“三全育人”背景下研究生虚拟仿真实验项目“思政教育”模式的实践探索

李建波 陆 恒 陈先华 宋江凤 冉春华

（重庆大学材料科学与工程学院 重庆 400044）

0 引言

随着中国经济、社会的快速发展，我国的教育事业得到了长足的发展。而作为我国高等教育人才培养的最高层次和社会主义现代化建设中高层次人才培养的重要组成部分——研究生教育，一方面随着招生规模的日益扩大，另一方面随着网络上各种各样信息“狂轰滥炸”的影响，其在关于研究生培养上存在的诸多问题也日渐突显。比如：因入学后个人目标不明确、缺乏对未来规划而导致的茫然；因学业不理想、就业压力大而导致的心理问题；因为完成学业而出现学术不端甚至造假情况，导致理想信念日益缺失；因网络上不怀好意的人的故意欺骗、诱导而导致的个人品行败坏。诸如此类的问题都造成了培养高质量研究生难度的提升。本文在坚持“三全育人”的大思政格局下，阐述了“三全育人”视域下高校材料类专业实施课程思政的形式、途径与方法，即在面向整个材料类专业进行虚拟仿真实验教学的同时，将思政教育切实与虚拟仿真教育有机融合。

1 时代背景

2016年，在全国高校思想政治工作会议上，习近平总书记创造性提出“其他各门课都要守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应”，从而“把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人，努力开创我国高等教育事业发展新局面。”。随后“课程思政”的理念被提出，思想政治教育工作者开始了从以思政课堂为主体的“小思政”教育模式到“三全育人”的“大思政”教育模式的实践探索。2020年，教育部等部门下发《关于加快构建高校思想政治工作体系的意见》，进一步提出：“加快构建目标明确、内容完善、标准健全、运行科学、保障有力、成效显著的高校思想政治工作体系。”目前，爱国实践教育基地建设及实践活动的拓展等仍是我国高校思想政治教育的侧重点，其忽视了高校科研团队所具备的潜在力量。高校的科学研究是集知识发现、人才培养与科学精神传承三位于一体的活动，这就是高校科研团队在思想政治教育方面所具备的潜在力量和优势，但众多研究型的大学在“三全育人”的实施过程中，却更注重于教书育人、实践育人、组织育人环节，从而忽视了科研育人环节在思想政治教育方面所拥有的强大育人价值和潜力。

此外，随着计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术和网络技术等的快速发展，虚拟仿真技术已进入应用阶段。在此基础上发展起来的虚拟仿真教育，作为“互联网+教育”之后的“智能+教育”新形式，是虚拟现实技术与教育教学深度融合的成果，是依托于电子技术革新的新型教育生产力。这种利用新兴虚拟仿真技术开展互动教学以其在丰富教材结构、内容形态，强化知识扩展与学习互动与反馈，提升学习体验等多方面的诸多优势，迸发出了强烈的发展前景。然而，面对虚拟仿真互动教学这类新兴信息化教学模式，我国高校教师和研究生尚处于探索阶段，这也导致了新兴信息技术和思政教育难以深度融合。当前，研究生的培养过程也大多重视其专业知识水平及动手实践能力的培养，对思政素养重视力度不足，这就造成虚拟仿真互动教育与思政教育的融合度不够。

材料科学是研究材料的组成与结构、合成与制备、性能与应用以及它们各自之间相互关系的学科，在其研究过程中存在着大量抽象的微观物理过程和复杂机理。作为一门典型的工科学科，如何将思政教育与虚拟仿真技术有机结合并良好的融入到研究生专业教育当中将是材料科学在顺应时代教育潮流的重大尝试与挑战。

2 虚拟仿真实验教学平台的建立

目前，材料学院拥有各种大中小型的实验设备（如合金熔炼所需的熔炼炉，金属热处理所需的管式炉、马弗炉等，性能检测所需的拉伸机、硬度计、电化学工作站等，以及显微组织表征所需的扫描电子显微镜、透射电子显微镜等等），这些设备都是研究生在进行实验研究时需要用到的。然而，这些实验设备的使用都需要经过一定的实地教学才能够有使用的资格，在实地教学过程中存在着一些问题：其一，实验室设备较少，研究生集中学习时，不可能兼顾到各个学生，从而导致学生的操作技能较弱；其二，资源浪费，每次实地教学都不可避免地造成资源的浪费；其三，大中型设备的操作都有一套比较复杂的流程，研究生需要多次的实地操作才能够完全掌握，这就造成时间与收益的严重不符；其四，安全问题，仪器设备的不规范操作轻则造成仪器设备损坏，重则危及生命。

而虚拟仿真技术所设定的一些虚拟情景是实地教学所不能实现的，学生可以利用这一点，迅速复习实验场景和反复练习掌握操作，比传统的实地教学更快捷、更灵活、更高效。西北工业大学的刘翠霞等针对材料科学与工程实践教学中存在的高温、高压、腐蚀性强、毒性大等实验中存在的不安全性因素，通过建立虚拟仿真实验室，将虚拟仿真实验室的资源优势充分发挥，使得实验成本降低、实体实践教学风险避免，从而拓展了实验教学的时间和空间，并充分调动了学生学习的自主性和能动性。

