一流课程建设背景下高校实验课程改革——以大气科学虚拟仿真实验课程为例

王金艳，杨 毅，李 旭，程一帆，李 艳，陈伯龙，陈怡彤

（兰州大学 大气科学实验教学中心，甘肃 兰州 730000）

为了贯彻落实习近平总书记关于教育的重要论述和全国教育大会精神，2019 年教育部推出了一流本科课程“双万计划”，提出建设适应新时代要求的一流本科课程，形成中国特色、世界水平的一流本科课程体系，构建更高水平人才培养体系，建成万门左右国家级和万门左右省级一流本科课程。与以往相比，注重创新型、复合型、应用型人才培养课程建设，增强了对实验和实践课程的要求。

实验教学是高等学校课程教学的重要组成部分，是全面培养德智体综合性人才体系中非常重要的一个环节，是理论基础教学的有效补充和拓展，对培养学生动手能力、观察能力、分析和解决问题的能力有重要的意义。高校不断深化实践教学改革、提升实践教学效果，是促进学生全面掌握理论知识、锻炼科学思维、塑造求实创新精神、培养应用能力和孕育创新意识的重要手段。大气科学是一个实践性很强的专业，在专业人才的培养中不仅要求掌握大气科学的基本原理和方法，还要求将理论知识与天气分析预报技术紧密结合。兰州大学大气科学学院一直把实验教学放在整体教学体系的主要位置，并不断对其进行深化改革。近年来学院实行“433”特色实验实践教学模式，在兰州大学大气科学专业人才实践能力培养方面发挥了巨大的作用。

进入21 世纪以来，以智能化、数字化、网络化为主要标志的工业4.0 时代降临，虚拟仿真技术在教育领域的应用进入了新的阶段，虚拟仿真实验教学采用虚实结合的方式，弥补真实实验不允许开设或难以达到教学效果的实验，是一种自主学习、主动实验和共享开放的实践教学模式。将虚拟仿真技术应用到大气科学教学体系将是新时代大气科学现代化教学的时代要求。

为提高信息化背景下高等学校实验教学质量和实践育人水平，教育部从2017 年起开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作，很多高校都积极探索虚拟仿真实验教学新模式。大气科学专业2021 年在国家虚拟仿真实验平台共建设了4 门课程。这些虚拟仿真课程的建设说明大气科学在实验教学改革方面取得一定成果。

本文基于大气科学在虚拟仿真实验课程建设的实际案例情况，从多个环节探讨大气科学虚拟仿真实验的开发与设计，总结和梳理虚拟仿真实验教学过程中取得的经验和存在的问题，以期推进虚拟仿真教学在实验教学中的广泛应用，提升大气科学虚拟仿真实验教学效果。

一、大气科学虚拟仿真实验教学设计

大气科学专业中有一些深奥难懂的知识点，以前受限于教学信息手段，例如青藏高原对天气和气候的影响机制，主要是老师讲授和图片展示为主。但由于其涉及的空间范围很大，动力和热力机制复杂，学生难以迅速理解掌握，影响了学生学习的热情，同时，学科交叉性强、涉及的知识面广、实践性强，与学生毕业后从事科研和天气气候预报业务工作直接相关。因此将虚拟仿真技术与大气科学实践的深度融合，突破大气科学类专业实践教学在时间、空间和维度上的制约；充分利用已有的大量的实际观测资料与数值模拟提供的数据与虚拟仿真实验相结合，可将抽象难懂的理论知识以生动的情景式的显示、将复杂的地形影响分解为各种简单理论模型；然后提出现实科学问题和各种可能出现的情景，让同学们自己实践动手利用数值模式等手段，设计科研试验，综合分析实验结果；将大气科学实践教学与课堂教学紧密结合，以便培养学生的实际动手能力，实现实践应用能力和创新思维的有机融合。

（一）以学生为中心，合理选题

虚拟仿真实验教学项目建设的立项和选题上，需要以问题为导向，以学生为中心，合理选题。

以问题为导向，就是要围绕学科前沿或者社会急需，依托学校已取得的重大研究成果，或者已有的科研平台，结合学科优势和专业特点，重点建设已有研究涉及高危或极端环境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练等，自行研发，具有自主知识产权的实验内容；避免虚拟仿真教学项目原创性不够的问题。

以学生为中心，就是要以学生为本，从人才培养的需求出发，将重要的、深奥复杂且实践性强的学习内容，建设成虚拟仿真实验内容，将深奥复杂难以理解的知识点，通过虚实结合，以可视化、情景式和实景操作方式，生动地呈现给学生，调动学生的学习积极性和主动性，增强学生创新创造意识，将知识体系构建、创新能力培养、综合素质提高等有机融合，协同提高。

