多维度探索提升化学虚拟仿真实验的教学效果与改革实践

张连明，李旦，李建平，聂瑾芳，袁亚利

（桂林理工大学，广西桂林 541004）

随着信息化教学技术的发展和进步，在教学过程中使用先进的设备或者技术有效促进教学的发展，已经成了现今教学发展的普遍趋势。虚拟仿真实验集合了最新的技术及载体，有效促进了教学方法的改革。随着虚拟仿真实验教学资源的扩大化建设，综合利用、深入利用、交互式容错利用、创新性智能化应用的意义远远强于知识面的补充。虚拟仿真实验作为一种新兴的教学方法，研究充分利用其特点和技术优势来提升教学效果是非常有意义的[1-4]。

1 虚拟仿真实验的发展及现况

根据《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》，我国在2013年启动了国家虚拟仿真实验教学中心的评审活动，共批准了300 个国家级虚拟仿真实验[5]。根据本科学科门类中专业类的当前布局和发展情况，结合高校专业类实验室建设情况和专业类实验教学信息化发展需求等因素，统筹规划到2020年认定1 000项左右示范性虚拟仿真实验教学项目，由于疫情原因，规划建设时间延长至2021年。2019年，教育部发布《关于一流本科课程建设的实施意见》，将国家虚拟仿真实验教学项目纳入一流本科课程建设，计划2021年建设1 500 门左右国家虚拟仿真实验教学一流课程[6]，经过前期三年多的建设，目前已认定“国家虚拟仿真实验教学一流课程”的项目有700 余门，覆盖了41 个专业类，168 个专业[7]。

桂林理工大学为工科地方性院校，学校努力完善教学与科研的硬件资源配置，但是，由于台套数的限制，学生在实际动手能力及大型仪器实践方面略逊于老牌名校，在一定程度影响了学生的就业竞争力。自2011年以来，桂林理工大学化学与生物工程学院开始建设虚拟仿真实验教学平台，现拥有自建化学虚拟仿真实验项目23 个，其中大型化工制药（虚实结合）、生物工程（虚实结合）及大型仪器分析实验项目（虚拟仿真）各1 个，其他如质谱仪、核磁共振仪、粉末衍射仪等相关虚拟仿真资源60G[8]。同时，借助国家虚拟仿真实验教学项目共享300 多个服务平台的化学、生物科学、化工制药类资源，打破资源壁垒，积极在理论、实践课程中增加虚拟仿真教学，结合学生创新实验设计、仪器模型分析、自主搭配虚拟实验仪器、自主分析和验证实验过程等，有效提高学生创新实验设计、资料检索、团队协作、分析问题、解决问题、创新实践等能力[9]。

2 虚拟仿真实验教学中存在的问题

我国部分高校的虚拟仿真教学较为片面化，部分高校因自建的虚拟仿真教学资源较少，一般院校均将虚拟仿真实验资源作为实践教学内容的拓展，或者作为模拟大型生产过程的实训教学资源，未能有效利用虚拟仿真技术和载体所辐射的教学资源，同时也未能有效深入拓展新的教学模式[8]。

2.1 虚拟仿真实验容错技术亟待提升

目前大部分虚拟仿真实验内容均以“下一步动画”学习和“点鼠标”操作为主，在实践过程中，由于智能技术的限制，部分软件仅有一条正确的操作主线，实验流程几乎没有容错率，无须思考，学生通过点击鼠标和操作键盘即可完成该部分的理论教学和实践操作内容学习，游戏操作模式虽然容易吸引学生的兴趣，但在“下一步动画”操作中，学生未能有效汲取相关知识内容，学习过程中的有效参与度较低[9]。

2.2 交互及协作应用较为简单

由于“高投入、高风险、高难度、难理解、难实施、难再现”这些限制条件，目前，除配有实训工厂的大型虚拟仿真实训项目以外，绝大多数虚拟仿真实验项目从理论认知-实验操作-实验报告提交均为单人操作。实际上由于实验的危险性和不可重复性，部分操作需要团队协作和辅助，因此在软件设计中要充分考虑到团队配合[10]。另外，目前所拥有的“生生交流”“师生交流”等交互功能，大部分是以交互板块、屏幕共享、线下交流等方式实现，在思维引导、实验设计、实验流程指导、错误操作提示、实验反思、实验报告反馈等方面的线上指导设计还不够完善。

2.3 虚拟仿真实验拓展资源使用不够充分和灵活

虚拟仿真技术是一门集合了计算机技术、多媒体技术、图形图像技术、自动控制技术以及软件工程技术等众多内容的综合性技术，负载介质包括电脑、手机、VR 眼镜、仿真步态机等，而这些同样是信息化资源的载体，所有的教学资源均可应用于虚拟仿真实验项目课程的教学设计[11]。然而，目前在大多数虚拟仿真实验教学中，对其负载的信息化资源还未实现充分和有效的利用，教学设计还不够深入。

2.4 虚拟仿真实验评价层次不成熟

大部分虚拟仿真实验的考核内容是综合错误点击次数、操作用时、练习次数、电子实验报告等方面的操作载体数据性评价，对知识的获得程度、解决问题的能力及实际实践能力未能给出有效的评价方法。

2.5 与常规创新教学衔接不足

由于虚拟仿真实验构建的智能程度不高，实验内容常常独立于书本知识之外，作为常规知识的补充拓展而被教授。因此，作为一种发展前景广阔的技术，有必要考虑将虚拟仿真实验教学内容与学习活动有机结合，如虚拟实验设计、挑战性创新实验设计[12]等，还可以考虑与微格课程教学、翻转课堂教学、混合式教学等创新特色教育模式相结合，充分发挥其技术的先进性。

