新文科背景下开展虚拟仿真实验教学项目建设的思考

穆佳玮，李勃，黄河，赵越

（1.西北大学新闻传播学院，陕西西安 710127；2.中国空间技术研究院西安分院，陕西西安 710100）

2020年11月，教育部新文科建设工作组在新文科建设工作会议中发布了《新文科建设宣言》。《新文科建设宣言》的发表，标志着新文科建设工作的全面正式开启。

针对深化高等教育教学改革、实施科教兴国和可持续发展战略、全面推进素质教育的现实要求，并结合我国目前人才培养现状和效能发挥，从“新”出发，注重学生实践能力培养，以创新意识、创新精神为驱动，以人文精神、科学精神为指引，推动国内新文科实验教学方式的创新，填补文科教学手段的空白。

实验教学是高校教学系统建设中的重要组成部分，同样也是促进基础理论与实际操作相结合的重要手段。人才培养的核心就是将抽象化的理论知识经过具象化的实践手段，印刻在学生心中，使学生可以活学活用，提升学生的综合运用能力及创新精神。但是，目前国内部分高校存在众多的学生数量与有限的基础实验资源不匹配的现象，加之实验师资力量薄弱、教学软硬件设施不足，已不能满足全体师生实验教学的基本要求，在这样的现实情况下，现有实验教学环节的开展，很难真正实现从理论知识的认知了解向技术创新发展的转化。因此，改善现有的实验教学环境，寻找新型实验教学模式以替代传统实验教学方式显得格外重要且急迫。

虚拟仿真实验是借助计算机、通信、多媒体、虚拟现实等现代技术手段，实现对传统实验资源的远程访问和高效共享[1]，具有沉浸性（immersion）、交互性（interaction）和构想性（imagination），使学生可以沉浸其中，形成交互效能多维化的信息环境[2]。虚拟仿真实验教学不仅可将抽象深奥的理论知识变得具体形象，有利于学生将理论知识转化为实践动手能力[3]，同时通过将复杂数据进行可视化操作与交互，学生也可以更深入地了解到理论知识衍生出的产品形态以及实现方式，以应对不断变化的应用场景。近年来，世界各国很多高校均在建设自己的虚拟仿真实验教学中心。

1 建设开发虚拟仿真实验教学项目的必要性

虚拟仿真实验是信息技术与教育深度融合的重要体现，利用虚拟仿真技术有助于扩展实验教学的维度和空间，拓展实验教学的方式和手段，延伸实验教学的内容和价值。

在线虚拟仿真实验具有以下优点：

（1）打破时空限制，实现实验室的深度开放。

传统的教学实验室受到现实条件约束，无法实现全时段开放。而在线虚拟仿真实验室打破了时空壁垒，只要设置好网络环境，通过移动互联网络就可以随时随地访问在线虚拟仿真实验室，进行实验操作并接受实验指导，使实验教学真正走出实验室，更好地服务于学生，推动文科教育的改革发展。

（2）节省实验成本。

无论是开展文科还是理工科的实验项目，均需要一定数量的实验仪器和实验耗材，如果想达到最优的实验教学效果，需要保证仪器设备的数量，而目前仪器设备的折旧率很高，如果大批量采购同一型号的设备，将会造成实验器材的浪费。同时一些高端仪器设备的容错率非常低，新手一旦操作失误就会导致仪器设备损坏，这不仅造成了经济上的损失，也会影响后续其他学生的教学使用。而线上虚拟仿真实验教学可以很好地规避这些问题，满足多人开展实验的需求，同时也不需要采购过多同一型号的设备，学生出现操作失误也不会损坏实验设备，实现教学过程中的仪器设备自由，节省实验成本。

（3）优化实验教学管理流程。

线下实验教学时，一位实验指导教师往往需要同时指导几十位学生开展实验操作，无法跟踪掌握每位学生的实验操作流程，部分学生看似顺利完成了实验全部流程，但可能并未掌握全部实验内容，对实验操作流程也存在一知半解的现象。而通过在线虚拟仿真平台，可以完整记录学生的实验过程，包括学生开展实验所需要的时间、发生错误次数、完成模拟次数，以及具体的错误内容和错误原因等，教师可以根据这些数据，更好地掌握学生的学习情况，实现实验教学的闭环管理。

