虚拟仿真实验教学中心和项目的建设与发展

韩永光 牛乐 樊香 常薇 禄保平

摘  要  以科技为载体，将现代信息技术融入实验教学项目，建设高质量的虚拟仿真实验中心和项目，拓展实验教学的深度和广度，让学生在实践中亲身体验科技发展、科学技术带来的便捷，领略现代科技发展现状，激发学生的探索兴趣。从虚拟仿真的重要作用、建设过程、建设目标及可能达到的预期效果等方面进行探讨，以期对虚拟仿真的建设和应用提供一定的借鉴作用。

关键词  信息技术；虚拟仿真；实验教学

中图分类号：G642.423    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2023）04-0008-04

Construction and Development of Virtual Simu-

lation Experiment Teaching Center and Project//

HAN Yongguang1， NIU Le1， FAN Xiang1， CHANG Wei1， LU Baoping2

Abstract  Taking science and technology as the carrier，

we integrate modern information technology into experimental teaching projects， and build high-quality virtual simulation experiment centers and projects， and expand the depth and breadth of experi-

mental teaching， which let students enjoy the deve-

lopment of science and technology and the conve-nience brought by science and technology in prac-tice， appreciate the current situation of modern science and technology development， and stimulate students interest in exploration. This paper dis-cusses the important role， construction process， construction objectives and possible expected effects of virtual simulation， in order to provide some references for the construction and application of virtual simulation.

Key words  information technology; virtual simulation;

experimental teaching

Authors address

1  Henan University of Chinese Medicine， Zhengzhou，

China， 450006

2  Academic Affairs office， Henan University of Chinese

Medicine， Zhengzhou， China， 450006

0  引言

根据《教育部办公厅关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》的要求，在高校实验教学改革和教育信息化建设的基础上，不断推进和完善开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作，通过信息技术和高等教育的深度融合，为更好地开展实验教学及培养高质量的学生提供了更好的平台，进一步拓展了高等教育的外延。利用信息技术的优越性改变传统教育模式，打破实验教学的时空及条件限制，丰富实验教学手段，拉近师生距离，增进双方的沟通交流，使学生根据需求随时随地通过网络教学的方式学习，进一步扩大实验教学的辐射范围，提高实验教学的效率[1-3]。

实验教学是提升学生培养质量的重要过程，是人才培养非常重要的组成部分，是提高学生实践动手能力和创新能力的重要方式，也是培养高素质、高层次人才的关键。虚拟仿真实验教学项目的建立打破了传统实验教学模式下的各种约束，具有交互性、沉浸性、时代性和娱乐性四大应用特点。虚拟仿真技术通过创设、模仿真实的生活场景，突破现实生活中时间、空间领域的局限，以寓教于乐的方式，全面激发学生的学习兴趣，一改过去学生对于学习的厌倦和焦虑心态，从而回归教育的本质[4-5]。

利用先进的信息化手段和技术，重点建设具有学校专业特色的，虚拟仿真实验项目，构建完善的虚拟仿真實验教学课程群；录制基础的实验操作在线课程，构建实体与虚拟相结合、基础与临床相结合、教学与科研相结合“三结合”模式的虚拟仿真实验课程体系；利用科研大数据和研究成果反哺教学，为实体综合性设计实验提供有益补充，为学生开展科研探索提供虚拟平台[6]。

虚拟仿真实验教学中心依托实验平台对虚拟仿真实验项目进行管理运行，中心秉承开放、共享、高效的原则，加强资源的有序整合和有效对接，实现平台资源统一认证、检索、教师指导、在线学习、在线操作、在线测试、成绩反馈、意见建议等，实现虚拟仿真实验教学资源最大化利用，切实做好以“虚实结合、以虚补实”为原则的虚拟仿真实验教学工作[7]。

本文以期通过实际建设、使用和管理中的经验，为更好地推广应用虚拟仿真实验教学构建虚拟仿真实验教学体系，提供有益借鉴。

1  虚拟仿真实验教学中心和项目在实验教

学中的重要作用

1.1  有效促進实验教育的深度发展

虚拟仿真实验教学有效促进了实验教育的深度发展，可以通过模拟微观精密、宏观复杂或高危环境等在实体实验过程中不能进行的场景，学生通过信息技术手段构建的三维场景先学习理论知识，基本概念、理论及技术，后进行仿真实验过程操作，进一步理解和掌握基本知识，还可以避免由真实实验环境带来的潜在的人身危险和资源浪费。充分发挥虚拟仿真实验教学项目在教学过程中“以虚补实、以虚促实、虚实结合” 的重要作用，进一步拓宽实验教学的深度和广度[8]。

