科教产教双融合共建虚拟仿真“金课”的研究与实践

张 臣， 王苑奇， 罗一帆， 熊建文

（华南师范大学教务处，广州 510631）

0 引 言

虚拟仿真实验教学项目建设符合新时代高等教育改革新方向，是坚持“以本为本”，实现“四个回归”的有效途径，是当前本科教学改革的核心内容之一。自教育部下发《教育部办公厅关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》［1］，提出建设1 000门示范性虚拟仿真实验教学项目，要求各高校积极培育与建设该类项目。2018年，教育部发文要求开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作［2］，要求推进现代信息技术融入实验教学项目、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平。使原来“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的实验实训教学成为可能，积极破解高校实验实训教学的老大难问题。同年底，教育部提出建设中国“金课”，指出国家虚拟仿真实验教学项目即是5大类“金课”之一的虚拟仿真“金课”。2019年，国家虚拟仿真“金课”建设提速，计划3年新增建设1 500门。熊宏齐等［3-11］从宏观层面，系统阐述了国家虚拟仿真项目建设要求的内涵与关系、新时代教学特征、实验教学信息化改革发展等，指导相关教学单位深化虚拟仿真“金课”的认识与思考。然而，对于教师来讲，作为5类“金课”之一的虚拟仿真“金课”该具体建什么、怎么建、如何管、怎么用，成为新时代虚拟仿真实验教学发展与改革的热点问题。

1 虚拟仿真“金课”建设存在的误区

不同于传统虚拟仿真实验项目，虚拟仿真“金课”在建设理念、目标、外延、教学表现等方面，需建设者们重新定位与认知。首先，虚拟仿真“金课”引领树立“智能＋教育”理念，建设优质的信息化、智能化虚拟仿真实验项目教学资源，符合金课教学内容的高阶性、创新性和挑战度“两性一度”的基本特征。其次，虚拟仿真“金课”应坚守虚拟仿真实验本色，具备新时代虚拟仿真项目的“实验内容精彩、构思巧妙、技术先进、做法灵活、评价客观、形象展现抽象、拓展实验教学的广度和深度”8个教学特征，加速推进实验教学与理论教学平衡发展［3］。

因此，这就要求项目建设者，在开展虚拟仿真“金课”建设之前，克服项目建设的3个误区：

(1)认知不深。虚拟仿真“金课”类似于教材［4］，目标是建设成为经典或精品，可广泛使用。教材建设需吸纳学科方向的前沿科学知识，虚拟仿真“金课”建设一样也得吸收最新科研成果转化的实验内容，引入科研技术与方法，方能提高项目质量与水平。同时，需要科学设计，虚实结合，有效融入实验课程体系。

(2)协同不够。虚拟仿真“金课”强调信息技术与实验教学的深度融合，是高度信息化、智能化的实验教学项目。其建设必然要求团队合作，加强与行业产业部门的互动，争取建立队伍双向流动机制［5］，跨界融合创新。不仅需要校内科教融合，还需要与校外产教融合，才能在实验内容、交互技术、用户体验等方面做到高仿真度。

(3)推广不足。由于共享机制不够健全，知识产权保护有效性不足，实验教学信息化融合不够深［6-7］等原因，造成已有项目向外单位推广的积极性不高。一些项目建成后，实际用户人数较少，甚至个别项目链接失效。整体上，科教融合不深，需加强研究性教学，加大教师在项目设计研发上的投入。

2 科教产教双融合对虚拟仿真“金课”建设的意义

虚拟仿真“金课”是虚拟仿真实验项目新时代“8个教学特征”与金课“两性一度”之间的完美结合。只有将两者在教学中得以充分体现，才可重塑实验实践教学环节的内容和形式，达成虚拟仿真“金课”的建设目标。这需要项目建设者高校教师联合校内外技术开发力量，根据国家虚拟仿真实验教学项目的建设要求，深入领会和钻研项目建设内涵，做到科教融合与产教融合双向融合，协同创新，合作破解虚拟仿真“金课”建设过程中的瓶颈问题。

(1)金课支撑：科教融合。科教融合是建设优质教学资源，提高教学质量的有效途径。首先，虚拟仿真“金课”开发，需要教师将学科专业前沿知识，融入实验教学项目设计，从而确保项目的前沿性和知识性。其次，虚拟仿真“金课”建设要求教师开展研究性教学，使其具备教学内容的高阶性和挑战度。从体现教学学生中心的角度来说，项目开发者需根据教学经验，做好实验资源需求分析，以科研的态度和思维，来做好虚拟仿真项目开发的顶层设计。设计过程中，教师应充分考虑创设一种类似科学研究的情景和途径，让学生在独立的主动探索、主动思考、主动实践的研究过程中，吸收知识、应用知识、分析问题、解决问题，从而提高学生的各方面素质，培养学生创造能力和创新精神。此外，调查表明，专业教学评估排名高或一流学科支撑的科教融合较深的土木类专业，在2018年国家虚拟仿真项目中被推荐参评比例高［8］。