综上，虚拟仿真实验教学是未来实验教学发展中资源共享和教学交流的必然方向[4]。

2 虚拟仿真实验教学存在的问题

2.1 实验教师队伍存在的不足

开展虚仿真实验教学的主要目标是全面提高学生的创新精神和实践能力[5]，促进教育改革，结合全国各高校的实际情况，目前文科实验教师队伍主要存在以下两个方面的问题：

（1）实验教师数量和结构有待优化。

随着互联网技术的发展，新文科更加注重社会改革和技术创新相融合，需要理论教学与实践教学互融，因此传统教育体系已经无法满足现代社会对人文社会学科的需求。在高素质人才教育中专业理论素养与实践能力有着同等重要性，无论是线下实验教学还是在线虚拟仿真实验教学，实验教师都是实验教学中的重要一环。虽然各高校仍在不断深化实验教学团队的建设，但是专职实验教师数量依旧十分紧缺，教学团队的组织结构也不够合理。尤其是文科院系，存在实验教师数量无法支撑实验教学需求的现象，在招聘到一名实验教师后才会开展一门实验课程的情况时有发生，这导致高等教育教学改革和培养卓越人才的工作无法持续推进。

（2）实验教师信息素养有待提升。

部分实验教师仍习惯在实验室开展实体教学，而线上虚拟仿真实验教学要求实验教师一方面转变实验课程教学思维，从面对面授课转变为跟随线上课程全程辅导教学，并需要调整课程大纲以适应线上实验教学的节奏。虚拟仿真实验授课教师需要掌握更多的网络教学技能以支撑线上实验教学，合理安排课程节奏，及时开展线上教学的答疑解惑，指导学生开展自我学习规划。但是对于部分文科教师而言，信息素养的欠缺使实验教学效果大打折扣，无法实现学生创新精神和实践能力的提升。

2.2 实验经费不足，难以高质量开发虚拟仿真实验教学项目

高校经费很大程度上影响着其对虚拟仿真实验教学资源的建设工作。而每年教育部拨付各高校的教育经费受学生数量、学校影响力、地域、省属或者部属等多重因素影响。部分高校对文科人才的培养存在思想误区，认为人文社会学科并不需要依赖实验教学，在文科人才的培养上偏重课堂理论传授，多以书本教学为主，强调知识传授的思辨性和认知性，强调大量的阅读，对实践教育的认识不够充分[6]，因此在这些高校中，在教育经费关于实验教学的建设方面，更偏向于分配到理工科院系中，导致文科院系实验教学资源，缺乏教育经费支持，多年来仍然处于原地踏步的阶段。而虚拟仿真实验教学资源的建设往往需要较大的人力、物力和财力的支持，尽管目前部分文科院系越来越重视实验教学和实验室的建设，但是受经费限制，线下核心实验室的建设无法充分保障，难以开展高质量的虚拟仿真实验教学项目。

2.3 虚拟仿真实验教学在全面达成教学目标上的差距

（1）虚拟仿真实验教学项目覆盖面不足。

截至2022年1月1日，国家虚拟仿真实验教学项目共享平台向全国各高校共享了3 250 门虚拟仿真实验课程，一定程度上发挥了虚拟仿真实验教学的作用。但由于不同学校相同学科实验课程的教学内容是不同的，同时国家鼓励建设的线上实验教学资源应具有“两性一度”（高阶性、创新性和挑战度）特性，特别是虚拟仿真实验教学资源的建设需要花费较多的人力和物力[7]。

尽管可共享的虚拟仿真实验教学项目已日渐充盈，但是相对基础性的虚拟仿真实验教学项目依旧较为匮乏，无法完全覆盖文科院系实验教学大纲的要求，共享理念并没有实际落实到位，各高校课程开设并应用的指导性不高。例如国家虚拟仿真实验教学项目共享平台上，文科类别中包含30 个国家认定项目，但其内容大多具有独特性，无法用于基础实验课程教学。这导致各高校无法通过现有虚拟仿真实验教学项目开展实验教学，需要独立建设虚拟仿真实验教学项目来满足校内实验教学的实际需求。一方面会造成一定程度上的教育资源浪费，另一方面对于经费较少的高校，独立建设高质量覆盖面广的虚拟仿真实验教学项目压力较大。

（2）虚拟仿真实验教学与线下实验教学的差别。虚拟仿真就是用一个系统模仿另一个真实系统的技术，但是受到科技发展和仪器设备的限制，几乎所有的虚拟仿真实验教学实验项目均无法完全模拟线下实验操作。目前线上虚拟仿真实验教学大多是通过鼠标键盘式操作方式实现模拟实验操作，但这主要能让学生熟悉实验操作流程，学生依旧需要进入实验室进行大量线下实验，才能真正掌握实验操作方法，无法完全达到开展虚拟仿真实验教学的目的。

