慕课与虚拟仿真深度融合的实验教学

叶 飞 廖成竹 章剑波 李艳艳 李慧丽

（南方科技大学 材料科学与工程系，深圳 518055）

在新工科建设背景下，工程教育创新以培养未来多元化、创新型卓越工程人才为目标，创新实践能力的培养已经成为新工科专业培养的共识。实验教学作为实践能力培养的重要途径，在提高学生专业水平，培养分析解决问题能力和创新能力等方面都有着理论教学不可替代的作用。为了满足新工科背景下社会对工程技能型人才的需求，在高等教育中需要提高学生综合运用所学理论知识解决复杂工程问题的能力，这对实验教学提出了更高的要求。实验课程内容需要减少验证性实验，增加综合性和设计性实验。实验课程的授课过程不仅包含实验操作，还包含一定深度的理论讲授，将综合性和设计性实验涉及的多种理论和方法融汇贯通，从而将理论课程与实验课程有效衔接。

传统实验教学模式是以线下课堂为主，师生之间的交流局限在实验课堂中。这种简单的模式已经不适应现代教育的发展，不能满足创新型人才培养的需要。

随着互联网技术的快速发展以及计算机和移动智能互联设备的普及，线上学习的方式逐渐被人们接受。学生可以借助计算机、平板电脑、手机等移动设备打破学习的时空限制，随时随地学习。以慕课和虚拟仿真为代表的线上教学方法发展迅速。慕课整合了视频、文字、习题等数字化资源和网络社交工具，形成资源丰富的、多元化的在线课程。虚拟仿真实验借助计算机仿真技术、多媒体技术、网络技术，模拟仿真实验室现实情境和实验操作，从而丰富教学内容，实现真实实验不具备或者难以完成的教学功能。目前，在中国大学慕课、学堂在线、超星、智慧树等平台上线的慕课均达到数千门以上，在国家虚拟仿真实验共享平台“实验空间”上的虚拟仿真实验项目已经多达2 000余项。线上资源和网络教学的迅速发展给传统的课堂教学带来了巨大的冲击和挑战，但是也为教学改革提供了难得的机遇和方向。

为了实现新工科高校教学改革和人才培养目标，“高教40条”指出，要大力推进现代信息技术与教育教学深度融合，形成“互联网＋高等教育”新形态。然而，目前多数工科类课程信息化改革仍然没有摆脱偏重理论教学的弊端，人们对慕课和虚拟仿真实验在实验教学中的应用仍然存在疑虑。虽然慕课能够在线进行实验相关理论和操作讲解，但是不能体验实验操作。因此，信息技术在实验教学中的应用更多地强调将虚拟仿真实验与线下实验结合。然而，虚拟仿真实验虽然能够在线上提供实验操作体验，但是没有深入的理论讲解。这些问题导致这些新型线上教学工具难以提供接近线下实验的教学效果和学习体验，必须与线下实验教学相结合，开展混合式教学。同时，因为不能独立在线上完成实验教学过程，导致这些线上教学工具仍然是线下实验教学的辅助，而不是必备活动，所以线下传统实验课堂并没有因为混合式教学而发生本质的变化。

将慕课与虚拟仿真实验融合，优势互补，形成一体化在线实验课程，是解决上述问题，推进现代信息技术在实验教学中应用的重要途经。本文将分别对基于慕课和虚拟仿真的混合式实验教学的特点和建设情况进行分析，进而详细介绍将慕课与虚拟仿真实验深度融合，形成新型在线实验课程的方法，以及在此基础上的线上线下混合式实验教学模式。

一、混合式实验教学的现状

在实验教学中，慕课和虚拟仿真实验是已经得到广泛应用的两种重要的信息化技术。将慕课或虚拟仿真实验线上教学与传统线下实验教学有机结合，形成“线上+线下”的混合式教学，可以扩展学习的时间和空间，将学生的学习由浅到深地引向深度学习。下面将分别介绍基于慕课或虚拟仿真实验的混合式实验教学的基本情况，分析它们在教学应用中的优势和存在的问题。

