虚拟仿真实验“金课”建设的探索与实践

[摘 要]虚拟仿真实验“金课”具有高阶性、创新性和挑战度的特征，通过虚拟实验能够有效改善传统实验课堂落后低效的现状，实现现代教育技术支持下的“智能+教育”。实践证明，虚拟实验有助于实现学生个性化自主学习、沉浸式探究学习;有助于加强师生实时互动交流，实现“线上线下”融合式教学;有助于革新传统的教学方法和扩展实验的教学内容。

[关键词]本科教学;教育技术;虚拟仿真;金课

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2022）05-0086-04

2018年6月，在新时代全国高等学校本科教育工作会议上，教育部前部长陈宝生首次提出“金课”概念[1]。教育部吴岩司长进一步阐释“金课”的“两性一度”，即高阶性、创新性和挑战度[2]。同年8 月，教育部印发了《关于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知》，提出各高校要全面梳理各门课程的教学内容，淘汰“水课”、打造“金课”，合理提升学业挑战度、增加课程难度、拓展课程深度，切实提高课程教学质量 [3]。

这一系列关系到高等教育历史走向的讲话和文件，不仅是对大学扩招以来本科教学质量下滑的及时纠正，也是对新时代本科教育内涵的精准判断和把握，更是响应国家“双一流”建设战略部署的积极举措，因此得到了高等教育界的广泛响应，全国各高校都积极地探索和实践着各类“金课”的建设。

结合近两年的实践探索，本文试着梳理总结我们在建设虚拟仿真实验“金课”过程中的体会与经验。

一、建设虚拟仿真实验“金课”的必要性

众所周知，实验教学是本科课程的重要组成部分，对培养学生理论联系实际的动手能力、面对综合复杂问题的分析解决能力具有不可替代的作用，也是培养创新创业领军人才的有效路径。然而现实中的课堂实验又是很容易被轻视的教学活动，其教学效果一直原地徘徊难有提升，究其原因有以下几点。

（一）教学流程陈旧落后，缺乏创新活力

理想的实验教学应该立足于激发学生的创造性思维，促进学生的自我领悟，提升学生的科学研究素养。这就要求教学必须以学生为中心，通过实验操作引导学生经历个性化的思维过程，体验多样化的认知历程，并能够在交流合作中融合不同的观点，学习多样的技巧，以达到对实验结论的真正理解和运用，从而重构自己的经验，形成自己的行动策略。

一些高校的实验教学形式上还是普鲁士大班制，一个班多则三十人少则十余人;内容上大多为验证性经典实验，极少创新性实验;流程上延续教师主讲、学生模仿的模式;考核上仍以实验报告为主，缺乏真实的过程性评价。这样的实验课堂落后低效。

（二）部分教学对象主体意识不强，动手能力较弱

部分大学生在经历了多年的应试教育后，在其思想深处不自觉地形成了重视文本理论学习的认知，认为考试分数才是最重要的，至于学习的过程中自己是不是真实有效地得到锻炼并不重要。个别学生缺乏学习主体的意识，学习上随大流，欠思考，以敷衍应付为主要方式，将本应该丰富多彩、交流碰撞、争论提升的大学生活，硬生生地退化为浑浑噩噩、刷分过关的低效历程。

同时，少数大学生因成长在物质相对丰富的时代，养成了只需关心学习、提高考试成绩，不关心思考身边事、窗外事的习惯。在家庭中，他们的生活事务由家长包办代替，在学校里只需写写算算，始终缺乏面对实际问题独立实践、克服困难的经历。这就导致一部分学生缺乏基本的动手操作能力，对一些常见的基本的实验工具都不知从何入手，更谈不上熟练掌握。这种情况下，教师一旦放手让这些学生做实验，这些学生必然错误百出，挫折感频生，也就很难谈得上实验技能和思维能力的培养了。

（三）教学手段更新迭代缓慢，难以适应现代教育科技的发展[4]

传统的大学实验课程容易形成大家一起跟着教学流程走过场的现象。殊不知现在的学生作为伴随网络而生的线上原居民，对这种乏味的灌输式教学已经产生了麻木的态度。试问这样的实验课堂如何能激发学生思维、培养学生能力？

