要是平衡重力与电力，使喷射撕裂带电的油滴悬浮于两片金属电极之间。并根据已知的电场强度，计算出整颗油滴的总电荷量。重复对许多油滴进行实验之后，密立根发现所有油滴的总电荷值皆为同一数字的倍数，因此认定此数值为单一电子的电荷e=1.592·10-19库仑。该实验的研究对象属于当时微观世界领域的前沿性问题，而一个非物理专业的大学新生就可以很容易完成这一实验，应归功于该实验设计巧妙、原理清楚、设备简单、结果准确，是一个著名而有启发性的物理实验。

3 实验技术先进

行业产业发展的最新成果一般具有2个属性。一是具有成果所属专业领域鲜明的、前沿性的专业知识内容，二是具有与本成果相关的其他专业领域的最新技术，这个最新技术是成果得以实现的关键技术手段。鲜明的、前沿的专业知识内核+相关的其他专业领域的最新技术=前沿领域学科交叉的知识载体，将这样的载体转换成虚拟仿真实验教学项目，不仅能夯实学生的专业基础知识，也能培养学生结合各专业领域的知识，达到提升学生解决专业问题的能力，促进学生知识能力素质的有机融合，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维教学效果[7-8]。

4 实验做法灵活

虚拟仿真实验教学项目的教学设计要实行基于问题、案例的自主式、合作式、探究式学习，对学生具有挑战度[9-10]。虚拟仿真实验教学项目代表行业产业发展的最新成果，其底层数据支撑来源于成果实现过程的科研数据。虚拟仿真实验教学项目的底层数据映射出的专业知识内容一般比学生本科教材上介绍的基本知识内容更宽广，有基本内容，也有前沿知识。成果实现技术一般比学生在实体实验室接触到的技术更多、更先进，具有本专业领域的基本实验方法和技术，也有本专业领域和其他专业领域的最新实验方法和技术。学生利用这样设计的虚拟仿真实验教学项目开展实验，不仅可以完成验证性实验，验证本专业的基本知识和方法，还可以以基本知识和方法为起点，进一步拓展、探索新的知识和方法，包括涉及本学科前沿和跨学科的知识和方法。因而，这样的虚拟仿真实验教学项目设计，可以实现实验教学的真正目的，即对学生而言，大部分的创新只是发现了自己过去不知道的事实。实验教学固然要帮助学生成就将来的创新，但主要任务是要使学生体验到创新的快乐和自信，激发学生的创新欲望，并创造条件使这种可贵的品质保持下去，鼓励学生持续性地把发现的“新”深究下去，培养学生的创新能力。

5 实验评价客观

学生完成实验后所获得的实验能力评价是虚拟仿真实验教学项目设计的重要内容。在虚拟仿真实验教学项目的教学设计中，要求对学生获得的知识、能力、素质进行全过程评价，也是对学生在该虚拟仿真教学实验中所养成的能力结构进行评价。每个虚拟仿真实验教学项目的设计包括相应的实验对象、实验目的、实验原理、实验方法、实验步骤、实验结果与结论等部分，也包括学生完成实验必须具备的相关背景知识。对学生的实验能力评价包括上述完整实验过程，如实验目的的把握度、实验原理的掌握度、实验方法的合理度、实验步骤的规范度以及实验结果的正确度等。每个虚拟仿真实验教学项目的评价要素可以设计成若干基本点，对每个基本点的完成情况与评分进行科学建模，从而达到对实验过程的每个基本点进行客观评分的目的。

这种自动生成的客观评价，最重要的作用是评价学生的实验能力，其结果也可以对理论教学与实验教学的融合协调性进行判断。通过大量学生完成该实验后的能力评价进行大数据分析，能够起到2个方面的作用：一是检查该虚拟仿真实验教学项目设计的合理性，如果大数据分析结果反映出绝大多数学生对评价体系的某个或某几个基本点的掌握有欠缺，说明该虚拟仿真实验教学项目的教学设计存在不足，需要改进；二是检查理论教学与实验教学的协调性，如果通过共享应用大数据分析，有的学校的学生对该虚拟仿真实验教学项目所有考核基本点的掌握都在合理范围内，说明这些学校的理论教学与虚拟仿真实验教学项目的教学是融合协调的；如果只有某个或某几个学校的所有学生对该虚拟仿真实验教学项目的一个或某几个基本点掌握欠缺，说明这些学校的理论教学与该虚拟仿真实验教学项目的教学设计不匹配，存在某些缺陷，这些学校应该改进相应的理论教学。