因为实验课程的慕课不能提供实验操作体验，所以在慕课环境下建立适合于实验教学的混合式教学模式是教学模式创新的核心。很多教师已经探索了将线上慕课与线下课堂教学相结合的混合式教学，通常的教学模式如图1所示。在实验课前，学生先在线上用慕课学习，掌握相关基础知识，了解实验仪器设备基本操作，并提交预习报告；在实验课上教师仅需讲解关键知识点，随后进行实验操作并初步分析实验结果，通过与教师互动讨论，解答慕课学习中的问题，进行深层次学习；课后结合个人情况，利用慕课对实验进行选择性复习，对结果进行深入分析，撰写并提交实验报告。基于慕课的混合式实验教学主要有两方面的优点。首先，学生可以自主地选择学习时间和地点，并且自主地控制学习进度，对重点和难点知识还可以反复观看视频，从而打破了时空限制。其次，课堂教学可以针对重点内容开展深层次学习，提高实验教学效率，尤其是可以使学生将注意力集中在实验操作上而不是大量理论讲解上。然而，可以看到这种混合式教学模式与基于慕课的理论课程教学模式基本没有区别。同时，目前国内慕课提供内容以视频、文本为主，实验课程与理论课程的慕课形式同质化。这些问题导致实验课程慕课和线下实验课程难以改善传统教学中实验能力培养不足的缺陷，这极大地影响了学生在实验课程慕课学习上的热情和效果。

图1 基于慕课的混合式实验教学模式（图中斜体文字强调了与基于虚拟仿真实验的混合式实验教学的主要差异）

实验课程慕课的这些问题也直接影响了慕课资源建设。教育部2017年认定的首批国家精品在线开放课程共490门，其中工科实验课程仅有2门，仅占0.4%。2018年认定的课程数量大幅度增加，达到801门。然而，实验课程的比例并没有明显提高，工科实验课程数量为4门，仍然仅占0.5%（详见表1）。虽然教育部计划从2019年到2021年，完成4 000门左右国家精品在线开放课程建设，但是实验课程数量大幅度提升的可能性不大。虚拟仿真实验可以实现真实实验难以完成或者不具备条件的教学功能，包括安全可靠地进行高危和极端条件实验，绿色节约地进行高成本实验，可视化地展现不可视的结构或原理等。由于这些优点，虚拟仿真实验成为目前实验室建设的一个重要发展方向，在理、工、医、农、军事、管理等不同学科均得到了应用，发挥了积极的作用，在实验教学中实现了虚实互补，培养了学生的自主学习和创新意识。

表1 2017年和2018年国家精品在线开放课程认定情况

然而，因为虚拟仿真实验中没有提供高质量视频或较为详尽的文字资料介绍相关理论和实验技术，所以通常需要将线上教学与线下实验课堂教学结合，开展线上线下混合式教学，发挥传统实验教学和虚拟仿真实验各自的优势。如图2所示，教学过程与基于慕课的混合式实验教学类似，同样可以分为课前预习、课中实验和课后复习三个阶段，但是在具体内容上有较大差别。在课前预习中，通过虚拟仿真实验操作，初步掌握实验步骤、仪器使用和注意事项，并在虚拟仿真实验平台上提交预习报告；在课中，需要进行较详细的基础理论讲解，然后采取虚拟仿真实验与实体实验并行的方式，或者用先进的虚拟仿真实验项目取代部分线下实验；在课后，随时在线上重温实验操作，巩固实验技能，并在虚拟仿真实验平台上提交实验报告。

图2 基于虚拟仿真实验的混合式教学模式（图中斜体文字强调了与基于慕课的混合式实验教学的主要差异）

由于虚拟仿真实验能够有效解决实验资源短缺、时空受限、实验教学环节难以开展等问题，虚拟仿真实验教学建设具有深远的现实意义。2017年开始，教育部全面推进示范性虚拟仿真实验项目建设。如表2所示，近年来国家级虚拟仿真实验项目申报数量，认定数量持续增加，每年申报项目数量增加约300～400项，认定项目比例约30%～40%。

表2 国家级虚拟仿真实验项目认定情况

从上述基于慕课或虚拟仿真实验的混合式教学的分析中我们可以看到，慕课不能提供与线下实验教学相近的实验操作，而虚拟仿真实验缺乏相关理论知识介绍和梳理，因此两者都不能提供与线下实验教学相近的教学体验，必须与线下实验教学结合，才能充分发挥这些线上资源的作用。这导致了在慕课和虚拟仿真实验目前的应用中，它们仍然是实验教学的辅助，没有成为教学过程的必备活动。线上教学薄弱的现状也使得传统线下实验课堂的教学活动没有本质的变化。因此，目前基于慕课或虚拟仿真实验的混合式教学仍然是一种传统线下教学与网络教学的“1 + 1”简单叠加。