3 加强虚拟仿真实验教学的思考

3.1 加强实验教师队伍建设

实验教师队伍是虚拟仿真实验教学项目建设的关键因素，因此文科类虚拟仿真实验教学资源的建设需要一支专业水平高、实践能力强、多学科融合的实验教师队伍，为虚拟仿真实验项目的建设、管理、教学提供有力保障。

加强实验教师队伍建设，一是需要学校与学院制定相关政策和考评制度，例如在职称评审中对具有专业实践经验的“双师型”教师给予政策倾斜或者拓宽专业技术人员的发展路径，引导和支持教师重构课程体系、开发实验教学项目，鼓励教师将科研成果反哺实验教学；二是通过聘任兼职人员等方式，积极引进行业理论知识和指导经验丰富的专业技术人员，开展贴近社会应用需求的实验项目，提高学生创新与实践能力；三是开展文科教师网络与信息化教学技能培训，转化实验课程教学思维、优化线上教学方案、增强授课教师的网络与信息化素养。通过多措并举提升实验教师队伍的建设水平，促进虚拟仿真实验教学的发展，保障实验教学质量同步提升。

3.2 建立开放共享运行机制

由于各高校在线上实验教学资源建设上的经费投入、开发力度和发展方向不尽相同，学校应该积极从校内、校际、校企三个方面深度拓展协同创新、挖掘优质教育资源，利用各自领域优势，共创深度开放的虚拟仿真实验教学资源，减少教育资源的浪费。

（1）校内联动。

目前的虚拟仿真实验教学项目多数是由各高校二级学院或各个专业系所分别独立开展，缺乏校级层面的顶层规划。尤其是文科院系，实验建设经费远低于理工科院系，若各院系分散开展虚拟仿真实验教学项目，不仅很难达到建设目标，还会造成资源浪费。因此各高校应该在充分考虑各文科专业特点的同时，建立学校和学院的上下联动，从校级层面推进虚拟仿真实验教学项目建设，加强不同院系的沟通和联动，降低资源投入需求，提高虚拟仿真实验教学项目的利用率。

（2）校际共享。

全国各高校相近学科及相同应用方向的虚拟仿真实验教学项目，具有很广泛的应用前景，尤其是基础类实验项目，但由于涉及知识产权等复杂因素，需要通过政府部门引导落地。相关部门可以通过评估不同层次高校学科的实验教学大纲，同时整合现有虚拟仿真实验教学资源，确立各学科的基础实验项目，然后根据各学科的基础性实验项目目录，联合高校协同开发、整合和完善相近学科及相同应用方向的虚拟仿真实验室教学项目。后续相关高校、院系和专业可以通过有偿使用等方式开展虚拟仿真实验教学，促进线上教学资源的充分利用和创新发展。

（3）校企协同。

目前校企共建实验室和实践基地已非常普遍，虚拟仿真实验教学项目是一个很好的融合方式，能够将软件提供商的技术能力、高校的学科优势及企业的仿真环境三者有效结合[8]。高校应该积极主动联合地方企业参与线上虚拟仿真实验教学平台和项目的建设，提高虚拟仿真实验教学项目的辐射范围和资源利用率。

3.3 实验室人性化开放

尽管虚拟仿真实验教学项目的开展有诸多优势，例如虚拟仿真实验教学可以在不过多采购实验仪器的情况下，让多个学生同时开展实验，但目前线上虚拟仿真实验教学大多还是通过鼠标键盘式操作方式实现模拟实验操作，这主要能让学生熟悉实验操作流程，学生依旧需要进入实验室进行大量线下实验，才能真实掌握实验操作方法。因此高校应该促进实验室人性化开放，加强实验室开放力度，让已经在虚拟仿真实验教学平台学习过的学生错峰开展线下实验，在避免过量采购实验仪器的同时，又能让学生熟练掌握实验操作，提高学生实践与创新能力。

4 结语

为深入学习贯彻习近平新时代中国特色社会主义思想，依照教育部办公厅印发《关于推荐新文科研究与改革实践项目的通知》，全面推进新文科建设，着力构建世界水平、中国特色的文科人才培养体系。开展虚拟仿真实验教学项目建设是现阶段新文科研究与改革实践的重要抓手，通过从学科导向转向以需求为导向，突破传统文科的思维模式。虚拟仿真实验教学相对于线下实验具有一定优势，而且不受时间、空间限制。但受制于目前的建设规模以及技术壁垒，全面推行虚拟仿真实验教学还为时尚早，我们更应该开展线上实验教学环境和实验教学体系的同步建设工作，使虚拟仿真技术融合到现有实验教学体系中，进一步推进新文科背景下虚拟仿真实验教学项目的改革与创新工作。