(2)技术支持：产教融合。李平等［12］指出，倡导联合企业开发实力和技术服务能力来建设国家级虚拟仿真中心，实质就是以产教融合促进虚拟仿真实验教学改革。教师的专业所长在于实验项目内容教学，而非虚拟仿真技术开发。他们需要将交互技术、系统集成、硬件配套、资源共享等技术环节，委托给相关IT企业。这就要求项目开发时，需要积极开展产教融合。校企深度合作，开发虚拟仿真实验教学体系，建立共建共管合作机制，可携手推动实验教学改革，推进实验教学信息化，提升虚拟仿真项目呈现技术的创新性，快速提高项目建设质量。产教深度融合，还可借助IT公司虚拟仿真开发技术的优势，研发出具有扩展性、兼容性、前瞻性的共享管理平台，联合向外单位推广项目。

(3)突破瓶颈：科教产教双融合。虚拟仿真“金课”建设过程中，一方面，专业教师有时不明确应开发何种具有创新性的项目，或者想做的项目遇到技术实现困难。另一方面，IT企业掌握技术与人员，但不了解具体学科知识，或者对具体虚拟仿真项目的教学目标及内容需求不清晰。在科教产教不能双向衔接的情况中，造成虚拟仿真项目建设必要性、协同性、智能性、共享度等方面的瓶颈问题。

当科教产教同步融合时，可有效破解上述瓶颈问题。科教融合确保虚拟仿真实验项目知识的前沿性和先进性，赋予项目教学内容高阶性、挑战度。产教融合建设虚拟仿真“金课”，可确保项目在实现技术和表现形式上的智能性和创新性。科教融合联合产教融合，即科教产教双融合，还能保障虚拟仿真“金课”体现实践性和趣味性。

3 虚拟仿真“金课”科教产教双融合共建模式

科教产教双融合建设虚拟仿真“金课”，要求教师用科学研究的理性务实，反复探究来开展实验教学改革，并深化产教融合，与IT企业团队持续推进科教融合与产教融合的融通创新，不断优化双融合共建模式，丰富共建内容，共同推广应用，合作打造虚拟仿真“金课”的专业特色和技术特色，保障“金课”可持续发展。

3.1 双融合共建模式

虚拟仿真“金课”科教产教双融合共建模式（见图1），是以高校教师为主导，科教融合设计，以信息化、智能化思维深挖实验教学内容，巧妙构思实验流程，运用先进实验技术；与企业技术团队合作，产教融合开发，共同打造虚拟仿真“金课”。并联合发挥双方优势，根据学生（用户）实验评价反馈，持续改进与丰富“金课”内容，形成持续推进科教产教双向融通，共建公管虚拟仿真“金课”的良性建设开发与共享应用循环。

图1 虚拟仿真“金课”的科教产教双融合共建模式

实施双融合共建模式的首要关键在于合作选题，需重点注意以下3点：

(1)深入论证必要性与创新性。教师提供若干现实条件下“做不了”“做不好”的虚拟仿真项目，联合企业团队开展广泛调研，论证项目开发的必要性。同时，引入教师最新科研成果转化为仿真实验教学资源，或是重大工程项目的虚拟仿真，保证实验项目的创新性。确定好初选虚拟仿真项目后，提炼出该实验的教学目标，细化分解如何支撑学生实践创新能力的培养。

(2)合理设计实验教学场景。商讨确定实验教学目标的教学应用场景，以及完成实验的交互操作细节。在设定实验场景下，需要学生掌握哪些实验知识点，通过在应用场景中的交互操作，有逻辑地整合在一起，完成后达到教学目标。

(3)科学设计实验技术流程。除了考虑满足国家虚拟仿真实验项目的若干关键要求，不少于10个交互性实验操作步骤之外，应充分发挥项目联合开发团队的聪明才智，拓展实验内容、方法和教学方法，满足虚拟仿真“金课”的实验教学深度和广度，以及技术的先进性。

3.2 双融合共建主要内容

双融合共建模式下，高校教师和IT企业团队确定了开发项目选题后，还将在产教融合开发应用技术、实验素材建设、知识产权申报、虚拟仿真“金课”申报等方面，展开深层次的合作。在与高校深入科教产教双融合开发项目过程中，企业也将受益于转型升级联动发展。

