新常态下“虚实结合”开展实验教学的探索

蔡晓磊 朱孝勇 徐磊 黄永红 康梅

摘   要：疫情期间，根据教育部提出的“停课不停学”要求，全国高校利用各类网络平台开展形式多样的在线学习。基于虚拟仿真实验教学资源的建設情况，文章提出“虚实结合”实验教学新模式，讨论了以虚拟仿真实验教学资源作为线上课程、“虚实结合”开展实验教学的思路及方法;介绍了江苏大学在疫情期间如何指导开展实验教学的案例，探讨该“虚实结合”实验教学模式的实际意义;在新常态下，能及时改变、积极应变，以期在教育信息化建设中更好地实现实践育人，为实验教学信息化改革提供参考。

关键词：实验教学;新常态;虚拟仿真;虚实结合

中图分类号：G642          文献标志码：A         文章编号：1673-8454（2022）08-0110-06

2020年上半年，受新冠肺炎疫情影响，全国高校开展了超大规模的在线教学活动，保证“停课不停教、停课不停学”。下半年，随着疫情防控形势的好转，学校教学活动逐渐恢复正常，走向常态化。而疫情期间，虚拟仿真实验教学得到了较好的推广与应用，并取得了不错的效果，进入常态化时期，在线虚拟仿真实验对实验教学的影响会持续下去。

近年来，随着国家级虚拟仿真实验教学中心和国家虚拟仿真实验教学项目的不断建设，虚拟仿真实验资源得到了快速发展，极大地丰富了实验内容和实验课程。本文在分析虚拟仿真实验建设现状和发展趋势的基础上，立足“立德树人”的根本任务，围绕实验教学的基本意义，提出并探讨“虚实结合”开展实验教学的模式及方法，着力解决实验教学中“做不上、做不了、做不好”的难题，也希望通过信息化教育教学方式，更大程度地提高学生实践能力和创新精神，以适应新时代人才培养的新要求。

一、虚拟仿真实验的现状与趋势

（一）虚拟仿真实验的建设现状

根据《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》和《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》指导意见，自2013年起，教育部先后启动了国家级虚拟仿真实验教学中心和国家虚拟仿真实验教学项目的建设工作，截至目前，国家级虚拟仿真实验资源（包括国家级虚拟仿真实验教学中心和国家虚拟仿真实验教学项目）的建设已经进入新的阶段，具体情况统计如表1所示。[1-3]

2019年10月，《“双万计划”国家级一流本科课程推荐认定办法》（以下简称“双万计划”）发布并提出，经过3年左右时间，将完成1500门左右国家虚拟仿真实验教学一流课程认定，国家虚拟仿真实验教学项目正式纳入“双万计划”国家级一流本科课程建设行列。以上项目均在国家虚拟仿真实验教学项目共享平台全天候开放，目前，该平台向全国高校免费提供2000余项虚拟仿真实验教学项目，这些实验资源覆盖了41个专业类别中的255个专业和1561门课程。

在国家级虚拟仿真实验教学中心、国家虚拟仿真实验教学项目建设的引领下，除国家级平台之外，还有数十个省级虚拟仿真实验教学项目共享平台，数百个校级平台、企业平台，这些平台都提供了大量优质虚拟仿真实验教学资源，直接面向社会和高校开放共享。

（二）虚拟仿真实验的发展趋势

随着国家虚拟仿真实验资源建设工作的稳步推进，各高校及相关企业对虚拟仿真实验的投入不断加大，利用虚拟仿真实验进行教学成为新的趋势。下面是虚拟仿真实验发展的几个方向。[4]

（1）虚拟仿真实验正朝着大体量、高质量的方向发展。2018年，教育部吴岩司长在“建设中国金课”中将国家虚拟仿真实验教学项目定义为国家级五大“金课”之一;[5]2019年，“双万计划”的发布进一步有力推动了虚拟仿真实验教学项目向具有高阶性、创新性和挑战性的“金课”发展。在教育部门的积极引导和推动下，随着虚拟仿真技术的日臻成熟，国家级虚拟仿真实验教学成果不断涌现，虚拟仿真实验正呈现蓬勃发展态势。