在选题方面，以本校特色为基础，注重实效性和创新性。例如兰州大学建设了青藏高原的动力和热力作用虚拟仿真实验，因为青藏高原是全球最高最大的高原，是除两极地区之外的地球“第三极”的主体，对全球大气环流及演变有极重要的影响，对中国气候的变化与异常起着重要的热力和动力作用，其对天气和气候的影响受到国际学术界的广泛关注。高大地形动力和热力作用，尤其对天气气候、生态和环境影响的机制是大气科学、环境、地理和地质等专业的重要专业知识，其影响机制较为复杂。因此选择了青藏高原的动力和热力作用为实验对象，充分利用已有的研究成果，并不断加强青藏高原大地形的动力和热力作用的开发与研究，不断把最新研究成果，转化为优质的实验教学资源，进而推进虚拟仿真课程的更新和完善。

（二）两个转化、三个层次拓展课程内容

长期以来，高校实验教学大多采用教师主导的传统教学模式，学生在实验过程中既不需要查阅文献，也无需深入思考，更谈不上创新，很难实现理论教学与实验相互结合、培养学生创新能力的教学目标。为了解决这一问题，虚拟仿真实验内容的设计，不仅要注重基础性实验项目虚拟化建设，更需将高水平的科研成果和现实中面临的科学问题转化为实验教学内容，将成熟的科研技术和方法引入实验教学过程，并且以此进行多层次的拓展，以提高虚拟仿真实验教学资源的水平。

两个转化就是将科学观测数据和科研成果转化为实践教学内容，兰州大学大气科学学科具有近50 年的气象学专业课程建设与实践历史，在教学科研工作中开展了深入的教学改革，积累了丰富的实践教学建设经验，2017 年入选国家一流学科建设名单，2019 年入选首批教育部“双万工程”国家级一流本科专业建设点。因此我们充分利用兰州大学气象台、兰州大学半干旱气候与环境观测站、地球系统模式研发中心等研究成果，将观测数据和天气气候模式的模拟结果结合起来。并补充更新了兰州大学二次青藏科考的科学考察、科学实验、观测的结果。将研究成果转化为教学中的科学问题，设计不同的实验方案，并将科学观测和实验结果融入到实践教学中。通过科学实验和现实问题激发学生对实验课的兴趣，进而调动其学习的积极性和主动性，鼓励学生分析性学习、综合性运用。

由于虚拟仿真实验课程面对的是全国不同学校的学生，为了满足各类学生的学习需求和目标，虚拟仿真课程一般采用分层次、模块化的设计，由易到难，从知识到能力水平的逐层提升，既符合学生学习的规律，也满足不同学生的学习需求和目标。以青藏高原大地形的动力和热力作用虚拟仿真为例，课程内容涵盖了三个层次的教学内容（图1）。第一层次认知环节，主要是基本概念和基础理论：包含青藏高原对我国天气气候影响概述，以及青藏高原隆升对气候生态的影响，激发学生的学习热情。第二层次探究环节，主要是理论知识的实际应用，大地形动力和热力作用机制理论模型；介绍大地形对天气气候影响的研究方法——数值模式，包括我国取得的成果和急需解决的重大问题，以WRF 模式为例，让学生实际操作数值模式的安装和运行，提升学生实际动手能力。第三层次拓展环节，定量化研究青藏高原动力和热力作用。将观测数据和天气气候模式的模拟结果结合起来，使学生通过对复杂问题的分析，自主设计创新性研究方案，进行敏感性试验，通过数值模拟和实际操作，最后归纳分析研究结果。使学生在理解和掌握理论知识基础上，将理论知识用于解决天气气候演变和预测等问题，进而使学生获得解决复杂问题的综合能力和高级思维，实现实践应用能力和创新思维的有机融合。

图1 虚拟仿真实践教学三个层次教学内容

（三）分阶段改进教学方式

通过虚拟仿真实验平台，以可视化、情景体验式和人机交互操作方式，提高学生的实践技能和编程能力，加深学生对复杂物理过程的理解。针对虚拟仿真实践课程的特点，可采用分阶段：“课前预习实验背景-课堂强化实验理论和操作-课后提高”的思路开展教学，在各个教学环节中，进一步增强教师和学生的交流互动和探究性学习。具体教学思路设计如图2 所示。

图2 虚拟仿真实践教学的教学设计思路

1.第一阶段：课前引导预习

教师课前分析知识点和不同层次学生的学习情况，对学生进行分组；完成教学内容的设计，对占用线下课堂时间较长但学生完全可以自学完成的内容，录制教学视频通过虚拟仿真平台发送给学生，让学生在虚拟仿真平台上，自主学习基本概念、基础理论、复杂地形的动力和热力作用模型、数值模式安装和运行，引导学生完成预习任务。使得实验教学不受时间、空间和成本的制约，提升学生的体验获得感，激发学生浓厚的学习兴趣。预习完成后，在线交流互动，学生提出问题，老师答疑解惑；并总结学生学习中存在的共性问题。

