融合虚拟仿真技术的空间探测类课程实践教学改革探析

摘  要：当今全球正处于新技术革命与产业革命蓬勃发展的重要时刻，深空探测是未来国际科技竞争的主战场，深空对地观测是深空探测的重要组成部分。同时，科技发展的迫切需求对高校培养合格的空间探测人才提出更高的要求。然而，在实际教学过程中，绝大部分空间探测类的相关课程，由于地域因素及实验硬件条件等诸多限制，主要以理论教学为主，学生缺乏实际操演，容易形成“空壳化”的教学效果，往往形成理论与实践脱钩，并最终导致进入社会后无法适应高标准的专业岗位需求，原有教学内容和教学手段亟需“换代升级”。针对以上问题，该文提炼理论“突破点”，提出融合虚拟仿真技术的实验教学改革方法，以实践教学反哺并“强制升级”理论教学，达到理论与实践的高度结合。同时，扩大过程化考核比例，将结果性考核与过程性考核有机结合，努力提高学生的积极性和参与度，让学生真正学有所获，学而致用，让学生能够为将来走上工作岗位打下牢固的专业基础。

关键词：虚拟仿真；空间探测；反哺教学；教学改革；过程性考核

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2025）06-0148-04

Abstract： Today， the world is at an important moment when the new technological and industrial revolutions are developing vigorously. Deep space exploration is the main battlefield for future international scientific and technological competition， and deep-space-earth observation is an important part of deep space exploration. At the same time， the urgent needs of scientific and technological development have put forward higher requirements for colleges and universities to cultivate qualified space exploration talents. However， due to geographical factors and experimental hardware conditions and many other limitations， most space exploration related courses are actually theory-based teaching. Students lack practical exercise， which easily results in "empty shell" teaching. As a result， theory and practice are often decoupled， and eventually lead to the inability to adapt to high-standard professional job requirements after entering society. The original teaching content and teaching methods are in urgent need of "upgrading". In response to the above problems， this paper refined the theoretical "breakthrough points" and proposed an experimental teaching reform method that integrates virtual simulation technology， using practical teaching to feedback and "forced upgrade" of theoretical teaching to achieve a high degree of integration of theory and practice. At the same time， we expanded the proportion of process-based assessments， organically combine result-based assessments with process-based assessments， and strive to increase students' enthusiasm and participation， so that students can truly learn something and apply what they have learned， so that students can work for the future and lay a solid professional foundation for the position.

Keywords： virtual simulation; space exploration; feedback teaching; teaching reform; process assessment

当今全球正处于新技术革命与产业革命蓬勃发展的重要时刻，深海、深地、深空和深蓝既是创新最活跃的领域，更是国家科技发展战略的重要组成部分[1-2]。其中，深空探测是未来国际科技竞争的主战场，而深空对地观测是深空探测的重要组成部分。经过多年努力，我国已经初步形成深空对地观测业务体系，但同时也面临许多问题，如卫星应用体系建设相对滞后，卫星数据应用效率低，共享机制不够完善等。除此之外，空间探测技术人才储备不够及专业素质不够高，致使个别领域的发展显得后继乏力。而高等院校作为国家专业人才培养的主阵地，科技发展的迫切需求对培养合格的空间探测人才提出了更高的要求，因此，对原有教学内容和教学手段进行“换代升级”就显得尤为迫切。

以成都理工大学（以下简称“我校”）为例，作为老牌地学强校，学校早已在深空相关专业设置上进行了布局，如我校目前已开设空间科学与技术、行星科学等本科专业，并在培养方案中设置了空间探测原理与技术、对地观测技术与方法、地球与空间探测数据处理方法等多门空间探测类专业课程。但实际上，我校绝大多数此类课程，由于地域因素及实验硬件条件等诸多限制，主要以理论教学为主，学生缺乏实际操演，容易形成“空壳化”的教学效果，即学生往往只为应付考试，缺乏上课积极性与参与度，往往理论与实践脱钩，并最终导致进入社会后无法适应高标准的专业岗位需求。

随着虚拟仿真/现实技术的迅速发展，虚拟仿真教学逐渐成为高校实验课程建设的一个重要环节，也是未来实验教学改革的一个主要发展趋势和重点突破方向[3]。在前期教学过程中，针对以上问题，我们的教学团队比较注重对此类课程实践（实验）新方法/手段的探索和尝试。因此，我们以此次教育改革为契机，在目前开设的空间探测类课程中，尝试提炼理论突破点，融合虚拟仿真技术，以实践教学反哺并“强制升级”理论教学，达到理论与实践的高度结合。同时也加强过程性考核，提升学生积极性和参与度，让学生真正学有所获，学以致用，为将来走上专业岗位打下牢固基础，以期能够以点带面，全面完成教学内容和方法的升级。

