高校虚拟仿真实验教学改革策略探索

［摘 要］ 近年来，在新工科和新时代高等教育内涵式发展驱动下，高校积极开展实验教学改革研究，虚拟仿真立项数量急剧增加，是一个热点研究方向。对于虚拟仿真实验教学还存在认识不足、硬件条件建设配套不完善和考评机制不合理等问题，从源头做起，紧跟技术发展，深入研究虚拟仿真实验教学内涵，按阶段分节点做好规划，重构实践教学体系，加强虚拟仿真实验建设研究，并从基础硬件、建设过程和开放运维以及考评体系建设来调动学生积极性等方面提出了改革方向和措施。

［关键词］ 虚拟仿真；实验教学；改革；新工科；高等教育

［基金项目］ 2019年度中国地质大学（武汉）实验技术研究项目“校级开放式虚拟仿真实验资源建设体系研究”（SJ-201921）；2023年度中国地质大学（武汉）实验技术研究项目“基于深度学习及嵌入式系统的目标识别实验教学系统研制”（SJ-202310）；2022年度中国地质大学（武汉）教学改革研究项目“基于大数据和云计算的教学信息管理及人才培养质量评估平台”（2022168）

［作者简介］ 彭建怡（1983—），男，湖北麻城人，硕士，中国地质大学（武汉）计算机学院工程师，主要从事人工智能和计算机科学研究；张 敏（1980—），女，湖北武汉人，硕士，中国地质大学（武汉）实验室与设备管理处工程师，主要从事仿真实验技术和实验管理研究；吴湘宁（1972—），男，湖南常宁人，博士，中国地质大学（武汉）计算机学院副教授，硕士生导师（通信作者），主要从事数据科学与大数据技术研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）27-0057-04 ［收稿日期］ 2023-09-15

“中国制造2025”背景下的新工科构建，高校教育更多要从经验分享走向实操实训，这对于高校实验教学提出了更高要求［1-2］。但由于技术迭代迅速、教学条件不足等原因，高校实践教学与社会需求存在一定差异［1-3］。在此背景下，虚拟仿真在高等学校实验教学改革立项急剧增加，应用也日益增多，机遇与挑战并存［3-4］。为了虚拟仿真更好地用于高校实验教学实际，本文先对高校虚拟仿真教学现状进行分析，找出教学中存在的问题，并有针对性地提出教学改革方案，为高校实验教学改革和教学条件建设提供参考。

一、高校虚拟仿真教学现状分析

随着高校实验教学改革不断发展，近年来，国内外许多高校成立虚拟实验室，综合运用3D、AR、VR等技术，开发了多种仿真教学平台，用以开展实验、实训、课程设计、生产实习等实验课程教学，对实验条件、实验成本、交互性和安全性等方面做了有力补充［3］，极大丰富了教学应用模式和应用场景，但也存在不少问题，现从以下几个方面概述。

（一）虚拟仿真教学内涵认识不足

虚拟仿真是一个较为前沿的技术，目前还在不断发展过程中。高校对虚拟仿真教学也存在认识不足的现象，并且与真实实验关系理解不透彻［3-4］。如有人认为实验实践课就要实打实上，这并没有错，但现实是开展虚拟仿真教学是因为现实条件不能满足教学需求，或直接实践教学具有一定危险性，比如驾驶实训，需要一个虚拟仿真教学的过渡阶段。当然还有人“乐观”地认为以后实验教学可全部转为虚拟仿真教学，但实际上虚拟仿真并不能完全替代真实实训，特别是一些对实际动手要求较强的实验课程，如金工实习、手术等。这个情况在疫情防控期间实验教学中得到多次验证，较多的线上教学课程，学生在返校后都进行了一定学时的线下教学“补救”。

（二）虚拟仿真硬件条件建设配套不完善

近年来，很多学校开发了虚拟仿真教学平台和相关课程，但由于虚拟仿真须要运行3D、VR等技术，对于底层服务器硬件要求较高，现有支持硬件平台不太能够满足大量并发访问，由于校外网络的带宽问题，进一步影响了这些虚拟仿真教学实验项目的教学效果和推广。同时，在现有体制教研团队立项虚拟仿真课程后，底层硬件支持主要由教研团队自行解决，并且评上“一流课程”等荣誉后，后续持续开发和维护动力不足。