2.第二阶段：课中分组学习与讨论

线下课堂中，根据课程讲授内容，通过PPT 和视频的展示，对知识点和学生反馈的共性问题进行串讲和答疑；根据课程内容和重难点知识，设计一些启发性问题，比如，气候变暖情况下，青藏高原会发生哪些变化，如何影响其热力作用？让学生分组操作、讨论。教师介绍对我国此方面发展的优势和特色以及发展前沿，引导学生发现问题、提出问题、思考问题，对学生上机操作中遇到的问题进行现场指导和答疑，并最终协助学生理解问题、解决问题、掌握方法。这个过程主要是为了避免“填鸭式”教学，通过激发学生学习兴趣，不断深入探究，最终理解并掌握章节的重难点知识，达到解决问题的能力和创新性思维训练的教学目的。

3.第三阶段：课后实践与巩固练习

教师及时总结课堂中发现的问题，根据不同层次学生的学习能力和掌握程度，布置作业和实验报告内容，结合一些线上的慕课资源和网站，让学生进行实时实际的操作，针对性作业的练习巩固，实习报告的撰写，从而在不断练习中加深理论知识的理解和实践技能的运用与提高。

二、全过程、多元学习评价体系

本实验课程评价体系中，不仅有基础理论知识题库，同时辅以课后作业，还有作为数值模式安装运行、计算和分析的实际动手操作，按照各模块在本实验中的比例，形成“虚-实结合”的全过程、多元学习评价体系，实现对实验学习、练习、数据计算和综合分析的全覆盖。

评价方式主要分为三种：（1）基础理论知识考核；（2）实际操作考核；（3）综合测评。第一部分基础知识主要利用答题系统，学生每学完一部分内容，进入答题系统，进行考核、答题的成绩实时评定。第二部分实际操作，主要是对虚拟现实场景中的实验方案设计、人机互动、模型参数设置和模式运行等，学生需要进行实时操作，依据操作情况，包括学生在线时间，模型参数设置情况和实验完成效果，实时评定，形成了全过程考核。第三部分综合测评，学生学习和操作完所有的课程内容，撰写实验报告。实验报告需要针对研究的问题、设计实验方案，并在设计环节中体现创新意识，归纳总结实验所涉及的理论知识重点和难点，深度分析实验结果。从而使学生能够基于基础知识，通过虚拟仿真实验，获得天气气候分析和预测的综合能力，培养创新思维。

三、点滴融入思政，建设有灵魂的实践课程

在专业课程中点滴融入思政元素，可以更好地传播大气科学学科背后“真善美”的价值观，让科学知识和原理变得更有“灵魂”。通过了解气象学家故事、我国气象学成果、高影响天气案例分析、理论知识实践应用等形式，实现了思政元素和专业知识的有机融合，实现对学生们的价值引领，培养了学生们的家国情怀和科学精神。

在课程平台介绍我国学者在青藏高原气象学方面获得的突出成果，例如：叶笃正院士开拓的大地形热力作用研究和青藏高原气象学。让学生了解学科前沿和我国学者做出的突出贡献，坚定学生的“四个自信”，培养学生的家国情怀。

介绍我国学者在国家建设及可持续发展方面做出的重大贡献，例如大气科学学院的丑纪范院士，长期从事数值天气预报、数值模拟以及气候动力学研究和教学，以身边人的感人事迹让学生真真切切地感受到兰大人“坚守、奋斗”的精神。结合学科发展中需要解决的重大问题，鼓励学生用专业知识和方法去解决科学问题，真正地实现学以致用，培养学生对大气科学的热爱之情。

四、教学效果

本虚拟仿真课程搭建了虚拟仿真平台，充实了教学资源，改进了实验条件，授课过程中有大量的视频、动画和3D 场景，生动易懂，达到很好的教学效果，学生成绩90%在80 分以上。学生评教分数始终保持95 分以上。

老师和学生对这门课程给予了积极的肯定，学生们反映课程内容新颖前沿，融入了最新的相关研究成果，丰富了实验课程的知识结构体系，认为虚拟仿真实验课程对以后的学习和科研有很大的帮助，学校教务处给出的课程评估结果始终是A。2020 年先后被评为兰州大学和甘肃省虚拟仿真一流课程。

五、结束语

为了实现应用型人才和创新性人才的培养目标，实践课程改革需要不断深入，虚拟仿真技术与教学的深度融合将成为实践教学的发展方向之一，虚拟仿真实验课程将成为学生获取知识与技能的重要手段。依托已有的大量的实际观测、科考资料、数值模拟数据和研究成果，更新实验课程内容。本文提出了“一个中心，两个转化，三个阶段”的虚拟仿真实验教学设计，虚拟仿真实验课程的建设，可为不同区域、不同层次、不同类型学生提供不受时空限制的实践学习，从而有效提升实践教学的吸引力，激发学生学习热情，达到甚至超过教学大纲所要求的教学效果。

在大气科学中开展虚拟仿真实践教学本身就是一种探索过程，是实践教学方法的创新和新教学理念的实践过程，需要悉心分析和总结这种新教学实践中存在的问题和缺陷，需要反复的探索与总结，循序渐进，不断完善。在今后的实践教学中，我们会继续加强、改进、完善和推广虚拟仿真实验教学课程体系，促进高等教育教学质量全面提高，为国家培养更多高素质、高层次的优秀气象创新人才。