（2）虚拟仿真实验正朝着规模化、体系化的方向发展。2019年，“虚拟仿真实验教学创新联盟”成立，以联盟的形式，协助各高校企业规范有序地开展虚拟仿真实验教学项目的建设与共享，推动完善高等教育信息化实验教学项目新体系，促进高校虚拟仿真实验教学质量和水平的提升，实现虚拟仿真实验的有序发展。

（3）虚拟仿真实验正朝着产学研一体化的方向发展。一些虚拟仿真实验教学项目源于科研成果的转化，体现了科研反哺教学的特点;一些项目根据实际生产环境开发，展示了行业的先进技术。这些项目不仅具有实验教学功能，还可以成为企业培训和社会服务的素材。先进的科研技术和工业成果为虚拟仿真资源建设提供了重要内容;同时，虚拟仿真实验教学资源也促进了产学研的进一步融合，成为协同育人的重要组成部分。

二、“虚实结合”开展实验教学的思路及方法

实验教学是培养和提高学生动手能力、创新能力和解决实际问题能力的重要环节。通过将虚拟仿真实验引入实验教学并与“实体实验”相结合，以“虚实结合”的模式开展实验教学，突出了实验教学不受时空限制的灵活性，提升了实验教学学科的综合性，实现了实验教学效果的新突破。在新时代高等教育内涵式发展背景下，“虚实结合”开展实验教学是实验教学主动适应新技术革命性变化的必然结果，也是培养新时代大学生实践创新能力和社会责任感的重要举措。

（一）“虚实结合”的实验教学模式

自行建设或引入符合本校人才培养目标、切合课程实际的虚拟仿真实验教学项目，将其应用于实验教学，一般有以下几种方式，如表2所示。

本文提出的“虚实结合”实验教学模式主要包括表2中第2和第3两种方式，属于“进阶”模式。在该模式下，虚拟仿真实验与实体实验并存，“虚实结合、虚实互补”，并逐步将更多优质的虚拟仿真“金课”资源应用到实验教学中，该模式将会改变传统的完全以教师讲授为主的实验教学方式，逐步建立以学生为主体、学生自主设计探索为主要特征的实验教学模式，将有效改善实验教学方式，更好地实现实践育人。

（二）正确处理虚拟仿真实验与实体实验的关系

随着“互联网+教育”模式的快速发展，虚拟仿真实验教学逐渐走进课堂;正确处理好虚拟仿真实验与实体实验的关系，将虚拟仿真实验教学融入实践教学体系是“虚实结合”开展实验教学过程中首先要解决的问题。

（1）不能否定实体实验在实验教学中的主体作用。即使在教育信息化时代，在提高学生动手能力和主动解决问题的能力方面，实体实验仍然不可或缺。

（2）近年来，中国大学MOOC、雨课堂、云班课等新一代的教育教学方式层出不穷，在理论教学课堂上大放异彩，这些教学方式极大地增加了学生的学习兴趣，提高了学生的学习效率。而虚拟仿真实验资源作为实验教学中的“新产品”，目前作为实体实验的补充，给实验教学带来新的思路。

（3）在新常态下，原先需要跨区域开展的实践活动，现阶段可以优先选择使用虚拟仿真实验资源进行在线教学，利用虚拟仿真不受时间、空间限制，适合自主学习的特点，保证“学习不延期”。在充分考虑实际情况后，以“以虚补实”的方式开展实验教学活动。

（4）充分考虑学科特点的差异，不能一味地要求所有的学科课程都开展虚拟仿真实验教学;一些可以开展虚拟仿真实验教学的课程，也不能盲目地取消实体实验而全部转至线上教学，需要结合实际情况，尽可能做到“能实不虚”。