（三）考评机制不合理

考评机制不合理主要分为两个层级，虚拟仿真教学学生考核认定和授课教师工作评估，这些暂时还没有一个较为统一的标准。对于学生来说，虚拟仿真实验不一定能体现到学业课程成绩里；对于教师来说，指导学生参与的虚拟仿真教学，特别是校外网络上的虚拟仿真教学是课时之外的教学，不一定能被认定为教学学时。以结果为导向的考评体系，严重制约了授课教师和学生参与虚拟仿真教学的积极性。

二、高校虚拟仿真教学改革内容与措施

（一）加强虚拟仿真实验内涵研究，厘清虚拟仿真与真实实验之间关系

虚拟仿真与真实实验的关系问题如前面所述，存在两种观点：一种是虚拟仿真可以大规模替代真实实验；另一种是虚拟仿真在教学中无法取代真实实验的地位，甚至认为完全没有必要。

这些认识都有所偏颇，为了推动实验教学改革创新，须要厘清虚拟仿真与真实实验之间的关系，紧跟技术发展，深入研究虚拟仿真教学内涵，剖析其与真实实验关系。针对实验教学安排，现在基本上达成一个共识就是实验课程安排要遵循“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，虚拟仿真实验尽管有很多优点，但也只能处于补充和辅助教学的地位［3］，并且不同学科应采取不同使用比例［4］，但这个比例如何界定，须要进一步研究。

（二）重构高校实践教学体系

进入21世纪，科技发展迅速，日新月异，对于高校教育来说，人才需求、教学条件、教学手段也在不断更新，这些因素不断推进高校专业和课程教育改革。教育部公布了党的十八大以来，共有265种新专业纳入本科专业目录，新增本科专业布点1.7万个，撤销或停招1万个［5］。同时普通高校一般按照四年一个周期的节奏进行人才培养方案的调整，实践教学体系和课程目标跟随人才培养方案一起调整。实践课程教学组织则可以根据教学实际和年度进行调整。

因此，针对实践教学体系改革，可以从以下几个维度进行：（1）在专业人才培养方案制订修订阶段，根据行业发展和人才需求，修订专业课程和实践课程体系，基本上可以四年左右进行一次调整；（2）专业课程教学组织调整，调整真实实验和虚拟仿真教学比重关系，可以每一学年调整一次；（3）新增专业选修课程，根据技术发展和社会需要，按照一定比例新增专业选修课程；（4）在课程体系调整过程中，须要同步核定课程考核体系，分清实际和虚拟关系比重，才能有效促进虚拟仿真教学改革。

（三）虚拟仿真实验教学课程建设研究

虚拟仿真作为真实实验的有益补充，越来越得到认可。但虚拟仿真实验为什么建，应该怎么建，建设效果如何检验，不同学科建设与检验标准有一定差异，这些问题须要更加深入研究［4，6］。

当前存在的问题包括：（1）对于教育部文件理解不一致，如“条件不具备”“实际运行困难”“高危、高成本、高消耗、不可逆、大型综合”等这些概念怎么衡量。（2）选题不准确，没有从虚拟仿真的技术特点和价值角度进行选题，简单地将常规、直观实验进行虚拟仿真，造成了资源浪费。（3）盲目追求大型实验，大型实验的虚拟化被追捧，基础和小型实验不受重视。

因此，应该认真分析和调研学科研究与发展成果，确认在某些学科实验项目中设立虚拟仿真实验教学项目的可行性。防止出现前期学科研究与发展成果调研不足，导致后期进入实际项目设立建设阶段后，发现建设一个这样的虚拟仿真实验项目的成本与实际意义远远没有建设一个现实的项目实验室来得更有价值，因而导致本末倒置。这就要求我们充分认识与分析设立虚拟仿真实验教学项目在不同学科实践教学中应用的价值与实际意义，认识到并不是所有的学科都适用于虚拟仿真实验教学项目实践。