3.2.1 产教融合开发应用技术

新兴、主流信息技术的发展对虚拟仿真实验教学产生重要影响［13］。在合作选题和项目设计基础上，教师和企业技术团队需要按照共建模式，深化产教融合合作，共同商议，对比遴选虚拟现实VR、增强现实AR、人机交互、人工智能或三维建模等先进信息技术，营造虚拟仿真实验的沉浸感与真实感，增强用户实验体验。同时，产教融合开发还需要结合学科特点，以及实验教学目标，统筹考虑项目应用时响应速度快、兼容性强、进程还原加载、移动端适用等特点，灵活选择加载各种虚拟仿真接入设备，提高项目吸引力和教学效果。当前，应用于虚拟仿真项目开发的主要技术有VR、AR、MR（混合现实）、3D仿真、二维动画、HTML5等，各开发技术优势劣势分析见表1。

另外，快速发展的人工智能AI和区块链技术，也可应用于虚拟仿真项目开发。AI技术应用于虚拟仿真项目开发，已具备了两个前提条件，一是虚拟仿真项目开发内核基于AI算法模型，二是具备足够多的应用单位和人数，提供了大数据样本。这将使得虚拟仿真项目的开发，可向自我学习，不断迭代演进的AI方向发展。区块链技术可为虚拟仿真项目教学全过程进行档案记录，提供最真实、原始的评价数据源，可有助于更加有力地帮助管理者与学习者，实现学习认证、学分互认。虚拟仿真项目未来开发技术的进步和创新，更加需要校方与IT企业，就具体项目开展更加深入的产教融合与技术创新。

表1 虚拟仿真实验项目开发主流技术统计表

3.2.2 合作建设实验素材

优秀的虚拟仿真项目，不仅需要设计巧妙、技术先进、评价智能与客观等，还需要建设充分的实验素材，支持实验者（学生）顺利开展实验，吸引学生持续探究。为此，要求项目设计的高校教师与企业技术开发者，合作建设至少以下3种项目素材。

(1)交互操作指南。项目设计者与技术开发者需充分沟通配合，将项目设计思维完美地嵌入实验的交互操作步骤，让参加实验者（学生）进入实验界面，即可按照操作提示，顺利进行实验。同时，对于项目后续开发技术人员，可依据操作指南的步骤说明，完成项目的后续改进或开发任务。

(2)实验基础知识。提供与实验配套的教学PPT或视频，涵盖该项目涉及的核心理论、方法与技术，辅助实验者回忆与应用知识点。

(3)实验拓展素材。提供一些与此虚拟仿真项目相关的背景素材，例如现场视频、应用实例、问题方案等，帮助学生加深实验技能与操作的理解，并基于虚拟仿真项目训练后，实现实验知识技能的迁移。让实验者面对相关新问题时，可依据掌握的实验知识与技能，创新性地完成分析与解决具有一定挑战度的问题，达到“金课”的高阶学习目标。

3.2.3 合作申请知识产权

项目建设中，以高校教师为主设计开发的实验操作场景、界面信息、硬件接入、语音识别、交互操作、过程记录、考核评价方式等创新性技术，具有鲜明的学科专业和高校特色，均需要及时申报软件著作权、发明专利或实用新型专利，给予及时的知识产权保护。项目具有自主知识产权或共享知识产权，与行业、企业合作共建，能推动教学形式创新、技术创新、组织模式创新等各项创新，可有力支撑国家级或省级项目的申报［14］。对已获批国家虚拟仿真项目的申报资料数据统计，项目建设期间获得的知识产权以软件著作权为主，占所有知识产权项数的比例超过85%。但是，对于非计算机相关类专业教师而言，他们不熟悉软件著作权的撰写与申报，需要在企业技术开发者协助下完成。高校教师与企业开发者的联手合作，共同推进了实验教学创新与技术应用创新之间的完美结合。发掘其中的发明创造或创新点，深化产教融合合作，将产生更多的优秀知识产权成果。这是教师与技术开发者之间的第1次合作总结。

3.2.4 合作申报国家“金课”

在产教科教双融合下建成的虚拟仿真项目，经两学期的应用与完善后，可积极申报国家虚拟仿真“金课”。宏观上，虚拟仿真项目技术开发企业，熟悉了解虚拟仿真项目技术应用发展趋势，以及国内高校相关学科专业项目建设概况。同时，他们积累了较多的申报成功经验，尤其是申报书中涉及开发技术部分的撰写，需要开发人员的深度参与。因此，申报国家虚拟仿真“金课”时，是教师与技术开发者之间的第2次合作总结，一般以分工合作来完成。①高校教师与企业专家共同研读理解国家“金课”遴选指标，指定项目申请书统稿负责人，校企分工编写申报书。②学校为主撰写第1部分，企业为主撰写第2部分、第3、4部分由双方合作完成。③申报视频的制作上，双方合作统筹考虑视频脚本，合作拍摄制作视频。注意突出重点，着重强调实验必要性、内容、教法改革、实验效果等方面。④共同校对申报书与视频，按规定流程向上级教育管理部门推荐与申报。