3 提升虚拟仿真实验教学效果的方法探索

高等学校必须更新教学观念和模式，以虚拟仿真实训课程为基础，充分借助其技术特点和载体特点，在强化拓展专业知识的同时，开展具有虚拟仿真技术特色的创新性教学模式研究，探索提升教学效果的新模式，研究培养学生专业思维和创新性思维的新方法。

3.1 创新设计学习任务，提升学生有效参与度

以应用化学专业学生为例，要求培养学生依托理论知识分析问题及借助实验设备解决实际问题的能力，则教师在设计学习任务时，可依托自有及免费共享的虚拟仿真实验教学资源对教学目标以任务形式细化[13]，以地方特色资源、社会性话题、日常学习生活等为出发点，挑选出贴合教学目标的任务，提出创新实验设计任务，如广西拥有丰富的矿产资源，则铀矿中放射性元素铀钍如何定性及定量分析？放射性元素分析符合高投入、高风险的实验项目，在学校内几乎无法开展实验教学。针对性提出实验设计要求时，可覆盖教学目标：了解放射性危害及防护方法、掌握放射性元素的一般分析方法、掌握同位素质谱仪工作原理及应用范围、掌握α 谱仪工作原理及应用范围，了解放射性废弃物的一般处理方法。以5-7 人为小组，对相关内容进行调研，并对教学目标相关问题进行“师生”和“生生”交流，待学生抓住其样品处理特点、萃取方法、仪器制样要求等重要知识点后，将验证性实验通过虚拟仿真资源《放射性铀钍同位素比值测定与数据分析综合虚拟仿真实验》进行对照。通过任务性实验设计，将教学目标分解，学生通过理论调研、沟通讨论和实验模拟对知识点实现融会贯通。该方法在提升学生有效参与度的同时，强化了虚拟仿真操作练习和考核点击率的可靠性，有助于将学生从游戏及鼠标点击视角转向实验验证视角。

3.2 拓展虚拟资源辐射，丰富教学方式方法

以5G、大数据、云计算、物联网、区块链、人工智能等现代信息技术为支撑，综合运用VR（虚拟现实）、AR（增强现实）、MR（混合现实）和流媒体、超高清等技术手段的虚拟仿真实验资源，在构建全息化、可视化的教学流程方面有天然的优势。同样，这些载体也适用于线上教学、混合式教学、翻转教学、微格教学等，在开展综合性信息化资源应用时，利用虚拟仿真系统特有的一对一、一对多、多对多的系统构架，可有效拓展虚拟仿真实验课程的授课方式。虚拟仿真创新实验的模式引发了学生学习的兴趣，鼓励学生思考，可以把学生变成创意者、设计者、行动者和分享者。虚拟仿真实验不仅是新的实验项目内容，更重要的是依托载体可使用现代化的教学资源，依托多点互动模式的系统构架可开展多种教学方法，实现让教学“活”起来。

3.3 多元评价模式，提升自主互助学习水平

单纯的虚拟仿真实验“下一步动画”的点击率评价并不能有效提升教学效果。结合创新性实验设计及不同的授课模式，对实验设计创新性、资料检索完整度、团队协作参与度、组间汇报清晰度、实验模拟合理度、实验报告完整性进行综合性评价。在充分使用虚拟仿真技术的同时，培养学生的创新意识、实验设计能力、资料检索能力及实践能力。

3.4 延伸教学生活内容，激发学生学习的主动性

在学习生涯中，“大学生创新创业大赛”“挑战杯化学实验创新设计大赛”“课程实验设计”等不同级别、不同影响力、不同关注点的课外学术活动伴随学生的学习和课外生活，每种类型的活动都涉及创新、团队、设计、申报等内容，均需要付出时间和精力去打磨[14]。教师在进行教学设计时，可参考不同活动类型的要求，结合课程内容及特点，利用虚拟仿真系统辐射的资源及技术，有针对性地鼓励学生参与并逐步指导学生完善实验内容，在获取荣誉与课程学习要求的推动下，提高学生学习的自主性，同样也可有效提升教学效果。

3.5 推动智慧实验教学建设，完善虚实教学模式的衔接

借助VR/AR/MR 技术、人工智能技术、大数据技术等，构建智慧实验室，搭配模型化实验装置，将理论教学、现场观摩、虚拟实验充分融合，实现“教学过程任务化、学生学习自主化、评价主体多元化”，延展实验教学时间和空间、拓展实验教学内容广度和深度、提升实验教学质量和水平。同时还可以推动教材内容改革，完善实验项目，提升教师信息技术水平，改革教学方法，形成符合教学规律的一体化教学模式。

4 结语

现代教学不再局限于教师讲授、学生听课的模式。信息化技术、虚拟仿真技术、人工智能等技术的发展，使得学生获取知识的方式有了多样化的选择。教学方式及教学手段必须要进步，网络优势教学资源、虚拟仿真训练及实际实践操作相互结合，打破时间与空间的限制，培养满足现代化产业需求的高素质综合型人才。另外，在政策引导、学校主体、企业支持、社会参与的现代化教育建设模式下，高校应主动抓住发展契机，加快建设校地、校企、校际共建共享的长效性、常态化机制，进一步创新共建模式，拓展合作领域，深化合作内涵，实现共建共享共赢。