（5）逐步建立“虚实结合”实践教学体系，彰显“虚实互补”的实验教学特色。充分发挥信息化教学优势，学生的学习更加高效，师生的交流更加方便，也实现了由教学工具创新到教学模式创新的新途径。

三、“虚实结合”实验教学的几个关键问题

（一）因势而新的运行机制

目前虚拟仿真实验教学资源繁多，在国家虚拟仿真共享平台、各省级平台以及各高校平台、企业平台等数百家平台上开放了成千上万个虚拟仿真实验教学项目。普通教师如何从如此众多的平台资源中筛选到合适的虚拟仿真实验项目，并将其应用到实验教学是一个不小的困难。探讨是否可以在国家平台的支持下，开发“优质资源共享系统”，将更多的省级平台项目、校级平台项目、企业项目资源接入该“优质资源共享系统”，实现全平台范围内的资源共享。这需要制定管理系统规范标准，统一接入资源接口，涉及教学管理、网络管理等多个部门，需要建立多部门协同工作机制。[6]

任课教师在找到合适的虚拟仿真项目资源后，如何与该资源的负责人联系沟通，如何尊重知识产权、达成协议、实现共享应用也是一个问题。此外，选择的虚拟仿真实验教学项目能否达到本课程教学大纲的要求，也存在甄别的困难。这些都需要实验教学管理部门及时出台相关管理办法，协助协调虚拟仿真实验资源，提供指导。不断地更新运行机制，推进虚拟仿真实验教学项目的应用，推动“虚实结合”实验教学模式的可持续发展。

（二）主动求变的教学理念

新时代需要树立新的教学观。发展素质教育、落实立德树人根本任务，需要加强学生关键能力核心素质培养，着重培养适应社会需要的综合性人才。随着信息化技术与实验教学的深度融合以及国家虚拟仿真实验教学资源的持续建设，作为教育工作者，需秉持新时代新观念，深化探索实验教学改革，主动运用新技术，接受新挑战。

在新常态下，教育管理者需要及时改变、积极应变、做足预案，加强在线教学的组织、管理和监督工作。及时指导并遴选优质虚拟仿真实验教学资源作为线上教学资源;适当调整教学计划，打破传统课堂与在线教学的壁垒，更新教学观念，实验教学也可以在线开展。充分发挥虚拟仿真实验教学的优势，以学生为中心，鼓励支持学生利用在线资源自主探索学习，达到预期教学效果。

（三）科学规范的评价体系

将虚拟仿真实验教学纳入相关专业教学课程，制订相关教学效果评价办法是“虚实结合”开展实验教学的重要内容。不同高校由于学科专业差异、施教理念不同，虚拟仿真实验教学资源的体系结构、适用度等也不尽相同。因此，对于虚拟仿真实验教学的项目学时在课程总学时的占比，以及不同高校对同一虚拟仿真实验教学项目的考核评价方法，也应“因课制宜”。原有的实验评价机制不再适用，需要本校教学主管部门主动引导，与课程负责人共同探讨，建立适合本校学生在线学习的实验教学成绩考核评价体系，更好地服务于实验教学。应用实施过程中，根据师生在线反馈，持续改进相关教学评价机制，教师从平台获得实验结果，科学分析，及时改变，形成教学闭环，探索有利于虚拟仿真实验教学资源可持续运行的有效模式。[7]

四、“虚实结合”开展实验教学的实践案例

（一）“虚实结合”实践教学案例

依据“虚实结合”开展实验教学的思路，江苏大学在“停课不停学”期间采取一系列措施，指导本校实践教学工作有序开展。

（1）及时发布文件通知，调整教学计划。根据教育部相关文件精神，江苏大学及时印发《关于做好疫情防控期间实验教学工作的通知》，提出本学期的实验教学任务按照线上线下教学对接、虚拟实体实验互补的思路，调整完善实验教学计划。[8]要求各二级单位实验中心全面了解本中心教师授课内容和授课方式，指导并组织任课教师充分利用好虚擬仿真实验教学项目等校内外线上资源，合理安排实验教学。