3.3 联合推广持续发展

虚拟仿真“金课”的发展，已成为一种可供专业或学生选择评价的开放式教学资源。随用户数增加，持续数据积累与优化，终将成为某些专业或课程教学必不可少的实验资源。根据科教产教双融合共建模式，用户的体验评价反馈，是虚拟仿真“金课”优化改进、持续发展的重要动力源。共享应用过程中，需着重考虑如何在管理平台上推广应用，长期保持“金课”的价值与活力。当前，高校虚拟仿真项目应用的管理平台，主要有教育部X-lab平台、省级平台、校级平台、网页版等。这些平台各有优缺点，项目推广应考虑多方合作，多平台推广。

但是，考虑到“十四五”规划持续建设、项目数量增长、学科专业特点、信息化智能化技术发展、反馈数据收集效率等因素，有条件的高校，还是应该建设体现校情特点的虚拟仿真项目统一管理平台。统一平台系统架构的开发与应用，可实现各学科专业门类虚拟仿真实验项目教学共享平台的技术对接和数据共享，可促进校内外虚拟仿真实验教学资源在线开放共享、高效集约应用、形成规模化资源优势［15-16］。学校统一平台的使用有利于方便项目维护团队的技术支持、对外平台对接、教学效果考核评价、用户体验反馈与改进等持续化发展，还能避免学校各二级单位盲目重复建设应用平台，并为全校项目扩大共享应用范围提供支撑。

为促进虚拟仿真“金课”的共享应用和持续发展，学校统一教学管理平台的建设，需重点考虑以下因素：①校内数据兼容与衔接。统筹考虑门户网站、学科专业分类、教学管理系统、技术保障系统等建设，便于校内师生应用数据的顺利导入与统计。②校外平台衔接与多终端适应。建立有效对接国家项目平台的统一接口规范与标准，有效支持外部数据接入，便于电脑、平板、手机等不同用户的数据接入，实现管理平台和数据资源的有效联接与互相支撑。③优化实验教学流程管理功能。应考虑实验教学流程管理功能的完整性，可满足多种类型用户教学需求以及管理评价需求，可支持项目在线开放共享。④高效并发数据管理。既能对内网络实验请求及时响应，又能确保校外互联网网络链接地址直接指向实验项目以及所设定的并发数，并对超过并发数的实验请求提供排队提示服务。⑤知识产权管理权限预留。加强项目知识产权保护，开发数字加密技术，逐步探索合理收费的共享应用模式。

此外，在校内统一管理平台良好的应用基础上，学校应积极打造具有专业特色的虚拟仿真“金课”系列，形成特色专业类别的系列“金课”资源集合，并积极面向行业领域、职业培训等机构推广应用，建立多方共享机制，不断优化支持服务，实现虚拟仿真“金课”的可持续发展。

4 结 语

重视实践教学改革是我校的优良传统。近年来，在本科实验、实践教学方面持续投入，提高实验教学支持条件的同时，积极推进本科实验教学改革与资源建设，推动各专业不断完善和优化实验教学体系。

2016年起，学校实施“互联网＋创新人才培养计划”，在充分认识“互联网＋教育”背景下虚拟仿真实验项目建设工作的重要性和必要性的基础上，建设了校级虚拟仿真实验项目50多项。其中入选全国首批虚拟仿真项目1项获批国家项目1项，并有3项目被推荐申报2020年国家级项目。科教产教双融合建设虚拟仿真项目的相关成果获得广东省教学成果奖二等奖。

在培育与建设虚拟仿真“金课”的实践过程中，积累了几点经验：①科教融合面上培育。梳理重点学科支持的专业方向，从校院两个层面出台建设培育规划，依托学科带头人和专业负责人，规划虚拟仿真实验项目的建设背景、目标、任务、实施方式和申报时间节点。②合理布点创新模式。重点支持跨学科专业领域的共性需求，支持开发跨学科跨专业项目。鼓励教师开展研究性实验教学，将科研成果转化成为实验教学内容，将成熟的科研方法与技术应用于虚拟仿真项目。引荐优秀的技术开发企业，与教师团队进行产教融合开发，探索出虚拟仿真“金课”的科教产教双融合共建模式。③推广模式打造系列。在校内各学院推广科教产教双融合共建虚拟仿真“金课”的建设模式与成功经验，在心理学、生物学等专业布局建设虚拟仿真“金课”体系。④加强推广共享应用。依托网络中心，在学校“砺儒云课堂”平台开辟了虚拟仿真实验“金课”专栏，在抗击新冠肺炎疫情期间有效支撑相关实验课程的开出。同时，还向陕西师大等多所高校开放共享。⑤优化管理保障机制。出台学校本科重点实验教学平台（含项目）管理办法，给予建设者培育经费保障和持续开放维护费用，支持虚拟仿真“金课”可持续发展。