虚实结合的专业课实验教学模式探索与实践

［摘 要］ 针对专业课实作教学实验存在的配套要求高、成本高及风险高等问题，提出构建虚实结合的实验教学模式。在实验教学内容体系方面，合理设计与分配虚拟实验项目与实作操作实验项目，层次之间逐步递进，相互促进；在教学组织方面，坚持以高阶能力培养为核心，重构实验教学活动。以“精确制导原理”课程为例，开展了实验教学体系建设实践，结果表明实验教学效果良好。为适应培养高素质、专业化新型人才的要求，提出对专业课程实验教学模式进行改革，构建虚实结合、层次递进的实验教学内容体系，以提高学员的实践动手能力和创新能力。

［关键词］ 专业课；虚实结合；实验教学；层次递进；创新能力

［基金项目］ 2022年度湖北省高等学校实验室工作研究会项目“水中兵器类虚拟仿真实验教学资源建设研究”（2022B037）

［作者简介］ 张林森（1982—），男，湖南邵阳人，博士，海军工程大学兵器工程学院讲师，主要从事水中兵器动力与总体技术研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）08-0105-04 ［收稿日期］ 2023-11-17

实验教学是高等院校课程教学，特别是专业课教学的重要组成部分，是创新人才培养的重要途径［1］。专业课实验有一部分配套要求高、成本高、风险高和实施难度大的实验，实验教学不可避免地面临做不到、做不了和做不好等难题。随着信息技术和虚拟技术的发展与进步，各种虚拟仿真实验（平台）在地方院校各课程中获得了广泛应用［2-3］。利用虚拟仿真技术开展实验教学，可以拓展教学内容的广度和深度，延伸实验教学的时间和空间［4］，较好地弥补了传统实作实验的不足。

一、专业课实验教学的现实困境

（一）场地配套要求高

部分专业课实验教学需要具备一定的场地条件，如大型工房、消声水池、桁车、台架等设施。这些场地配套要求高，建设难度大，限制了实验教学的开展。

（二）实验教学设备单套价值高昂

专业课许多实验设备，特别是实装教学设备单装价格昂贵，如果自购需要院校投入大量资金，大部分设备只能依靠调拨渠道解决。

（三）部分实验项目属于高危实验

部分专业实验，如炸药水下静爆实验、水下发射外弹道实验、火工品测试等属于高危实验，实验成本高且潜在较高的人身设备安全风险，院校基本不具备开设实作实验的条件。

（四）实验教学模式单一，学员实践能力不足

目前院校实验教学模式仍停留在传统的实作实验模式［5］，对于一些影响因素多、各因素之间的关联关系复杂的实验项目，现有的单一形式和单一参数调整的实作实验结果，无法全面反映实验对象与各影响因素的关系，且学生在实验中缺乏主动性和探索性。

上述问题的存在，客观上制约了相关专业课程实验教学的开展，部分内容只能依赖单纯的理论讲授，导致学生对所学知识缺乏感性认识，理论与实际脱节，创新能力得不到培养和挖掘。

二、虚实结合原则下的专业课实验教学模式

虚拟实验是一种基于计算机仿真的实验方法，已在多个领域得到广泛应用［6］。它通过建立虚拟环境和模型，模拟现实世界中的实验过程和现象［7］。虚拟实验技术在弥补或解决实作实验“地点不可及、时间不可及、成本不可及、复杂度不可及”等方面具有明显的优越性［8］，将其引入专业课实验教学过程中，可解决当前实验教学面临的难题。但虚拟实验毕竟不同于实际动手操作，无论仿真度多高都不能完全替代实作实验［9］。因此，必须结合专业课程情况及虚拟实验的优势，构建虚实结合、层次递进的实验教学模式。

（一）坚持虚实结合、层次递进，构建实验教学内容体系

结合实验室建设情况和现有教学资源，提出专业课虚实结合、层次递进的实验教学体系。这个体系包含专业基础实验、应用拓展实验和综合创新实验三个层次，合理设计与分配虚拟实验项目与实作操作实验项目，虚实结合，能实不虚，三个层次之间逐步递进、相互促进。

1.专业基础实验旨在提高学员的科学素养和学科专业基本素养，主要由专业基础课程实验、部分专业必修课程的基本实验组成。专业基础实验除了个别现实无法达成的项目外，主要由实作项目构成。通过亲自动手操作、观察和记录实验现象，加深学员对相关专业知识基本概念和基本原理的理解，从而达到夯实学科专业基础的目的。