1.2  提高学生的学习兴趣和主观能动性

虚拟仿真实验教学项目集成了多媒体技术、网络技术、数据库技术、计算机技术，搭建非常逼真的虚拟化环境，并借助特殊显示器为人们提供更加真实的视觉效果与听觉效果，具备沉浸性、交互性、高感知性，在提高教学质量、教学效率等方面发挥着至关重要的作用。将虚拟现实技术应用到教学工作中让学习知识的过程变得更加具有吸引力，极大地提高了学生的学习兴趣和主观能动性[9]。

1.3  最大限度地发挥学校的实践教学效率

虚拟仿真实验教学是现代技术发展到一定时期的必然结果，充分体现了信息技术和实验教学结合的优越性，也是未来实验教学的大势所趋。虚拟仿真实验教学能最大限度地开展实验教学项目，更合理地安排实验教学课程，有助于提升学生掌握专业技能的能力，充分利用课内外时间开展实验教学，最大限度地发挥学校的实践教学效率[9-10]。

1.4  更有利于分析实验教学的难重点

利用虚拟仿真实验教学项目可方便地收集实验报告和数据结果，也更方便评定学生成绩，更为重要的是可以更高效地分析学生对实验教学的重难点的掌握情况，不仅对以后的实验教学过程更有针对性，而且可以为以后的实验教学改革提供可靠的数据和资料[11]。

2  虚拟仿真实验项目和中心建设过程

2.1  加强顶层设计、科学合理布局

进一步理顺运行机制，制定符合学校实际需求和建设目标的实验教学信息化制度，构建独具特色的“实体—虚拟—临床”虚拟仿真实验教学体系，结合中医、中药等学校特色优势，统筹做好虚拟仿真实验教学中心、平台及一流课程建设的整体规划和科学布局[12]。

2.2  突出制度导向、强化组织保障

围绕领导职责、激励机制、约束机制和运行保障等方面，建立相应的激励实验教师选用、聘任、培训、考评和流动的制度和机制，鼓励实验教师依托信息技术投入实验教学和教学改革，促进虚拟仿真实验教学中心、平台和课程资源应用的高效运转。学校每年持续投入经费用于虚拟仿真实验教学项目建设，对被评为省级及以上虚拟仿真实验教学项目的团队给予一定奖励，在职称评定、年底考核等方面给予倾斜，同时拨付一定的后期建设经费进一步改进和完善教学资源[13]。

2.3  完善平台资源建设、推进全面高效共享

与相关企业和高校合作建设功能完备、高效共享的虚拟仿真实验教学平台，推动虚拟仿真实验教学改革和全面的资源开放共享，形成开放共赢的示范引领效应。围绕中医、中药等特色优势学科结合实验室现有条件、课程实际与实验教学大纲，按照“以虚补实、以虚促实、虚实结合”的基本原则，建设一批虚拟仿真实验教学金课，实现信息技术与实验教学深度融合。完善现有的资源建设，引入评价机制，实验应用过程可查可控可追溯，应用效果纳入学业过程考核，适当提高比重，引导学生主动参与到虚拟仿真实验训练中，提高虚拟仿真项目的利用率[14]。

2.4  线上线下互补协同、推进实验教学模式改革

虽然虚拟仿真实验项目具有独特的优势，但仍不能完全替代实体实验项目，虚拟仿真实验教学也不能替代传统的实验教学，只有将两者充分结合起来，才能互为补充，发挥各自的优势，完成虚拟与实体的有机整合。依托现有虚拟仿真实验教学中心、虚拟仿真实验平台和虚拟仿真实验资源，构建线上线下相结合的实验教学新模式。

3  虚拟仿真实验项目和中心的建设目标

3.1  建立“开放共享+闭环反馈”的虚拟仿真实验教学运行机制

紧扣教育部相关文件精神，通过完善虚拟仿真实验教学平台功能，整合各虚拟仿真实验教学中心虚拟仿真项目，统一身份认证，数据接口对接，实现课程资源开放共享，发挥虚拟仿真实验教学项目在教学过程中“以虚补实、以虚促实”的重要作用；虚拟仿真实验教学平台与虚拟仿真实验项目底层数据对接，实现使用过程的信息抓取和数据分析，建立“学生—教师—项目”多元闭合反馈机制，实现对学生的学习情况和学习效果的监控，促进教师教学策略调整和虚拟仿真实验教学项目进一步改进，优化了虚拟仿真实验教学运行机制[15]。