随着现代教育技术的发展，教学方式的更新迭代可以说日新月异。从虚拟现实技术进化为增强现实技术，教育技术的人性化程度越来越高，也越来越为教育的受众所接受。虚拟现实技术采用三维仿真生成逼真的视觉、听觉、触觉一体化的虚拟实验情境，让用户对虚拟环境中的对象进行交互操作，从而体验接近真实的实践感受。增强现实技术利用计算机产生的附加信息，对用户看到的现实世界进行增强，在不将用户与周围环境隔离的前提下，将计算机生成的虚拟信息叠加到真实场景中，从而实现对现实感觉的增强。这样的教育技术在高等教育的逐步应用，必将改变传统授课模式，打破传统实验教学时间和空间的限制，展示了现代信息技术发展带来的便利[5]。

教育部吴岩司长曾经指出为什么要建设虚拟仿真“金课”—— 因为我们看中了“互联网+ 教育”之后的“智能+ 教育”。信息技术、智能技术与实验教学的深度融合破解了高等学校实验、实习、实训中的老大难问题，解决了原先“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的问题[2] 。

二、建设虚拟仿真实验“金课”的探索与实践

作物栽培学是农学专业的核心基础课，教学过程不仅需要学生理解作物的生长发育过程、熟悉决定作物产量品质的关键发育阶段、掌握作物生长分析相关的理论知识，而且需要学生在实验教学中掌握作物生产、试验研究必要的基本技能方法，进而能根据实际生产的具体情况，提出解决问题的方案，以训练学生综合运用理论知识的能力。

掌握水稻叶片与器官生长发育同伸规则，是作物栽培学理论与实践的基础。但在实验教学过程中，受水稻生长周期长带来的实验时空跨度大、微观结构进程实时观测难度高等客观因素的影响，学生无法很好地参与整个过程，这很大程度上制约了学生实践能力、创新能力、综合能力的培养。我们借助计算机三维建模技术、虚拟仿真技术，建设了一套“水稻生长发育虚拟仿真实验”，以叶龄进程为主线，展现包括种子萌发、分蘖、拔节孕穗等各时期的教学难点，让学生掌握叶片与器官生长发育同伸规则，并熟悉相关诊断实验。再结合相应的实体实验，利用“虚实结合、虚实互补” 的实验教学形式，让学生对水稻整个生长发育期形成整体认识，这样能够激发学生的兴趣，启迪学生思维，提高学生的实验实践能力。

在项目建设过程中我们着重从以下四个方面改进传统的实验教学[6]。

（一）“聚焦重点、攻克难点”，实现线上线下融合式教学

对于水稻种子的微观结构及萌发过程、幼苗期种子胚乳淀粉物质消耗、根系结构、幼穗分化进程等，学生借助光学显微镜往往只能看到微观结构的二维形态，无法精准构建出真实的立体器官结构，也就不能准确理解水稻生长发育周期中所发生的形态、结构和位置的动态变化进程，导致自身知识理论的领悟无法取得满意的效果，成为传统实验教学的瓶颈。

显微技术与虚拟实验相结合，依据高性能显微镜的观测结果，结合3D虚拟仿真技术，构建可交互的三维动画模型，使不易观察的教学内容精细化、定格化、互动化，对教学的重点、难点还能进行局部放大、立体动态展示，这彻底改变了传统课堂依靠理论推演阐释的现状。学生可在虚拟环境中对实验对象进行多视角观测与结构拆解，反复观察揣摩实验内容，了解其微观结构，掌握其生长发育过程。

例如：胚的结构认知的教学（见图1）。

胚位于稻种内部糙米上，由卵细胞的卵核与精子受精后发育而成，是新的有机体的原始体。在虚拟实验中学生可使用鼠标多角度观察胚的结构，点击部位上的序号进行学习，掌握胚的结构组成：胚芽鞘、幼叶、胚根、胚根鞘等。然后进行实体显微镜解剖观察，两相对照不仅提升了学生对种子微观结构的认知，而且有利于学生掌握胚的萌发与营养物质消耗过程。

这种线上线下融合式教学，能有效克服教学难点，提升实验教学的效果。

（二）“虚实结合、以虚促实”，助推学生个性化自主学习

由于水稻属于大田作物，实验教学不仅在实验室，更多的时候还要走向田间地头。在现有的大班教学体系下，学生的学习过程基本是自上而下接受式的，实验操作过程也多是按部就班的模仿为主，缺乏个性化的有效指导，实验教学效果一直不佳。借助于虚拟仿真平台，采取“虚实结合、以虚促实”的教学形式，可以让学生先通过虚拟实验完成基本训练，获得沉浸式实践体验，配合师生、生生的实时互动，克服实验过程中的个性化困难。教师也可以通过管理后台收集反馈信息，有针对性地进行个性化点拨。这样不仅能提升学生对理论知识的领悟程度，还能有效提高学生综合实践与创新能力，促进实验教学效果的提升。