一  空间探测类课程教学现状及存在的主要问题

（一）  课程教学现状

空间探测类课程是空间科学相关专业的核心课程，系统介绍不同的空间探测技术/手段的原理和目标，让学生掌握当前空间探测技术的发展现状和最新成果。但是，由于地域因素及实验硬件条件等诸多限制，当前课程讲授主要以理论教学为主，学生缺乏实际操演，毕业后亦无法适应高标准的专业岗位需求。显然，传统的教学模式已经无法满足本科教学及社会的需求，引入新的教学方式就显得尤为迫切。

（二）  存在的主要问题

1  理论脱离实践

由于空间探测设备及技术的特殊性，除少数顶尖高校外，绝大多数高校无法保证相应的实验场地及设备等硬件条件，这样就导致实践教学模式单一，往往以简单的实例剖析或验证分析等形式开展，造成理论与实践严重脱离。一旦学生脱离了实践，就会导致其无法深入理解并运用相关理论知识，最终也无法适应本行业高标准的岗位需求。

2  结果性考核，未能全面完成课程目标

课程考核应以课程目标为导向，但主要以结果性考核考察学生对知识点的掌握程度，往往造成的是学生对理论知识的片面理解。同时，考核成绩也并不能完全体现学生对理论知识点的掌握情况，通常只是备考期间对知识点的瞬时记忆，这样就导致开设此类课程价值的降低，学生也无法真正消化吸收理论知识点，更不能理清理论与实践的逻辑关系。

3  教学方法运用不当，教学效率偏低

空间环境的诸多概念和我们日常生活的经验认识相去甚远，学生往往缺乏直观感受，对学生而言，要充分理解课程的理论知识需要较强的想象力[4]。目前的教学仍以教师讲授为主，学生被动听课，两者互动不足。虽然近年来网络及多媒体技术在课堂教学中得到了广泛运用，但相应生动直观的辅助手段依然比较缺乏，导致课堂教学中教师教得辛苦，学生学得吃力，教学和学习效率都不高。

随着信息技术的迅速发展，传统的教学模式已经无法适应新时代的专业教学及社会需求。因此，虚拟仿真实验技术为这种亟需改革的教学模式提供了新的方向，它既可以延续传统课堂教学的优势，还可以突破实验场地和设备的限制，通过虚拟实践增加课程教学的深度与广度[5]，让学生在实验中夯实课堂理论知识。

二  虚拟仿真实践教学的教学思路及过程

（一）  拟解决的问题

针对多数空间探测类课程长期缺乏实践教学的实际问题，我们力求破除地域因素及硬件条件等诸多限制，融合最新的虚拟仿真技术并进行本地部署，改变长期以来依靠理论教学的现状，以促成实践（实验）教学方法/手段的升级并反哺和“强制升级”理论教学，以期达到理论与实践结合并相互促进的教学效果。同时，在教学过程中扩大过程性考核比例，跟踪学生对理论知识点的掌握情况，因材施教。最终，提高学生的专业素质水平以满足社会发展的实际需求。

（二）  课程教学改革步骤及目标

通过现有的理论课程帮助学生了解空间探测技术的理论知识及空间环境与人类生存之间的关系等。针对原有课程体系下存在的问题，即缺少实践环节，综合提炼可融合虚拟仿真技术的理论“突破口”，进而以此部署对应的虚拟仿真实践系统。以现有的课程体系为主，通过虚拟仿真的实验内容进行交互，做到以实践反哺理论教学并完成课程体系的升级，丰富课程内容并最大限度地调动学生学习的参与度和积极性[6]。

1  针对性地提炼可融合虚拟仿真技术的理论“突破口”

随着人们认知能力的不断提高、深空对地观测体系轮廓的不断呈现、空间探测相关内容的不断充实，仍然按照传统的教学模式已经无法满足学生的需求，应将现有的课程体系与科学的虚拟仿真技术相结合，交互式前进，由理论课程的教学针对性地提炼可融合虚拟仿真技术的理论“突破口”，梳理更新课程大纲，为部署虚拟仿真实践过程做好准备。

2  根据提炼的理论“突破口”，实现虚拟仿真软件（或平台）的本地部署

通过对空间探测类课程的教学过程进行分析，提炼出两个关键的理论突破点，即空间对地探测技术和空间环境及其效应。其中，对空间对地探测技术理论的学习需要令学生逐步掌握空间对地探测技术的原理和目标，对空间环境及效应的学习需要令学生掌握空间环境的状况及对空间探测器飞行安全的风险评估。根据上述需求，进行技术可行性研究，并结合教学大纲优化实验细节，完成软件（或平台）的本地部署，最终通过实践教学测试以达到后续教学要求。