这种通过合理建模，自动生成对学生实验能力的客观评价，减少了教师主观评价的比例，有利于该虚拟仿真实验进一步开放共享。对于设计类相关虚拟仿真实验教学项目，应遵循其教学规律，在客观评价环节的基础上，增加让学生大胆创新的环节，加大学生互评或专家评价的权重，切合实际实验教学过程。

6 形象展现抽象

上述第4点关于“实验做法灵活”部分已经阐述了虚拟仿真实验教学项目实现了“虚拟反映现实”，再现科学问题的论点。虚拟仿真实验教学项目的教学设计还应突出“形象展现抽象”，厘清教学问题的优势。某些仪器设备的内部结构、某些实验对象的形态不具有可视性，但虚拟仿真实验教学项目在教学设计上可以实现。如大型加速器的内部结构、相关射线的轨迹、偏转、聚焦等实验对象的可视化，又如某些可视的实验对象，但其几何尺度或位置变化很小，难以达到可视的地步等，都可以通过虚拟仿真实验中的模拟手段而“放大”，放大到随着某些实验条件的改变，可以观察到实验对象的相关因素变化的基本特征和规律。这里尤其要强调一点，这些不可视的细微变化，通过“形象展现抽象”的实验设计而“放大”可视后，其底层的数据支撑一定是科学实验真实的数据，不能等比例“放大”。

7 拓展实验教学的广度和深度

作为实验教学基本单元的实验教学项目的教学运行，师生和教学改革者最关心的是该项目的教学内容、教学方法及实验方法。

（1）国家虚拟仿真实验教学项目拓展了实验内容的广度与深度。国家虚拟仿真实验教学项目内容的选择，应坚持问题导向，重点解决真实实验项目条件不具备或实际运行困难，涉及高危或极端环境，高成本、高消耗、不可逆操作，以及大型综合训练等问题。坚持需求导向，紧密结合经济社会发展对高校人才培养的需求，紧密结合专业特色和行业产业发展最新成果。因此，国家虚拟仿真实验教学项目或是高校科研成果转化而来，或是国家重大工程转化而来。缩短了最新专业知识和技术投入到实验教学的时间，拉近了实验教学与真实工程实践之间的距离，让那些不能做、做不上、做不好的实验通过虚拟仿真技术在本科实验教学中得以实现，拓展了实验教学项目内容的广度与 深度。

（2）国家虚拟仿真实验教学项目拓展了教学方法的广度与深度。国家虚拟仿真实验教学项目始终关注信息化时代背景下学生需求，重点实行基于问题、案例的互动式、研讨式教学，倡导自主式、合作式、探究式学习。通过信息技术，让现实环境下不能实现或不能很快实现的各类互动式、研讨式、团队式、合作式、探究式教学成为可能。如设计针对一个病情、病因复杂病人的临床诊疗虚拟仿真实验教学项目，不同的学生团队在通过人机交互，模拟临床问诊、体格检查、选择辅助检查等环节，进行虚拟的临床诊疗，在做出初步诊断和治疗的基础上，再设计模拟会诊环节，实现生生互动、师生互动、团队互动，通过互动、互学而探究未知，从而对一个病情、病因复杂病人做出综合诊断和正确的治疗决策。现实环境中，会诊环节往往由于人员因素、场地、排队等因素的影响而不能马上实现。学生在临床科室轮转实习中，参与实际会诊的机会、互动的深度与广度等都会受到很多因素的影响而弱化，但网上互动诊疗环节能够快速实现，拓展了互动教学的广度与深度。

（3）国家虚拟仿真实验教学项目拓展了实验方法的广度与深度。国家虚拟仿真实验教学项目要求拓展多途径、多方案、设计性实验方法。有些虚拟仿真实验教学项目，影响实验研究对象变化的变量因素很多，宜采用控制变量法开展实验研究；如果每个因素都要研究，可以采用团队分工合作的方式完成。有些虚拟仿真实验教学项目，依据教学目标的不同，验证性实验方法与设计型实验方法可以转换。如某高校建设了太阳能电池特性测量实验虚拟仿真实验。实验内容包括太阳能电池板开路电压和短路电流的测试、太阳能电池板短路电流与不同光照强度的关系测试等。该实验从实验题目到实验内容安排可以看出是一个验证性实验。很多高校相关实验室配置了数十台（套）该实验设备，因此，没有必要建设这个虚拟仿真实验。若要培养学生运用知识能力和综合设计能力，则可以将该验证性实验的核心步骤保留，融入设计一个小型供用电自治系统的实验中。首先，该系统设计成虚拟仿真实验教学项目，选题很好，由于地形复杂、居住分散、输电成本高等因素影响，西部山区很多居住点还没有解决生活用电问题，小型光伏电站支撑的供用电系统建设很有必要；二是小型光伏电站支撑的供用电系统设计教学实验运行成本较高，也适合开展虚拟仿真实验。在这样一个小型供用电自治系统设计中，太阳能电池特性测量实验是最核心的步骤之一，通过太阳能电池特性测量确定太阳能电池板的数量，另外再根据系统的自治要求开展虚拟仿真设计。这样就将一个验证性实验，优化升级为一个必要性很充分的设计性实验，达到培养学生的综合设计能力的效果。受实际实验条件影响，很多实验只能进行验证，但虚拟仿真实验设计可以拓宽学生的视野，拓展实验方法的广度与深度。