因此，合理地利用全国高校校园网站联盟、易班网、中国大学生在线等国家教育教学平台资源，建设虚拟仿真实验教学平台。在虚拟仿真实验教学过程中，将工程师文化逐渐融入课堂，培养研究生精益求精的工匠精神、诚实守信的职业道德、开拓进取的创新精神、求真求实的理性精神以及保护环境、关爱社会的社会责任感；同时秉承重庆大学“研究学术，造就人才，佑启乡邦，振导社会”的校训，讲好材料学院材料人自己的故事，鼓励学生以身边的榜样为目标而努力奋斗；教会学生以哲学思想看待工程问题，学会运用哲学的思维深层次地观察问题、分析问题和解决问题。依托虚拟仿真实验教学平台，形成自主育人的氛围，将教学理念和育人理念确定为培养务实专业、有创新精神和敢于担当的学生，努力去鼓励学生利用虚拟仿真实验平台提高自主学习兴趣，引导研究生养成良好的学习习惯，并学会学习的方法，从而打造出具有材料特色的思想政治教育与虚拟仿真实验教学有机结合的教育体系。

3 虚拟仿真课程思政模式的设计建设

要想在材料科学的虚拟仿真实验教学过程中做到教书育人的目的，其关键在于深刻理解与掌握理论联系实际，通过将思政教育素材契合地融入到虚拟仿真实验教学内容中，以潜移默化的形式涵养学生的思想政治素养，引发其情感和价值共鸣。在韩疏影的《以思政主题为导向构建分析化学实验课程体系的探索》一文中，他们立足于分析化学的专业特点，通过设计与实验内容相契合的思政主题，使每一次实验的内容都转化成为核心价值观教育中具体而生动的载体。通过这种丰富性、多元性的课程设计，分析化学实验课程中所蕴含的价值引领和品格塑造的主导性得以充分发挥作用。

在上述基础上，材料科学作为一门典型的工科学科，其不仅蕴含着丰富的价值观资源，也有着鲜明的价值观取向，因此需要深入挖掘教材内涵，进一步扩大教材外延，整合教学内容，从而抓住相关知识点将思政教育灵活融入到虚拟仿真实验教学内容之中，并在教学的过程中引导学生去发现和认识，最终实现知识传授与价值引领的有机统一。根据材料科学虚拟仿真实验教学的内容特点，本文将从以下几个方面探讨思政教育与虚拟仿真实验教学的有机结合。

3.1 以金相制样为载体，培养严谨细致的科学态度和精益求精的工匠精神

金相制样作为材料类研究生必须具备的操作技能之一，其通常要经过以下几个步骤：取样、镶嵌、磨样、抛光和腐蚀，这几个步骤都必须小心谨慎，严格地按照操作要求进行，因为每一个后续步骤的效果都与前一个操作的规范性息息相关，如果发生了操作的错漏，极端情况下还可能制备得到假组织，以致实验结果失真。由上述可知，金相制样不仅具有复杂且严格的实验流程，而且制样的过程在很大程度上会影响到后续样品的观察研究。因此必须要求学生在制样过程中做到认真、细致，并养成良好的制样习惯，这样才能够得到准确而又有效的实验数据。

由于金相制样的严格性和有效性是与严谨细致的科学态度和精益求精的工匠精神一一对应的。因此在虚拟仿真实验教学中，学生必须严格遵守金相制样的流程，一旦跳过或是忽略某一步骤，则判定教学失败并重新开始，从而通过这种流程的严格性来培养学生严谨细致的科学态度；样品制备有好有坏，主要是受磨样方式和腐蚀时间长短等的影响，因此在虚拟仿真实验教学中，可以让学生尝试不同的磨样方式以及不同的腐蚀时间来得到不同的样品，并对样品的好坏进行判定，从而通过这种对制样后样品的有效性来培养学生精益求精的工匠精神。

此外，在金相制样实地过程中通常需要用到大量的砂纸和水资源，这就会造成资源的极大浪费。此时，通过虚拟仿真实验教学，一方面可以达到节约资源的目的，另一方面则可以将节约资源的理念有效地融入到学生的思想政治教育当中。

3.2 以分析仪器为载体，培养不畏困难的坚强意志和勇于担当的担当精神

材料学院拥有着诸如扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪、能谱仪、傅里叶变换红外光谱等分析仪器，每种分析仪器都有其各自的内部构造和工作原理，内部构造和工作原理的差异导致了分析仪器应用领域的各有不同。在分析仪器的理论、实践课程中，关于“分析仪器的工作原理与构造”这部分内容都是不可或缺的，而现代化的分析仪器其内部构造集成度高，如果随意地对仪器进行“解剖”，将有很大可能造成不可挽救的损坏。因此，在分析仪器课程的教学中，只要是涉及“分析仪器的工作原理与构造”这部分内容的介绍也多是采用PPT动画示意图或视频进行简单的描述，也只能在理性认识上简单的了解仪器的结构，无法较好地实现实验教学的实践效果。此外，在实践课程当中，由于时间的限制，教师也大多是简单的介绍使用步骤与方法，学生对分析仪器的认知也仅仅停留在会使用这一基本层次，从而缺乏对分析仪器原理更深层次的理解。为此，胡万群等利用使用时间长久且无任何维修价值的报废仪器来进行教具开发，成功使仪器内部的零件、构造清晰可见，让学生在了解内部零件、构造的同时，能够更好地掌握仪器的构造原理。

