虚拟仿真实验教学助推理论教学与实验教学的融合改革与创新

熊宏齐

（东南大学 实验室与设备管理处，江苏 南京 211189）

1 实验教学的概念及重要性

创新性人才是在先天秉赋、后天环境、教育影响和个人努力过程中成长起来的，其中教育的作用集中体现在促进其创造性发展。大学生的创造性发展是在他们掌握扎实、充分的基础知识的基础上，通过实践得以真正实现。

高校实验教学是学生选取实验研究对象，利用仪器设备或其他因素，在人为控制条件下，引起实验研究对象的内在因素发生变化，学生通过观察、测定、分析、综合、设计等获得知识、能力和素养的教学活动。在通常的高校实验教学起始阶段，学生要在教师指导下，通过基本操作训练，掌握基本知识、基本方法和基本技能。随着教学进程的不断深入，学生主动实验的意识逐步增强，自主实验的要求不断提高，实验教学活动逐渐转变为学生自己设计实验方案、自己控制实验过程、自主分析实验结果、系统撰写实验报告的高级阶段。

在教学理念、教学内容、教学方法、管理模式、资源配置等方面，实验教学与理论教学相比较，更加有利于突出学生主体，促进其主动建构科学的知识体系；更加有利于突出手、脑并用，促进理论与实践结合；更加有利于突出研究探索，培养学生创新意识和实践能力；更加有利于突出综合设计和多元分析结合，提高学生综合科学素质；更加有利于突出知、情、意、能的高级复合作用，帮助学生取得创新成果并得到全面综合发展。因此，实验教学改革是高校教学改革的重要方向、教学建设的重要内容，对创新人才培养质量的提高具有重要作用[1]。

2 虚拟仿真实验教学的内涵

虚拟仿真实验教学是依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库、网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象。学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲要求的教学目的的教学活动。

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）[2]和《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）[3]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：不仅要坚持问题导向，重点解决不具备真实实验项目条件或实际运行困难，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，同时要坚持需求导向，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、基于案例的互动式、研讨式教学，倡导自主式、合作式、探究式学习。虚拟仿真实验教学项目的建设，旨在推动高校积极探索线上线下教学相结合，个性化、智能化、泛在化的实验教学新模式，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的全面提高。

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。

（1）提升“高阶性”。即课程目标坚持知识、能力、素质有机融合，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维。课程内容强调广度和深度，突破习惯性认知模式，培养学生深度分析、大胆质疑、勇于创新的精神和能力。

（2）突出“创新性”。即教学内容体现前沿性与时代性，及时将学术研究、科技发展前沿成果引入课程。教学方法体现先进性与互动性，大力推进现代信息技术与教学深度融合，积极引导学生进行探究式与个性化学习。

（3）增加“挑战度”。即课程设计增加研究性、创新性、综合性内容，加大学生学习投入，科学“增负”，让学生体验“跳一跳才能够得着”的学习挑战。严格考核考试评价，增强学生经过刻苦学习收获能力和素质提高的成就感。

3 虚拟仿真实验教学推动传统实验教学升级重构

3.1 传统实验教学的特征

传统实验教学的主要特征是实验室提供固定的条件，学生可以便捷地从教材和教师那里得到思考问题所必需的信息，一般都有确定的实验方法和步骤，有已知的确定答案。

传统实验教学优点是学生集中学习、便于管理，实验课程系统、严密，实验技能训练比较规范，对学生的评价标准比较统一。缺点是教学内容比较固定，实验过程基本上是按图索骥。由于前沿科技内容与工程实践成果转化为教学实验仪器的时间相对滞后，学生自我探索的空间较小，这在一定程度上抑制了学生主动学习的积极性。

传统实验教学比较适合以基础性、综合性实验项目教学为主，进行基本技能训练的实验课程。学生通过课程的实验训练，养成科学、规范的研究习惯，掌握实验设计、装置准备、数据采集和处理、结果分析和撰写报告等基本方法和基本过程。

3.2 虚拟仿真实验教学的特征

依据教育部出台的关于虚拟仿真实验教学项目建设的相关文件精神，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、形象展现抽象等显著特征，并且拓展了传统实验教学的深度与广度[4-6]。因此，虚拟仿真实验教学的优点可以总结为以下4 个方面：

（1）实验内容多源化。虚拟仿真实验教学的实验内容可以是基础验证性的问题，也可以是来自科研前沿、社会生活和先进生产实践需要解决的问题。这就需要打破实验内容一成不变、局限于教材的封闭状态，建立实验内容的更新机制和实验内容来源的多样性机制。

（2）实验过程自主化。虚拟仿真实验教学在不断加强基础训练的同时，更注重拓宽学生的知识覆盖面，注重学科专业知识的交叉融合。学生进行从基础规范→综合设计→研究探索这样难度递增的实验项目训练，有利于培养其主动建构知识体系和提升实践的能力。不同层次的学生通过自主选择合适的实验方法和实验步骤，有利于实施因材施教[7-9]。