（2）鼓励使用虚拟仿真实验教学项目，指导选课方法。开放本校虚拟仿真实验教学项目资源，公布国家级、江苏省、部分其他高校和相关企业的共享平台资源。明确校内外虚拟仿真实验教学项目资源能满足本课程实验教学要求的、可替代现有课程的部分实验。

进入常态化时期，随着虚拟仿真实验资源的不断推广，“虚实结合”实验教学取得了进一步的应用。学校除了继续推进“停课不停学”期间采取的一系列与虚拟仿真实验教学相关的教学措施外，还在学校实验教学管理系统中专门开设了“在线虚拟实验室”，并且将校内成熟的虚拟仿真实验项目作为专业课实验课程、创新学分实验课程、开放共享实验课程等，鼓励教师和学生继续使用。

（二）“虚实结合”开展实验教学的效果

（1）解决了实验教学“停课不停学”的难题。从全局来看，在去年“停课不停学”期间，学校以“虚实结合”的方式开展实验教学，面对突如其来的疫情快速响应，实验教学领域通过创新教学形式和内容的方式，积极应变，开展实验教学改革。

（2）可以完成原本一些“做不上”“做不了”的实验，如汽车碰撞、航空航天、特高压等相关课程实验。通过虚拟仿真技术，学生可以在虚拟环境中开展实验，实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。比如，学生在完成我校的《车身结构耐撞性与乘员保护评价虚拟仿真实验》过程中，通过多次修改车身结构参数、多次碰撞实验，最大程度实现乘员保护，最终让学生对本课程知识点留下深刻印象，达到了很好的教学效果。

（3）在实验教学过程中，借助“虚实结合”的方式，引导学生在我国“碳中和”承诺背景下思考电动装备相较于传统燃油动力的环境优势，培养学生的专业兴趣。比如，在完成我校《智能电动拖拉机电机性能评估与故障分析虚拟仿真实验》过程中，通过实时修改电动拖拉机电机参数，并不断进行测试与作业，让学生对课程知识点深入探索，了解我国前沿农机发展技术，激发学生投身于祖国现代化建设的崇高使命感。

五、“虚实结合”实验教学的思考和意义

（一）虚拟仿真实验与实体实验之间相互补充

传统实体实验可以让学生动手接触实验设备，真实体验实验情境，对实验过程中遇到的各种问题，主动解决，提高了学生的动手能力;虚拟仿真实验往往在理想环境中进行，不存在设备损坏，耗材、成本等问题，一般只要步骤正确，都能顺利完成整个过程，可见实体实验在这方面有着无法比拟的优点。正是因为实体实验的真实性特点，涉及高危或极端环境，高成本、高消耗、不可逆操作等问题的实验项目，真实实验条件难以满足，实现困难。而虚拟仿真实验则可以克服传统实体实验这方面的不足，在虚拟环境中开展这些“完不成、做不了、做不好”的实验项目，易于完成设计性、综合性以及真实条件不可及的实验。虚拟仿真实验的沉浸感，以及实验中的交互性、想象性等信息化技术特征更能够适应新时代大学生的特点，有效提高学习兴趣，改善了实验教学效果。因此，在实践教学过程中，践行“虚实结合，虚实互补”的教学理念，有着事半功倍的教学效果。