二、慕课与虚拟仿真实验的深度融合

既然慕课和虚拟仿真实验各自具有鲜明的特点，前者重在理论讲授，后者重在实验操作，那么将两者结合，无疑将成为实验课程教学改革的强大推力。在医学、计算机、化学、材料等专业的实验课程中均已尝试了将慕课与虚拟仿真实验共同应用。慕课与虚拟仿真实验的联合应用实现了优势资源的互补，解决了理论与实践相结合的问题。

然而，在这种将慕课与虚拟仿真实验简单结合的实验教学探索中，一个较为明显的问题是在教学实施的过程中，仅仅是将“基于慕课的混合式教学”与“基于虚拟仿真实验的混合式教学”两种模式简单混合，将教学模式从原来的“1 + 1”简单叠加变成了“1 + 1 + 1”简单叠加。在线上教学过程中，慕课的理论讲解和虚拟仿真实验操作是在不同的平台上孤立进行的。这导致了在丰富了教学内容和手段的同时，大幅度增加了教师教学和学生学习的复杂性和负担。学生要分别在慕课、虚拟仿真实验平台上预习，线下实验后需要分别在两个平台上复习巩固，在完成实验报告的同时，有时还需要分别完成慕课或虚拟仿真平台上设置的问题。

针对实验教学中慕课与虚拟仿真实验结合以及在混合式教学中应用的问题，我们提出了将慕课与虚拟仿真实验深度融合的线上实验教学方法。这个深度融合是指将慕课和虚拟仿真实验在同一个网络平台上有机地组合形成一个整体，在线上实验项目学习过程中，学生可以在慕课讲解与虚拟仿真实验操作之间灵活切换，尽量接近实际线下实验教学过程。这样的线上实验教学将慕课与虚拟仿真实验的优势互补，形成了与目前单独的慕课和虚拟仿真实验都不相同的线上课程。因为这样的线上学习体验与线下实验学习非常相近，所以在我们已建成的线上实验教学平台上，将慕课与虚拟仿真实验融合后的线上实验课程称为“虚拟学堂”。

将慕课与虚拟仿真实验融合的基础是慕课和虚拟仿真实验的制作。我们已经建设了“材料科学与工程基础实验”和“生物材料实验”的慕课和虚拟仿真实验，进而将两者深度融合。以“材料科学与工程基础实验”课程中“金属的拉伸性能与加工硬化”实验项目为例，这是一个综合性实验，实验步骤较多，设备使用有一定难度。该实验中将铝合金冷轧成不同厚度的薄片，测试这些薄片的拉伸性能，使学生理解金属材料加工硬化和变形的基本原理，掌握冷轧机和万能力学试验机的使用方法。在实验慕课中，主要内容包括介绍加工硬化和变形相关理论知识，以及冷轧机和万能力学实验机的主要结构，演示实验步骤和设备操作方法，说明拉伸实验数据处理和拉伸性能分析的方法，并强调实验注意事项。教学视频中用特写镜头展示在线下实验中学生难以看到的设备关键部分和材料变形实验现象，根据视频讲述内容适时提出问题。对应于慕课中的实验项目，建设了虚拟实验，可以在线上体验冷轧机和万能力学实验机的使用。进而，在同一个网络平台上，将慕课和虚拟仿真实验两者有机地整合成一体，在铝合金冷轧变形和拉伸性能测试等关键节点位置建立互相访问链接，从而可以在慕课学习和虚拟仿真操作间灵活切换。

实践表明，“虚拟学堂”实验教学效果显著，有效地解决了上述慕课与虚拟仿真实验结合中的一些问题，具备了线下教学中理论学习和实验操作灵活交互的优势，从而提高了学生线上学习的体验，明显提高了学生的学习积极性。特别是这样的深度融合可以使实验教学可以真正地实现在线上独立完成实验教学过程。

尽管“虚拟学堂”具有许多优点，但是虚拟实验毕竟缺乏线下实验的真实环境，缺少真实动手操作。要培养学生的动手能力、合作精神和创新意识，需要实实在在的实验操作，学生亲手实验、亲身经历是线上实验无法替代的。因此，需要将融合后的慕课和虚拟仿真实验与线下实验教学有机结合，通过混合式教学，发挥最大功效。