（3）能力评价科学化。虚拟仿真实验教学通过对学生实验过程的数据采集与数据分析，实现对学生学习与实验基本情况的辨识，基于大数据的量化评价能够减少单一教师评价的主观性偏差，为学生提供更多元、更全面的评价，辅助学生更好地提升实践能力。这种评价考核更突出实验过程，体现了对实验过程的规范性、实验步骤的有效性，以及对知识学习达成度的客观评价，具有对学生能力结构考核的功能。

（4）教学辅助智能化。虚拟仿真实验教学需要配备丰富的实验教学信息资源[10]，包括慕课、专属在线课程（SPOC）或其他在线课程、案例库、专题讲座库、素材资源库，以及配备学科专业知识检索系统、演示/虚拟/仿真实验实训（实习）辅助系统、试题库系统、作业系统、在线自测/考试系统等。这些资源具有教学兼备和互动交流等功能，教育教学与信息技术融合、课程应用与课程服务相融通，适合在线学习、翻转课堂以及线上线下混合式拓展性学习。教师按照教学计划和教学要求为学习者提供参考资料、活动作业，及时开展在线指导、答疑、讨论、测验等教学活动。实验者在线学习响应度高，师生互动活跃有效，充分满足学生在线学习的个性化需求。

3.3 虚拟仿真实验教学导向及平衡关系

虚拟仿真实验教学内容的选择应坚持两个导向：第一是问题导向，重点解决不具备真实实验项目条件或实际运行困难，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；第二是需求导向，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的最新成果。因此虚拟仿真实验教学项目是先进教学内容的载体，引入虚拟仿真实验教学是实验教学内容现代化建设的改革方向。

实验教学体系发展与创新需要处理好6 对平衡关系，即基础与前沿、经典与现代、单项原理与综合设计创新、个体为主操作与群体合作协调、科学原理与工程技术综合应用、循序渐进习得与研究探索创新。每对平衡关系的前者，以传统的实验室实体实验教学项目资源为主要载体，侧重为学生构建专业基本理论、基本方法、基本技能提供实验教学。每对平衡关系的后者，以虚拟仿真实验教学与学生科研训练项目为主要载体，侧重为学生进一步巩固专业技能、了解专业前沿、提升学科交叉能力提供实验教学。

实验教学体系占专业人才培养体系的比重（或比例）应遵循教育部颁布的相关专业类人才培养质量标准。具体到某个专业，这个比例一般是固定的，即使有变化，也是比较小的变化，以满足人才培养质量标准中理论教学与实验实践教学的平衡。但是，在实验教学体系发展与创新的6 对平衡关系中，每对平衡关系的前者和后者的比重应该随着高校人才培养要求的不断提高而发生变化，需要将行业产业发展最新成果引入实验教学。因此，我们需要不断梳理传统的实体实验教学内容，剔除陈旧的实体实验教学项目，优化包含专业基本原理、基本方法与基本技能的综合设计性实验项目，引入由科研前沿成果和重大工程实践转化的虚拟仿真实验教学项目，通过实验项目的取舍与引进，实现实验教学体系与教学内容的重构与创新。

3.4 线上线下混合式与线上实验教学一流课程建设的思路

根据教育部《关于一流本科课程建设的实施意见》（教高〔2019〕8 号）[11]，结合上述虚拟仿真实验教学推进传统实验教学体系升级重构的分析，对线上线下混合式实验教学、线上实验教学一流课程的建设提出以下参考思路：

（1）线上实验课程。基本实验教学单元全部由虚拟仿真实验教学项目组成。建议线上实验课程分两类进行建设：第一类是线上专业实验课程，其基本实验教学单元涵盖一个专业基础实验、专业课程实验、专业方向或涉及这个专业的前沿学科领域实验；第二类是线上学科前沿实验课程，其基本实验教学单元涵盖一个专业或相关专业的前沿学科领域实验，实验课程设计切合经济社会产业发展对人才培养目标的要求。

（2）线上线下混合式实验课程。基本实验教学单元由实体实验项目和虚拟仿真实验教学项目组成。以专业课程实验为主，通过引入符合学校人才培养目标、切合经济社会产业发展的虚拟仿真实验教学项目，重构现有专业实验课程体系。在实体实验项目的选择方面，应主要淘汰简单验证性、陈旧性项目，保留内容优质、综合性强的实体实验教学项目，通过优化实体实验项目的内容，减少实体实验项目的学时，为引入先进的虚拟仿真实验项目腾出空间。线上线下混合式实验课程的虚拟仿真实验教学项目学时不应少于课程总学时的20%。

