新工科背景下虚实结合的实验教学模式研究

付百学，朱荣福

(黑龙江工程学院 汽车与交通工程学院，哈尔滨 150050)

高等工程教育是我国高等教育的核心部分，注重提高学生的工程实践素质，培养学生工程实践创新能力。我国工程教育专业认证体系于2016年6月实现了与国际实质等效，极大地推进了工程教育改革走向深入。教育部2018年1月颁布的《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》再次强调以学生为中心，以产出为导向和突出持续改进，要求我国高等院校要结合“一流本科、一流专业和一流人才”建设，完善高质量、多样化的人才培养体系。教育部启动一流本科专业“双万计划”建设和一流本科课程“双万计划”建设，提出我国高等教育一流课程“高阶性、创新性、挑战度”建设标准，明确指出，虚拟仿真实验教学应根据学校自身特点，致力于解决实验实训教学老大难问题；坚持问题导向，重点解决实际运行困难或真实实验条件不具备的问题，涉及到极端环境或高危环境，消耗高、成本高、操作不可逆、大型综合训练等问题；坚持需求导向，重点解决专业特色和行业产业发展需求紧迫问题、实践能力培养需求紧迫问题。实践教学过程是高等院校工程教育的重要环节，网络互联技术和计算机技术的快速发展，为实践教学模式的虚实结合提供了广阔空间，对于高质量人才培养起到了重要作用[1]。

一、虚实结合实践教学模式研究现状

教育部2010年发布的《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》首次明确提出建设虚拟实验室，鼓励开发和共享网络教学资源，加强教育信息化建设。国内高校教育信息化建设历经十余年，目前在MOOC、虚拟实验教学和虚拟实验室建设等方面取得了一定成效。

哈尔滨工程大学将计算机虚拟仿真技术引入课程实验教学，通过虚拟仿真实验系统，验证设计方案的可行性，弥补了传统实验的缺陷；国防科学技术大学开发的云实验教学平台融合了真实硬件实验环境和远程实验环境，可服务于学生课程实验、创新性实验，以及课程设计、毕业设计，很好地解决了实验室资金投入大、环境重复建设、仪器设备大量堆叠和实验资源利用率低等问题；华中科技大学开发的虚拟实验教学项目，做到虚实互补、能实不虚、以虚促实，开发的能独立运行或实体实验的项目，效果独特；南通大学将真实实验和虚拟实验进行整合，构建课程实验教学体系，实现虚实结合、优势互补，并搭建开放式实验教学管理平台，实时更新实验教学内容，学生可自主或合作学习，进行创新性实践研究，采用多元化实验教学评价体系，为开放式虚实结合实验教学的高效进行提供保障[2]。

虚拟实验教学能有效地解决传统实验教学存在的诸多问题，但本身也尚存不足。只有将传统实物实验和虚拟仿真实验有效整合，形成虚实结合、优势互补的实践教学体系，才能更好地启发学生进行自主性、创新性和探究性学习，培养学生的团队协作精神，提高学生工程实践能力、创新能力和综合素质。

二、应用虚实结合实践教学模式的必要性

(一)传统实验教学的不足

(1)传统实验教学通常采用“一讲、二练、三考核”的方式进行，其教学内容有限、模式单一，学生被动学习。

(2)传统实验教学课程资源单一，实践教学资源基本以教材为主，缺乏仪器设备功能展示、实验操作视频演示、实际应用扩展、关联高新技术介绍等，学生对实验内容未能全面理解和深刻思考，只驻留在想象中[3]。

(3)传统实验教学模式单一，多为验证性或演示性实验，教师以板书的形式讲解实验目的、内容、操作注意事项等，再进行操作示范，实验过程枯燥抽象，学生学习印象不深，理解不透。由于实验学时有限，教师不能进行知识回顾与拓展，对于复杂知识与实验效果对比，不能直观演示，且由于时间和场地限制，学生大都只能完成验证性实验操作，实验兴趣与创新意识未能得到充分激发。

(4)传统实验教学缺乏实际生产线所具备的厂房、仪器设备等生产一线的硬件，学生没有直观感受，对实验仪器和元器件只有表面了解或仅为完成实验，虽能对理论进行验证与计算，但未能对实验项目进行科学分析、调试与设计，难以满足学生主动性、创造性和个性化学习的需求[4]。