然而上述方式的教学是要在有仪器报废的情况下才能够进行，而且随着时代的发展，仪器也在不断地进步，其内部构造也变得多样化，此时如果仍是使用之前的仪器产品，就有可能导致对分析仪器原理的误解。而利用虚拟仿真技术对分析仪器进行具体化构建，不仅可以实现仪器外部与内部构造的清晰可见，有助于学生更好地掌握仪器的构造原理，同时还可以针对仪器的更新换代来及时地构建新的虚拟仿真，从而实现与时俱进。以傅里叶变换红外光谱仪为例，在虚拟仿真实验教学中，通过一步一步地展示傅里叶变换红外光谱仪的搭建过程，同时在其中穿插仪器核心部件从棱镜、光栅至现在的迈克逊干涉仪的发展历程以及国产仪器的现状，然后让学生自己尝试去搭建傅里叶变换红外光谱仪，从而使学生对仪器的结构、发展历史了然于心，并能够深切感受到现在的仪器光路更加准直，数据转换更快。此外还有更深层次的意义，学生在搭建过程中，能够感悟到不断升级优化的仪器构造背后更多地凝结着科研工作者的智慧与汗水，从而培养青年学子不畏困难的坚强意志和敢于尝试的创新精神。

3.3 以功能设备为载体，锻炼乐于合作的团队意识和面临意外的应急意识

材料学科需要用到的大部分功能型设备基本上都需要两人或两人以上的配合才能够进行操作，只有一个人是很难独立操作的，而且也很容易出现实验事故，造成人员伤亡。而采用虚拟仿真技术来模拟实验环境，可以通过操作的过程来潜移默化地锻炼学生的团队意识，让学生认识到合作的重要性，同时培养彼此间的默契度。

因此，可在虚拟仿真实验教学中设计合作共赢的课程，学生只有通过彼此间的相互配合，才能够达到完成该课程学习任务的目的。以热轧实验为例：先是学生1按照步骤启动轧机，接着学生2将实验样品从加热炉中用镊子快速取出并放到轧机上，紧接着学生1将样品调好位置并送入轧辊当中，之后学生2将轧过的样品放回加热炉中，如此循环往复直至样品轧到规定的尺寸。通过这种相互间的配合，不仅锻炼了学生间的团队意识，同时也使得学生在实地的操作上更加高效和注重配合。

此外，在实践操作过程中难免会操作失误或是遇到突发情况，这时就非常考验学生的应急能力。因此，还可以在虚拟仿真实验教学中加入应急对策，要求学生在操作失误后在规定的时间里做出正确的抉择，若是抉择错误则进行安全视频的学习，从而提高学生的安全意识和锻炼学生的应急能力。另外，对危险性比较高的实验还可以设置突发情况应急教学，学生可以通过虚拟仿真的方式不断地应对突发情况，以达到锻炼应急意识的目的。

3.4 以游戏模式为载体，激发敢拼敢闯的挑战精神和相互激励的竞争意识

将虚拟仿真实验教学课程按照专题内容由易到难，由简单到复杂地进行划分，并为每一节课程设定挑战门槛，即学生必须完成这一课程的学习并达到所规定的分数才能够进行下一课程的学习。这种课程形式的设计类似于游戏中的闯关模式，一方面可以提高学生在进行课程学习时的兴趣，另一方面可以激发学生敢拼敢闯的挑战精神，让学生在学习的同时体验到游戏闯关的乐趣。此外，可以对每门课程设置排行榜，学生可以在排行榜上查看自己的分数及排名，同时，还可以设定适宜的奖励对学期末课程成绩优秀的学生进行奖励。通过以上的激励机制，使学生在课程学习时可以做到精益求精、追求完美，在一定程度上激发了学生的竞争意识。

4 结语

“有才无德，其行不远矣”，研究生作为国家未来发展的后备力量，其培养教育作为高校培养人才的重要组成部分，高校理应肩负起为国家培育有理想、有道德、有文化、有纪律的社会主义建设者和接班人的光荣使命。要深刻领悟习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上发表的重要讲话，从实际出发，切实将思政教育结合虚拟仿真实验教学特点，找准定位，不断努力挖掘材料科学课程中的思政元素，对培养有理想、有道德、有文化、有担当的具有家国情怀的当代研究生具有深远的意义。将思政主题内蕴于材料科学虚拟仿真实验教学课程体系中，以多个方面作为载体来承载思政主题的教学尝试，体现了高校思政教育隐性化、融合性的思路，强化了对学生的家国情怀、科学精神、责任担当的精神孵育，培养了学生对材料科学课程的实事求是的科学素养，真正实现了“三全育人”背景下思政教育与虚拟仿真教育有机的融合。