2.应用拓展实验旨在培养学员未来工作所需的工程实践能力和解决问题的能力，主要由专业必修课程的综合实验和各种想定作业等组成。实验内容是要求设计完成一定功能的系统、装置或综合运用所学知识解决工程实际问题。应用拓展实验由虚拟实验项目和实作实验项目共同构成。应用拓展实验递进于专业基础实验，通过完成应用拓展实验，促使学员综合运用所学专业知识解决问题，锻炼他们的系统思维和工程实践能力。这个过程中的分工合作还可以培养学员的团队精神，从而为学员提供更深入的实验学习体验。

3.综合创新实验旨在锻炼学员独立探索和解决问题的能力，提高其创新思维，增强其创新意识。主要由课程综合设计、学科竞赛和科研训练等组成。在这一层次的实验项目中，虚拟实验和实作实验是交替运用的，一种常见的虚实结合的实验方式是“虚拟实验探索+实作实验验证”。相对于前面两个层次的实验，综合创新实验为学员提供了更加开放、自主和具有挑战性的实验学习机会。通过创新性地解决实际工程问题，培养学员的科学思维，进而提高学员的创新能力。

（二）坚持“学为中心”，改革实验教学组织实施

传统实验教学通常是教员掌控整个教学组织过程，学员缺乏主动性和积极性。为突出学员综合能力素质的培养，坚持“学为中心”，以高阶能力培养为核心，重构实验教学活动，从以下四个方面进行实验教学模式方法改革：一是充分利用虚拟仿真实验项目和网络技术，通过虚拟实验系统、慕课、微课等资源实现实验在线自主预习；二是虚拟实验通过自主设计实验方案步骤、绘制思维导图、在线提交实验设计方案、自主完成实验过程等，提升学员的自主探究学习能力；三是引导并指导学员在课内课外广泛开展各类实验实践，培养锻炼学员的自主研究能力和独立分析解决问题的能力；四是鼓励和指导学员广泛参与相关学科创新竞赛，全方位培养锻炼学员综合运用所学知识解决实际问题的能力和创新能力。构建的虚实结合的专业课实验教学模式如图1所示。

三、实验教学模式的实践案例

（一）实施过程

“精确制导原理”是海军工程大学开设的一门必修专业背景课程，课程内容涵盖各种寻的制导、遥控制导和复合制导等制导方式的基本原理、方法和主要技术手段，详细介绍雷达、声呐等制导探测的基本理论、方法和应用。为了强化能力生成环境，突出信息化特征。课程基于上述虚实结合、层次递进的实验教学模式，按能力培养需求，提高了实验教学条件。针对信号检测相关基础理论教学，研制了正交接收机综合实验装置和雷弹制导天线阵列空间处理虚拟仿真实验系统。针对制导技术原理学习，利用实装二次开发或者专门研制了6个制导技术应用实验系统。这一系列虚实结合的课程实验教学设备，覆盖了信号检测与估计基础理论，信号空间处理，声呐寻的制导、雷达寻的制导、激光和电视寻的制导等多种制导方式，实验内容包括基础实验、自主研究实验、综合设计实验等多种类型。目前课程教学计划中开设了8项实验（如表1所示），其中有3项为专业基础实验，5项为应用拓展实验。专业基础实验全部为实作实验，应用探索实验包括2项实作实验和3项虚拟实验。

应用探索实验中的3项虚拟实验是依托国家虚拟仿真实验教学项目“雷弹制导天线阵列空间处理虚拟仿真实验”系统实现的。虚拟实验系统整体架构设计遵循知识递进和学员的认知规律，实验内容紧贴学员任职能力需求，教学策略设计为以知识点为牵引的、层次递进的探究式教学，培养学生的高阶思维和综合能力。雷弹制导天线阵列空间处理虚拟仿真实验教学平台如图2所示。

在综合创新实验层面，课程组依托大学兵器工程实践俱乐部和大学创客空间，指导学员深度参与水下机器人大赛等4类学科创新竞赛。通过这类挑战性强的学科竞赛锻炼，形成以学生为主体的交互式学习氛围，进一步激发学生的学习热情，培养学生解决复杂问题的综合能力和高阶思维，提升其创新实践能力。