(5)随着新技术不断出现，传统实验教学需要的仪器设备应不断更新，需要大量资金投入和场地空间。

(二)虚拟实验教学的优势

(1)虚拟实验教学综合运用网络技术、多媒体技术、虚拟现实技术和计算机仿真软件等，通过软件模拟技术达到传统真实实验的效果[5]。

(2)虚拟实验教学利用虚拟网络资源建立针对课程的工厂生产线操作流程，或制作实验教学视频，学生可反复观看，实验过程清晰明确，实验效果显著[6]。

(3)虚拟实验教学可使学生在虚拟工厂中参与生产全过程，学生如同身临其境，可全面熟练地掌控生产流程，在具体操作中锻炼解决实际问题的能力。

(4)虚拟仿真实验教学可利用云平台远程教学，学生在课前可自主学习相关内容并进行仿真实验，课上进行实物实验，可很大程度地提高学生学习的自主性和学习效率。

(5)虚拟仿真实验只需要一台联网计算机，即可模拟仪器设备功能，利用虚拟现实技术真实再现实验过程，节约成本和空间，且无须各种实验耗材，实验过程安全性高。

(三)实践教学采用虚实结合模式的必要性

虚拟实验教学虽然具备诸多优势，也存在不足：

(1)传统实验过程会随机出现实验元器件损坏、线路故障等情况，而虚拟仿真软件则为程式化、理想化模型，不利于培养学生针对突发情况的应急处理能力[7]。

(2)传统综合性实验通常较复杂，需诸多学生合作完成，有利于培养学生的团队合作意识和交流沟通能力，但虚拟仿真软件普遍缺失该项功能。

(3)教师在虚拟实验环境中，不能面对面地指导学生实践。

实验教学只有采用虚实结合的模式，才能充分发挥虚拟实验的优势，弥补传统实物实验的不足。同时激发学生的学习兴趣和专业热情，引导学生自主学习，形成以学生为主导的交互式学习氛围[8]。

三、虚实结合实践教学体系新形态

(一)制作实验教学微课，创建多元化实验课程

采用新媒体技术，以文字为基础，将实验教学内容以微课形式进行展示；录制视频，进行实验操作演示，将高新技术纳入视频，扩展实验内容。通过互联网发布微课视频，使学生拥有丰富的学习资源，学生通过课下观看进行课前预习，通过课内学习，有充分时间交流与互动，解决疑惑以及巩固学习内容。学生可结合自身差异，选择学习内容，也可基于微课扩展内容进行综合实验设计，还可通过基础实验关联高新技术，衍生新想法，培养创新思维和创新能力。

(二)开设虚拟仿真实验，进行混合式实验教学

虚拟仿真实验将信息技术与学科专业进行深度融合。加强校企深度合作，充分利用企业实践教学资源和支持服务能力，整合校内信息化实验教学资源，突出学生创新能力和综合实验设计能力培养，建设用于虚拟仿真实验的内容丰富和多元协同的实验教学资源，推进实验教学方法的虚实结合。

虚拟仿真软件有虚拟仪器功能，元件库丰富，分析功能强大，能实时显示数据和图形，能自动调试。学生利用实验虚拟仿真软件，可在课余时间进行实验项目设计与仿真，进行分析总结，再到实验室进行验证，完成由虚到实的混合式实验，实现实验过程的综合训练，培养自主学习能力和开拓创新能力。

(三)构建“互联网+”实验教学体系新形态，实现学生主动性和创造性学习

采用实验教学微课和进行虚拟仿真实验，有利于学生快速理解和掌握实验技术，为学生主动性、创造性学习创造了良好条件。学生高效率做完实验后，基于实验教学微课和虚拟仿真实验，自主进行实验设计，验证实验相关理论，加深理解基础理论知识，解决实验过程中出现的问题。另外，还可结合专业知识，进行创新性实验项目设计与研究，如教师指导学生开展大学生创新创业项目训练，合理安排实验内容和实验进度，通过对实验数据进行分析总结，进一步优化设计理论，完善创作作品，学生创新思维更加宽阔，创造能力不断提升，解决复杂工程问题的能力得到训练，真正做到学以致用、自主创新。实验教学微课、虚拟仿真实验、实物操作和多学科专业交叉融合，构建了“互联网+”实验教学体系新形态[9]。

(四)运用优质虚拟仿真实验教学资源，创新虚实结合的实验教学新方法

充分利用国家虚拟仿真实验教学共享服务平台中的优质虚拟仿真实验教学资源，同时积极挖掘校内外虚拟仿真实验教学资源，有效地开展线上实验教学活动，促进一流课程共享服务体系建设，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实验教学新体系，提高高等教育实验教学质量和实践育人水平[10]。