4 虚拟仿真实验教学推进理论教学的整体优化改革与创新

4.1 遴选传统的简单验证性实验将其融入基础理论课程教学

上述实验教学体系中因升级重构而淘汰的基本理论、原理、方法的验证性实验，部分可以通过遴选、再设计，成为简单的虚拟仿真实验。虽然这些虚拟仿真实验不能作为升级重构的实验教学体系基本实验教学单元，但可以作为理论教学线上辅助教学内容。在信息技术的教学环境中，学生在理论教学课堂上同步在线完成验证性实验，学生的在线实验结果可以纳入理论课堂考核的内容，从而实现传统的简单验证性实验有机融入理论课堂教学中。

4.2 以信息资源为媒介，通过综合设计性实验的教学，提升学生自主探索专业理论知识的能力

部分被淘汰的验证性实验可以通过遴选融入升级重构的实验教学体系的综合设计性实验的部分环节中，培养学生融会贯通应用多门课程的原理、方法和技术解决实际问题的能力[12]。

学生自主完成综合设计性实验，在传统实验教材和相关参考书的基础上，还需要建立丰富的辅助教学信息资源，实现实验教学辅助的自主化与智能化，以满足学生在线学习的个性化诉求。这种实验教学辅助的自主化与智能化，有效提高了学生以问题作为切入点，以实验作为突破口，自主探索专业理论知识的能力，促进教师优化传统理论教学，缩减理论课程教学的课堂讲授学时，为理论教学引入前沿科技与工程技术内容增加了必要的学时空间。

4.3 推进培养方案增加前沿科技与工程技术课程的比重，培养学生学科交叉和结合各专业领域的能力

优化、合理地减少专业理论课程的教授学时，增加专业方向课程和跨专业选修课程的比重，推动专业课程体系和教学内容与经济社会发展对高校人才培养等需求相适应。专业方向课程涉及学科前沿方向、先进科技、工程技术等内容，其目的是培养学生融会应用专业知识的能力和学科交叉能力。这些课程的理论知识、研究方法和前沿技术，与大学生创新实践项目以及具有前沿学科属性的虚拟仿真实验教学相辅相成。增加跨专业选修课程的比重，可进一步培养学生结合各专业领域的能力，为将来创新奠定坚实的基础。专业方向课程可以小型化，建议以1 学分为宜，学生可以在有限的学分空间内，涉足更多专业方向的课程，进入更多的学科前沿窗口，开拓学术视野。小而精的专业方向课程，教学周期短、教学安排灵活，对于有深厚科研造诣的教授，不仅好教，而且教得好，为更多高水平教授更好地投入本科教学提供了新思路。

5 虚拟仿真实验教学推进创新创业教育融入专业教育全程

教育部发布的《关于大力推进高等学校创新创业教育和大学生自主创业工作的意见》（教办〔2010〕3 号）[13]强调，高校要加强创新创业教育课程体系建设。但多数高校的工作重点集中在突出创新创业类课程设置与专业课程体系有机融合，以及创新创业实践活动与专业实践教学有效衔接方面。在积极推进人才培养模式、专业教学内容和课程体系改革方面，很多高校所做的改革还远远达不到创新创业教育融入专业教育全程的要求。

将高校创新创业教育融入专业教育全过程，其创新教育是基础。创新型人才不仅需要具备合理的专业知识结构，具有创新意识和创新能力，还要有结合各专业领域的能力，最终才能取得创造性成果。因此，适应学生创新能力培养的专业课程体系与教学内容改革是创新创业教育融入专业教育全程关键的改革内容。

虚拟仿真实验教学的实施，不仅优化了专业实验课程体系与教学内容，减少了简单原理验证的陈旧实体实验，也优化了实体实验教学的主要载体综合设计性实验，引入了体现前沿科研领域与工程技术、具有学科交叉属性的虚拟仿真实验，实现了实验课程体系与教学内容和创新人才培养要求相适应的目的。

虚拟仿真实验教学的实施，不仅推进了传统的验证性实验融入基础理论课程教学，也推进了以实验教学为突破口，以问题为切入点，带动学生提升自主探索专业理论知识的能力，更可以推进理论教学增加前沿科技与工程技术等方向课程的比重，培养学生学科交叉和结合各专业领域的综合能力。

当然，虚拟仿真实验教学的引入，传统的陈旧实验及传统理论教学课堂讲授学时的减少，也为专业基础和专业主干课程的整合优化创造了条件。近30 年的教学改革与发展，为增加学生自主学习的空间，多数高校的人才培养方案中教学计划学分减少了30%左右。但这些学分的减少是以减少每门课程的学分数为代价，课程数量并没有减少，导致每门课程各自为政，在减少教学内容与课程学时的同时，也导致课程产生了新的割裂，甚至不同课程内容之间存在教学内容重复的情况，不利于学生创新思维和创新能力的培养。高校通过引入虚拟仿真实验教学，以综合改革创造的学时空间为契机，推动专业基础课程和专业主干课程的整合优化，减少重复性教学内容，从而达到适当减少课程门数，整合优化教学内容，构建新的专业基础课程和专业主干课程体系，培养学生融会贯通两类课程的知识、方法、技能的目的，满足创新人才培养的基本要求。