8 加速推进实验教学与理论教学平衡发展

国家虚拟仿真实验教学项目拓展了实验内容的广度与深度，将那些真实实验项目条件不具备或实际运行困难，涉及高危或极端环境，高成本、高消耗、不可逆操作，以及大型综合训练建设成虚拟仿真实验教学项目引入实验教学，同时将行业产业发展最新成果建设成虚拟仿真实验教学项目引入实验教学，促进了实验教学内容的加速更新，使实验教学内容更加富有新时代的特征。在大量先进的实验教学内容与实验技术引入实验教学的同时，应优化减少相关实体实验教学项目，特别减少那些简单的原理性验证实验，增加综合设计型实体实验项目的比例，构建实验项目进一步优化、“虚-实”结合的实验教学项目体系，满足新时代高素质创新人才培养的需要。

上述内容是作者总结凝练的国家虚拟仿真实验教学项目所具有的8个新时代的教学特征。另外，加速推进实验教学与理论教学平衡发展，也会进一步加速推进人才培养课程体系的整体重构，推进创新创业教育融入专业教育全程。由于篇幅有限，这里不再赘述。

[1] 教育部. 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）[Z]. 2017.

[2] 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）[Z]. 2018.

[3] 郑家茂. 对大学实验教学若干问题的厘析[J]. 实验室研究与探索，2007, 26(10): 1–2, 5.

[4] 郑家茂. 对大学实验教学若干问题的厘析（续）[J].实验室研究与探索，2007, 26(11):1–3.

[5] 熊宏齐，戴玉蓉，郑家茂. 教学实验项目类型及其“开放内禀性”[J]. 实验技术与管理，2008, 25(1): 5–6, 63.

[6] 熊宏齐. 论高校实验教学如何适应学生的自主选择要求[J]. 实验技术与管理，2013, 30(1): 1–4, 7.

[7] 祖强，魏永军，熊宏齐. 省级在线开放虚拟仿真实验教学项目建设探讨[J]. 实验技术与管理，2017, 34(10): 153–157.

[8] 杨选瑾，熊宏齐. 研究型大学实验教学信息化实证研究[J]. 中国大学教学，2018(3): 77–80.

[9] 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): 247–249.

[10] 李平，毛昌杰，徐进. 开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J]. 实验室研究与探索，2013, 32(11): 5–8.

Teaching characteristics of national virtual simulation experiment teaching project in new era

XIONG Hongqi

(Laboratory and Equipment Management Office, Southeast University, Nanjing 211189, China)

The national virtual simulation experiment teaching project is one of the five national “Golden courses” launched by the Ministry of Education, and its construction level follows the standards of the national “Golden course” of “High-level, innovation and challenging”, i.e. the standards of “One challenge and two levels”. According to the document spirit of the Ministry of Education about promoting the construction of national virtual simulation experiment teaching project and the national “Golden course” and its standards and in combination with the experience and relevant thinking of promoting the construction of such project, it is summarized that the national virtual simulation experiment teaching project has eight new-era characteristics such as the excellent experimental contents, ingenious conception of experiments, advanced experimental technology, flexible experimental methods, objective evaluation of experiments, abstract image display, breadth and depth of experimental teaching and acceleration of balanced development of experiment teaching and theoretical teaching.

virtual simulation; experiment teaching; teaching characteristics

G642.0

A

1002-4956(2019)09-0001-04

2019-03-26

熊宏齐（1965—），男，湖南澧县，博士，教授，实验室与设备管理处处长，研究方向为高等教育与管理。

E-mail: hqxiong@seu.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.001