例如：观察叶节同伸的教学（见图2）。

同伸规律揭示的是作物生长的动态过程，田间观察只能实现某一时间节点的发育形态，学生难以形成整体认知。在虚拟仿真实验中可以实现动态展示叶片的生长发育过程，将叶片与节间发育进行对应放大，清晰展示叶节同伸过程，拖动进度条，还可定格观察主茎叶片生长、内部节间发育及某一节间微观结构变化的动态过程。学生可从整体与局部两个角度掌握叶节同伸规律，理解判断某一节间生长状态的方法要领。

由于学生对各关键生育期的主要器官发育进程理解有差异，存在个性化的困难，我们就利用3D仿真技术实现水稻生长发育的三大时期的精准虚拟呈现，包括叶片、分蘖、根、茎秆、幼穗等都可以进行立体观察与结构拆解，帮助不同学生对这一教学重点、难点进行领悟与掌握。 这种先通过虚拟实验完成演练，并在虚拟操作中不断修正夯实实验操作技能的新型学习模式，不仅能提高学生的实验成功率，而且有助于实验课堂的高水平重建。

（三）“长时实验仿真虚拟化”，推进学生沉浸式探究学习

水稻生长发育周期长，受环境影响大，学生跟踪观察难以实现，所以传统实验教学经常由于时空条件、气候因素、观测样本的生长情况、教学课时限制等的影响，无法保质保量地完成教学计划。

运用三维动画模拟技术，将原本需要按4～5个月水稻生长周期学习的知识与实验操作浓缩在4个课时内，利用3D虚拟仿真技术展现水稻从种子萌发、根系生长到分蘖盛期的动态全过程。学生通过虚拟实验可以观测完整过程，实现对水稻生长发育过程的生物学特征认知，提升对理论知识的领悟水平。这有助于学生掌握叶龄诊断方法，为水稻穗肥的正确施用和杂交制种父母本花期预测提供技术支撑。对掌握不好的难点，学生还可以反复训练或设计实验，从而提高自身的实验技能及创新能力。

例如：观察稻种萌发的教学（见图3）。

从种子萌发至三叶期，为水稻的幼苗期。这一进程历时较长，且为微观进程，难以观察。教师可利用虚拟仿真技术虚拟胚的萌发与营养物质消耗过程，呈现种子萌发过程的生理变化。在虚拟操作中拖动进度条，学生可学习稻种萌发与幼苗生长具体过程，理解稻种内部胚乳淀粉物质供给稻种生长的过程;点击“观察根系结构”按钮，可以局部放大，从而清晰观察该时期的根系结构。

通过虚拟仿真实验系统，学生可打破时间、空间限制，随时、随地进行重复实验，进行基于虚拟实验平台的沉浸式学习，有利于重新构建便于教师教、学生学的新型本科课堂，打破传统实验教学受地域、时间、样品量及体力等的限制，能使学生主动学习的欲望更强烈、实验操作的兴趣更浓厚、知识体系更加完备、实验技能得到更有效的提升。

（四）“教学反馈实时化，教学指导个性化”， 实现立体互动式教学

传统的实验课堂由于建立在大班教学基础上，一直存在“一管就死，一放就乱”的尴尬局面，师生互动、生生互动难以切实有效地开展;教学信息的采集也是基于督导听课、问卷调查、个体访谈等方式进行，学情信息的准确性、实时性、反馈的针对性均难以让人满意。借助虚拟仿真技术平台管理功能，能够实时跟踪记录学生学习的情况;通过在线虚拟操作、提示反馈和问答讨论等模块，能够记录学生的参与情况、指导学生的操作过程和评价学生的实验效果。后台管理的“在线交流”模块能够提供实时在线交流，分享实验心得，克服实验困难，达成“人机人”立体互动的实验教学效果。平台数据收集模块还能实时记录完整全面的学情信息，统计输出汇总的结果。

全员无遗漏的学情统计报表，是一线教师重要的教学资源，它能有效地帮助教师改进自己的教学，并能有针对性地为学生提供个性化的专业指导。建立在全面精准学情之上的课堂教学必然更贴合学生的实际需求，更有针对性地提高学生的能力，也就更能吸引学生，从而有效地达成实验教学的目标，完成学生科学素养的培育。