合理制定线上实验教学实施方案，根据实验目的、要求和实验内容覆盖的知识点等核心要素的匹配情况，择优选取可采用的虚拟仿真实验教学项目资源，开展线上实验课程和线上线下混合式实验课程教学。线上实验课程的基本实验教学单元涵盖专业基础课程实验、专业课程实验、专业方向或涉及该专业的前沿学科领域实验，线上学科前沿实验课程的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，符合经济社会产业发展对人才培养目标的要求。

线上线下混合式实验的基本教学单元由虚拟仿真实验项目和实体实验项目组成。以课程实验为主，引入符合人才培养目标和经济社会产业发展的虚拟仿真实验项目。针对实体实验项目，应淘汰简单验证性、陈旧落后的实验项目，保留优质、综合性的实验项目，通过优化实体实验项目内容、减少实体实验项目学时数，为引入虚拟仿真实验项目创造条件。

(五)采用开放互动式实验教学模式，激发学生创造力和潜能

建立以专业导师具体负责、大学生创新团队积极参与的专业工作室，突出其工学结合、创新创业能力和实践能力培养特色，进行开放互动、虚拟结合的实验教学模式推广，为人才培养模式创新开辟新路径，学生可突破实验教材、实验学时和实验场地的限制，根据教学需要或兴趣爱好选择实验项目或自行设计课题，由导师指导独立完成实验，可将创意带入实验，学生变成实验的主体，充分发挥其个性和潜质，激发其灵感和创造力，从而提高学生学习动力、实践能力和综合素质。

(六)虚拟现实技术、可穿戴设备和增强现实技术为信息化实验教学提供强力支撑

虚拟现实(VR)技术涉及到计算机图形学、传感技术、人机交互技术和人工智能技术等，由各种传感器、仿真软件和计算机硬件构成三维虚拟环境，借助于虚拟现实数据手套、眼镜、头盔和光学位置追踪系统等设备捕捉操作者的位置和动作信息，经过虚拟现实处理系统，通过3D立体显示系统将操作结果进行反馈，操作者如身临其境，可多人协同交互[11]；增强现实(AR)技术包含三维建模、多传感器融合、多媒体、实时跟踪及注册、实时视频显示及控制、场景融合等新技术，利用头盔显示器将真实信息与虚拟信息同时叠加到同一画面或空间，实现二者无缝集成。

通过构建与课堂平行的三维虚拟环境，师生之间可实时交互、完成学习任务和参与集体活动，教师还通过虚拟环境与异地学生进行交流与辅导；引入电脑、白板、反馈装置、无线投影仪等高新信息设备，满足学生各类学习活动需要，激发学生学习自主性。学生进行自主化、个性化、交互式实验操作，可观察到现场实验不能获得的实验现象，验证实验方案，强化知识运用，同时创新思维也得到训练。

四、虚实结合实践教学模式的应用与发展思考

采用虚实结合实验教学模式，虚拟仿真软件可视化，教学过程师生良性交互，学生实际动手操作，大大地提高了学生学习的主动性和趣味性，学生利用移动端可随时访问教学资源，独立分析问题、思考问题，养成良好的终身学习习惯。

虚实结合实验教学模式以混合式学习、设计与合作学习为主，逐渐更加注重学习测量和重新设计学习空间，未来趋势为推动创新文化和深层学习方法。物联网技术、移动学习、自适应学习技术、人工智能、学习管理系统以及自然用户界面等六大技术将对虚实结合实验教学质量产生重要影响。

目前要解决提高数字化素养、整合正式与非正式学习问题，未来还将面临推进数字化公平、应对知识过时和反思教育者的角色等严峻挑战。

五、结束语

实验教学是学生巩固专业知识、培养工程意识和创新意识、掌握工程实践技能和创新能力的重要途径、采用虚实结合的实验教学模式，突出运用融合计算机技术、互联网技术及大数据技术的信息化技术，极大地改变了实验教学环境、内容与模式，丰富了实验教学资源，能激发学生学习兴趣，为学生提供学习便利，使学生及时学到新知识、掌握新技能，有助于培养大学生的创新精神和创新能力，有助于提升学生解决复杂工程问题的能力，推动高等教育工程化、战略化和国际化的教育教学改革不断走向深入。