3.2  构建“在线开放课+虚拟仿真实验项目”的实验课程新体系

通过实验操作方面在线开放课的录制建设，与虚拟仿真实验项目形成优势互补，在线开放课以实物的形式直观展现，增强学生对实体的感知，弥补虚拟仿真实验教学项目在实体呈现和具体操作细节方面的不足，使学生在熟悉虚拟环境下实验步骤、操作细节等基础上，跳出虚拟空间，进一步增强学生对实体实验的认知和理解，有助于学生建立严谨的科学态度和正确的价值取向[16]。

3.3  重构“线上+线下”互补协同的实验教学新模式

借鉴学校现有国家虚拟仿真实验教学项目的建设经验，围绕中医、中药等特色优势学科，结合学校实际，重点建设“不能开、开不好、高危险、不可逆”的虚拟仿真实验教学金课，弥补现有实验课程体系的不足，构建实体与虚拟相结合、基础与临床相结合、教学与科研相结实验课程体系，使学生线上体验学习原理和流程，线下操作强化实践和能力，进一步重构“线上+线下”互补协同实验教学新模式。

4  预期效益

4.1  提高成员高校间的虚拟仿真实验项目的利用率

加強成员高校间的沟通与协调，推动虚拟仿真实验教学改革和全面的资源开放共享，形成开放共赢的示范引领效应。围绕中医、中药等特色优势学科结合实验室现有条件、课程实际与实验教学大纲，按照“能实不虚、以虚补实、虚实结合”的基本原则，建设一批高质量的虚拟仿真实验一流课程，实现信息技术与实验教学深度融合。完善现有的资源建设，引入评价机制，实验应用过程可查可控可追溯，应用效果纳入学业过程考核，适当提高比重，引导学生主动参与到虚拟仿真实验训练中，提高虚拟仿真项目的利用率。

4.2  线上线下互补协同、推进实验教学模式改革

虚拟仿真实验教学中心依托实验平台对课程群、虚拟仿真实验项目进行管理运行，中心秉承开放、共享、高效的原则，加强资源的有序整合和有效对接，实现平台资源统一认证、检索、教师指导、在线学习、在线操作、在线测试、成绩反馈、意见建议等，实现虚拟仿真实验教学资源最大化地利用，切实做好以“虚实结合、以虚补实”为原则的虚拟仿真实验教学工作。学生先进行课前预习，初步掌握基本的知识点和重难点，然后利用课余时间采用虚拟仿真实验项目对实验过程进行模拟操作。在实际实验课程中，按照实际操作步骤进行实验训练，可使得虚拟仿真教学和实际教学高度融合，更有利提高实验教学水平，提高学生的实验动手能力。

4.3  学生学习积极性明显提高，教学质量显著提升

一是通过 “线上学习+线下翻转”的创新型混合式教学模式，培养学生主动学习、主动思考、创新性思维和创造性思维能力；二是通过基本知

识、基本技能、在线习题和测试、互动讨论等方式，使过程性评价和考核更具有可操作性；三是充分调动学生参与度和讨论问题的积极性，让学生坐到前排来、把头抬起来，让学生乐于学习、乐于思考。采用翻转课堂、混合式教学等新型教学模式，把沉默单向的课堂变成思想碰撞、启迪智慧的线上线下互动场所，切实提高课程教学质量。形成“线上学习+线下翻转”的创新型混合式教学模式，使学生综合能力显著提高，教学效果显著增强。

5  结束语

虚拟仿真实验教学方式相对于传统的实验教学具有非常明显的优势，通过构建高度真实的虚拟实验教学场景，建设高质量、高水平的虚拟仿真实验教学项目，并推广应用，对实验教学方式方法进行改革和创新，不仅能促进创新实验教学模式的改革，也有利于进一步完善实验教学内容，不断优化实验教学，提升实验教学的资源效益，提高人才培养质量，因此，不断探索虚拟仿真实验教学项目建设和应用具有非常重要意义。

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