在慕课和虚拟仿真实验深度融合的基础上，一个完整的混合式实验教学流程仍然可以用课前、课中和课后三个阶段来描述。如图3所示，在课前，学生在“虚拟学堂”在线预习，了解实验相关基本原理、仪器设备和注意事项，进行虚拟仿真实验操作，并在线提交预习报告。在预习报告中，基于在线学习和实验操作，说明实验中使用的材料、实验操作主要步骤和关键实验参数，对于设计性实验要求提出实验方案。在课中，进行线下实验操作，部分难以实现的实验同样采用实体实验与虚拟仿真实验并行的方式。课后学生进行数据分析，完成实验报告，并可以利用“虚拟学堂”复习巩固，在线交流答疑。因为线上学习过程中学生已经获得了接近线下实验教学的体验，因此线下教学过程中可以实现以学生为主导的教学，教师只在关键实验操作步骤和发现问题时予以指导，从而提高了学生独立思考和解决问题的能力。在这个过程中，视频学习和虚拟仿真实验灵活交互，实体实验和虚拟仿真实验并行，形成线上线下深层次交互的混合式实验教学。

图3 基于“虚拟学堂”的混合式教学模式

三、慕课与虚拟仿真实验深度融合的优势和意义

从这些探索性应用中，我们可以看到将慕课与虚拟仿真实验技术深度融合的优势主要包括以下几个方面。

首先，慕课与虚拟仿真实验的结合能够实现优势资源互补。慕课教学用视频的形式将实验相关理论知识和较为复杂的实验操作展示给学生，使学生能够在线预习，但是无法解决学生在实际操作中可能出现的问题。虚拟仿真实验利用其直观、安全等特点，允许学生尝试设置大量不同的实验条件，可以有效解决实验操作中存在的问题，从而实现慕课教学和线下实验教学无法满足的教学目标，但是学习过程中又缺少深入的理论和实验讲解。因此，将这两种线上教学手段联合应用，可以达到资源优势互补的目的。

其次，慕课与虚拟仿真实验深度融合后，形成了一体化的新型线上课程，可以独立地在线上完成实验教学过程。在慕课讲解理论知识后，虚拟仿真实验又通过逼真的模拟实验场景，带领学生走进三维立体的虚拟实验空间，体验实验操作。在混合式实验教学中，这样具有一定独立性的线上课程才能够不仅仅作为教学活动的辅助，而是成为教学过程的必备部分，从而带动传统实验课堂改革，在混合式教学中可以基于线上学习开展更加深入的教学。

最后，将慕课与虚拟仿真实验融合，实现了理论与实践相结合的教学目的。学生可以在线观看视频和讲义等资源，学习实验相关理论知识，然后用虚拟仿真实验初步掌握实验操作，同时通过在线交流，及时解决学习中遇到的问题，并完成线上测试检验学习效果。对不熟悉的知识可以在线上反复学习、反复实验。这样的过程能够将理论知识与实践应用紧密结合，使学生牢固掌握理论知识和实验技能，显著提高学生运用理论知识解决复杂工程问题的能力，满足新工科人才培养的需要。

四、结语

为了满足新工科背景下社会对工程人才的需求，在人才培养中需要重视学生应用理论知识解决复杂工程问题的能力，这对实验教学提出了更高的要求。为适应现代信息技术的快速发展，需要不断推进信息技术与实验教学的融合，利用信息化技术改进和丰富实验教学手段，探索适合于实验教学特点的混合式教学模式。

慕课和虚拟仿真技术是当今新兴的两种技术手段，慕课可以提供高质量的视频和丰富的资源，而虚拟仿真实验可以提供模拟真实实验的场景。将两者深度融合，在线上学习过程中可以在视频讲授、文字说明和虚拟仿真实验之间灵活交互，形成新型线上实验课程，从而实现了慕课与虚拟仿真实验的优势互补，为学生构建全方位的线上学习和实验操作条件。在教学模式上，这种新型线上实验课程具有独立性，能够独立地在线上完成实验教学，从而在线上线下混合式实验教学中，成为教学活动的必备工具，改变传统线下实验教学，使线下实验教学可以基于线上学习成果开展深入学习，形成线上线下深层次交互的混合式实验教学模式。在人才培养上，新型线上实验课程兼顾理论学习与实验技能培养，尤其是在综合性和设计性实验中，将相关的多种理论知识和实验方法紧密结合，学生可以在线上反复学习、反复实验，从而提高学生运用理论知识解决复杂工程问题的能力，满足新工科人才培养要求。