（二）实施成效

通过虚实结合、逐层递进的“精确制导原理”课程实验教学体系的建设与实践，实验装置与虚拟实验系统设计理念先进，启发性、创新性强，在改善课程教学效果、提高学员能力素质方面效果显著。课程组研制的配套实验设备“正交接收机综合实验装置”2018年获第五届全国高等学校教师自制实验教学仪器设备创新大赛一等奖，可开展3项基础实验、自主探究实验和综合设计实验；课程组研制的“雷弹制导天线阵列空间处理虚拟仿真实验”系统获评2020年度国家级一流本科课程。课程组完成的“突出能力培养的《精确制导原理》课程改革实践”课题获评2022年度国家级教学成果二等奖。近年来，课程组成员积极指导学员深度参与中国机器人大赛、国际水中机器人大赛、全国海洋航行器设计与制作大赛等学科创新竞赛，多次斩获全国最高奖项。以2023年度为例，课程团队指导学员获第十二届全国海洋航行器设计与制作大赛特等奖1项，一等奖1项；2023年度国际机器人大赛一等奖1项，二等奖1项。

结语

本文构建了专业课虚实结合的实验教学模式，提出了专业课虚实结合、层次递进的实验教学内容体系和坚持“学为中心”的实验教学组织实施方法，并以“精确制导原理”课程为该教学模式的实践案例，分析了按照这种模式开展教学的建设成效。通过虚拟实验教学与实作实验教学的综合运用，教员指导实验的针对性更强，授课效率更高，有效提升了课程实验教学效益；学员参与实验的自由度和主动性得到了大幅度提升，实践动手能力得到加强，取得了良好的实验教学效果。

参考文献

［1］雍成纲，耿辉，赵云峰，等.军队学历教育院校指技融合培养模式研究［J］.高等教育研究学报，2014，37（3）：61-66.

［2］梁占红，廖晓辉，胡玉霞，等.基于虚实结合的电路实验混合式教学探索与实践［J］.实验科学与技术，2022，20（6）：89-92.

［3］郭婷，杨树国，江永亨，等.虚拟仿真实验教学项目建设与应用研究［J］.实验技术与管理，2019，36（10）：215-217，220.

［4］宁方立，王琳.虚实结合的机械设计实验教学方法［J］.实验室研究与探索，2017，36（2）：165-167.

［5］刘怡昕.关于兵器科学与技术学科发展的思考［J］.南京理工大学学报，2017，41（5）：545-549.

［6］周闯，王健，李小红，等.新工科“虚实结合学践研创”实践教学体系的构建与成效［J］.农产品加工，2023（2）：114-117.

［7］戴亚虹，李宏，邬杨波，等.新工科背景下“学践研创”四位一体实践教学体系改革［J］.实验技术与管理，2017，34（12）：189-195，225.

［8］熊宏齐.国家虚拟仿真实验教学项目的新时代教学特征［J］.实验技术与管理，2019，36（9）：1-4.

［9］张乃龙.虚实结合仿真实训平台的建设与实践［J］.教育教学论坛，2023（2）：109-112.

Exploration and Practice of Experiment Teaching Mode of Professional Courses Based on Combination of Virtuality and Reality

ZHANG Lin-sena， ZHAN Guo-qiangb， WANG Penga， WANG Kuib

（a. Department of Weaponry Engineering， b. Teaching and Research Support Center， Naval University of Engineering， Wuhan， Hubei 430033， China）

Abstract： Aiming at the problems of high supporting requirements， high cost and high risk in the practical teaching experiment of professional courses， an experimental teaching mode combining virtuality and reality is proposed. In the aspect of experimental teaching content system， the experiment items is designed reasonably between virtual experiments and practical operation experiments， and different levels promote each other gradually. In the aspect of teaching organization， the experimental teaching activities are reconstructed with the cultivation of high-level ability as the core. Taking the course of Precision Guidance Principle as an example， the practice of experimental teaching system construction is carried out. The result shows that the experimental teaching effect is good. In order to adapt to the requirements of cultivating high-quality and professional new talents， this paper proposes to reform the experimental teaching mode of professional courses， construct the experimental teaching content system of “combination of virtual and real methods with progressive level”， and improve the students’ practical ability and innovation ability.

Key words： professional courses; combination of virtuality and reality; experiment teaching; progressive level; innovation ability