2020年，虚拟仿真实验教学创新联盟技术工作委员会发布的《虚拟仿真实验教学课程建设与共享应用规范（试用版·2020）》从实验设计原则、仿真模型设计与场景呈现要求、实验过程设计与实验结果分析、实验考核与实验报告设计、教学支持与服务要求、共享应用与用户体验、网络安全与知识产权、研发技术规范等内容进行概要说明［7］。这给虚拟仿真教学课程建设的共性问题提供了指导，试用规范发布以来，国内多所高校将规范作为新建虚拟仿真实验教学课程立项的参考依据。

（四）加强支持平台建设，健全开放与运维管理团队

截至2023年9月，国家虚拟仿真实验教学课程共享平台上共享了国家级一流课程1 194门，省级一流课程1 298门，分为公共课（121）、专业基础课（1 438）、专业核心课（1 805）等。这些课程建设高校提供接口，支持远程调用仿真资源，在线提供基础练习、综合设计和研究探索等实验，大大促进了虚拟仿真课程普及。但是随着虚拟仿真教学热度高涨，截至2022年5月31日，全国共有高等学校3 013所，以平均每个学校每年建设2门课程计算，近5年预计建设了虚拟仿真课程3万门以上，但研发出的虚拟仿真教学系统大都仅供本校部分专业教学使用［8-10］，难以实现大范围内共享，原因在于受技术要求，虚拟仿真实验必须依托高性能服务器资源和开放的网络平台。当前也出现了个别高校“为评而建”的现象，申报时做了大量工作，成果非常突出。但申报或建设成功后，一些虚拟中心却陷入了“僵尸”状态，实验场所关闭，实验设备闲置，达不到应有的效果。

因此，为做好虚拟仿真课程开放与运维，需从以下三个方面着手：（1）课程建设管理单位提供高性能服务器和网络等基础资源，打造虚拟仿真实验“生长土壤”。（2）在课程建设阶段，课程建设组须要充分考虑开放共享，做好顶层设计，保证虚拟仿真实验的顺利开展，鼓励学科专家、教师、学生、软件设计工程师共同参与，采用科学合理的设计方案完成实验项目设计，实现项目教学实践。（3）建立健全虚拟仿真实验项目运维团队，在可能的有限范围内建立起稳定、高效、协同程度高的研发运维团队。

（五）加强考评体系建设，调动教师和学生积极性

考评体系建设分为两个维度，一是学生虚拟仿真实验考评。尽管虚拟仿真所创建的三维画面使知识点更加形象化、生动化，更易于理解，并且沉浸式的操作体验可以使学生更好地掌握相关知识和技能。但线上考核的天然弊端会一定程度地影响考核公平和客观性［10-11］。因此，须要加强虚拟仿真实验考核评价方式研究，设计有一定区分度的考核方案，考核结果要能真正反映知识和技能掌握程度。二是教师参与虚拟仿真实践课程建设与教学的考评。当前虚拟仿真课程建设须要花费大量精力和物力去实施，如果没有很好的政策支持，专业教师很难花大力气参与建设。建成后，由于开展虚拟仿真实验有可能是学生课下进行，这部分任务是否能计入授课教师工作量，也是需要考评政策研究改革的地方。

总之，教师和学生是虚拟仿真教学的两极，唯有调动双方积极性，才能促进虚拟仿真实践教学顺利实施。

结语

在新工科和新时代高等教育内涵式发展背景下，虚拟仿真实验是高等教育信息化的重要内容和实验教学的重要组成部分，是解决高校实践教育中痛点的重要途径之一。为促进虚拟仿真在实践教学中发挥更大作用，须要深刻认识虚拟仿真教学内涵，在重构实践教学体系、课程建设、硬件支持平台和运维团队建设的关键阶段花大力气促进虚拟仿真实验教学建设和改革，并进一步从制度着手，加强考评体系建设，调动教师和学生积极性。

参考文献

［1］张安富.刘超.“中国制造2025”背景下的新工科构建［J］.中国大学教学，2017（9）：21-23+33.

［2］张宁，赵毅强，兰馗博，等.“新工科”背景下关于虚拟仿真实验的几点思考和建议［J］.实验技术与管理，2020，37（3）：185-188.

［3］张敏，刘俊波.对高校虚拟仿真实验教学项目建设的若干思考［J］.中国现代教育装备，2020（1）：10-13.