新工科背景下虚拟仿真实验教学在人才培养中的应用

容强　张思卿

摘 要：新工科改变了传统以技术划分专业的模式，取而代之的是依照行业特性和应用需求设置专业，设计与行业需求所适应的专业教学体系。文章以虚拟仿真实验教学课程设计为切入点发现大学实验课程存在一些问题：实验方法与内容单一，学生积极性不高;综合性和设计性实验实施受阻;学生缺少探索的动力;实验教学资源配置造成浪费。为培养符合新工科建设背景的合格人才，构建高效的虚拟仿真实验，可以推进新型技术与高校实验教学项目的有效结合，提升实验教学质量和水平，从而保证“新工科”实践教学的有效应用。

关键词：新工科;虚拟仿真实验;资源配置

新工科的研究与实践是探索适合复合型人才培养的热点话题与研究前沿，我国高等教育改革发展进入了一个新的时期，迫切需要加快建设“新工科”，在习近平总书记强调“围绕培养什么人、怎样培养人、为谁培养人”这一根本问题上，如何培养具备跨学科交叉融合能力、创新实践能力的技术人才也是新工科设计与研究的首要问题[1]。认知实践学习在高校复合型人才培养流程中是极为重要的一项教学环节，是综合理论知识学习阶段的延伸与拓展，是实践操作和真实生产操作的加油站和蓄能池。

一、传统大学实验课教学存在的问题

新工科背景下，人才的培养要紧紧围绕产业链、创新链展开，“以人才需求建专业，以技术更新改内容”，把产出导向作为衡量毕业生的重要标准[2]。目前高等教育越来越重视对大学生实践能力的培养，实验教学在人才培养中也占有非常重要的地位，但也有一些高校随着教学实验项目和生源的增加，原有的实验仪器和场所已无法满足学生对新知识的需求，在实验教学和学生实践认知操作上也慢慢凸显出来不足，传统实验教学还存在资源分配不足、实验内容与方法过于单一、实验设备利用率低等诸多问题。

1.实验内容和方法单一，学生被动做实验

在传统实验教学中，实验课只是验证理论教学中所讲的概念、数据或定理公式，实验内容较简单;实验形式较单一，实验班级的学生基本上是统一做相同的实验内容;在实验中学生基本上是按照教师所规定的步骤或方法一步一步完成实验，学习方法比较被动，学生缺乏独立思考，不能有效调动学生的主观能动性。

2.学生缺少探索的动力和对专业知识的认知关联

在传统实验教学中，往往学生只理解了某个单一问题的处理方法，而无法掌握和理解这项实验在整个系统中的作用以及实验知识点之间的相互关系。另外，由于学生水平的差异，对实验的认知程度也大不相同，教师需要针对学生特点，具体分析、挖掘潜力，引导学生加强创新思维和提高自身科研素质。

3.开展综合性、设计性实验受阻

对于给定实验目的要求和实验条件，由学生自行设计实验方案并加以实现的设计性、综合性实验，在实施中也存在实验设备不达标、师生配比低、实验学时分配不足等问题。

4.资源配置流于形式

现在还有部分高校实验建设体系不到位，各专业实验课程开设不足。学校虽然也购进了大量比较先进甚至是一些高水平的实验设备，但是并没有充分利用，可以说有许多就是“面子工程”。另外，为了简化管理，许多高校的实验室只是在上实验课的时候才对学生开放，而其他时间关闭，这就造成了资源的浪费，实验设备利用率低。

二、新工科背景下虚拟仿真实验教学的应用探索

虚拟仿真实验教学是“新工科”实践教学的有效实施，是信息技术与学科专业的高效结合，建设信息化实验教学资源、提高学生的创新能力和实践水平，也是我国高校实验教学的发展宗旨。构建高效的虚拟仿真实验教学，拓展高校实验教学内容深度和广度，推动实验教学整体质量水平的提高，形成开放的、共享的、有效的高校信息化实验教学新体系，从而实现高校对复合型、新技术人才培养的教学转型。下面以模拟实际化学工业生产过程的实验教学为例探索三维虚拟仿真实验在人才培养中的应用。

1.知识内容丰富，细节展示清晰

虚拟仿真实验设计以“以学生为中心、任务为主导、体验为引领”的实训理念，通过三维虚拟仿真技术，对化工生产设备装置中的各种设备装置、工艺管线、反应仪器、控制中心以及安全设施等场景进行三维建模，将实际化学工业生产过程中的真实场景以VR技术进行形象逼真地呈现，使学生在实验学习中有较强的沉浸感。

2.多学科交叉融合

仿真实验符合多学科交叉融合理念，支持基本概念、化工设备、产品工艺、安全环保等四级认识实习内容，涵盖化工、安全、设备、环保、自控等上百个生动形象、系统专业的知识点，有丰富的知识点素材。

3.可自定义教学内容

实验相关知识点可自定义编辑，任课教师能够根据自己教学要求，自行添加或删除知识点内容，使学生的实践过程更加便捷、高效，满足个性化需求。

4.实验运行设备工作状态可透视

虚拟仿真实验可利用VR技术，360度动态展示设备的外部形态、内部结构、工作原理，可以进入设备内部观察设备工作状态及工作现象，进行互动式设备拆装体验，使学生对工艺流程有更真实、直观的理解。

5.提升学生综合能力测评

实验基于学习产出的教育模式（OBE教学理念），按照“结果导向”和“能力导向”让学生在实验中熟悉化工生产过程，掌握工艺要点的同时，进一步帮助学生建立对化工行业、相关职业以及技术专业的基本认知，提升学生的工程素养。

综合测评系统包括理论题测评：除了理论知识的学习，还设置了思考题、问答题，以考查学生学习效果。

工艺流程设计搭建测评：学生需根据工艺流程和原理，自主设计、绘制工艺流程图，使学生将所学知识灵活运用，有效提高创新、实践能力。

安全意识培养与评估：软件包含危险源辨识环节，在生产装置3D场景中設置了多处疑似危险源，并有提示引导学生对疑似危险源进行识别和判断，判断后给出正确的知识点提示，有效培养学生安全意识。

完整的认识实习报告：实验学习结束后，将理论思考题、简答题、工艺流程设计等实习环节，汇总为一份认识实习实验报告，方便教师对学生成绩追踪与备案。

新工科是工程教育发展到一定阶段的必然结果，给传统教学带来了挑战。“新工科”的背景对人才培养提出了新要求、新标准，因此，大学实验课程的建设需进一步加强虚拟仿真技术的前瞻性研究，加强虚拟仿真实验教学体系的研究，以期对新形势下专业人才的培养提供有效路径。

参考文献：

[1]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[2]蒋宗礼.新工科建设背景下的计算机类专业改革[J].中国大学教学，2017（8）：34-39.

作者简介：容强（1971—），男，河南郑州人，副教授，硕士，CCF会员，研究方向：网络安全应用、软件工程、并行计算。