（二）有助于突出以学生为中心的实验教学理念，回归立德树人本质

虚拟仿真实验素材大多来源于科研成果、行业产业发展最新技术，或者国家战略需求，通过对这类精心设计的虚拟仿真实验项目的学习，不仅能激发学生的学习兴趣和专业热情，形成以学生为中心的交互式学习氛围，还能让学生接触行业产业前沿，引导学生毕业后从事新兴行业相关工作，树立社会责任感，主动适应国家战略发展需要。“虚实结合”开展实验教学，推动虚拟仿真实验与实体实验资源整合，增加一部分以虚拟仿真“金课”为代表的优质实验资源，淘汰一部分实体实验中陈旧落后的“水课”，有利于提高实验教学质量，是培养具有新时代创新精神和实践能力的高素质人才的重要内容;在落实立德树人根本任务、促进人的全面发展、着力培养全面发展的社会建设者方面有着重要的意义。

（三）“虚实结合”开展实验教学，推进实践教学方式变革

虚拟仿真实验不受时间、空间的限制，学生在个人计算机上通过校外网络就可以在线学习，打破了传统实验教学方式，不再拘泥于在实验室内由实验教师按部就班指导，延伸了实验教学的时间和空间;虚拟仿真实验全天候开放，学生可以自行调整时间安排，自主学习。基于以上特点，实验教学分成“虚拟仿真实验”和“实体实验”两部分，基于实际情况，灵活开展。“虚实结合”开展实验教学既是应对疫情的需要，也是教学改革的一次机会。如果能充分利用线上虚拟仿真实验教学资源，探索实验教学信息化带来的教与学的改革创新，将是推进实践教学方式变革、提高教学质量的有益尝试。

参考文献：

[1]教育部办公厅.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[EB/OL].（2017-07-13）[2021-08-28]. http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201707/t20170721_309819.html.

[2]实施一流本科课程“双万计划”让本科课程优起来——教育部印发《关于一流本科课程建设的实施意见》[EB/OL].（2019-10-31）[2021-08-28]. http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/xw_fbh/moe_2606/2019/tqh20191031/sfcl/201910/t20191031_ 406261.html.

[3]李平.推进虚拟现实技术应用 提高高校教育教学质量[J].实验室研究与探索，2018，37（1）：1-4.

[4]张敏，刘俊波.对高校虚拟仿真实验教学项目建设的若干思考[J].中国现代教育装备，2020（1）：10-13.

[5]吴岩.建设中国“金课”[J].中國大学教学，2018（12）：4-9.

[6]胡今鸿，李鸿飞，黄涛.高校虚拟仿真实验教学资源开放共享机制探究[J].实验室研究与探索，2015，34（2）：140-144，201.

[7]熊宏齐.国家虚拟仿真实验教学项目的新时代教学特征[J].实验技术与管理，2019，36（9）：1-4.

[8]江苏大学.关于做好疫情防控期间实验教学工作的通知[EB/OL].http：//yqfk.ujs.edu.cn/info/1005/1629.htm.

作者简介：

蔡晓磊，实验师，博士研究生，主要研究方向为电气控制与应用，邮箱： caixiaolei@ujs.edu.cn;

朱孝勇，教授，博士，通讯作者，主要研究方向为电气工程，邮箱：zxyff@ujs.edu.cn;

徐磊，副教授，博士，主要研究方向为电气工程，邮箱：leixu@ujs.edu.cn;

黄永红，教授，博士，主要研究方向为电气工程，邮箱：hyh@ujs.edu.cn;

康梅，高级实验师，硕士，主要研究方向为电气控制与应用，邮箱：kangmei@ujs.edu.cn。

Exploration on Experiment Teaching in “Combination of Virtuality and Reality”

under the New Normal Situation

Xiaolei CAI， Xiaoyong ZHU*， Lei XU， Yonghong HUANG， Mei KANG

（School of Electrical and Information Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang Jiangsu 212013）

Abstract： According to the requirement of“Classes Suspended but Learning Continues” proposed by the Ministry of Education during the epidemic of COVID-19， colleges and universities use various online platforms to carry out online learning. Based on the construction of virtual simulation experiment teaching resources， this paper proposes a new model of experiment teaching with the“combination of virtuality and reality”. It also discusses the ideas and methods of using virtual simulation experiment teaching resources as online courses and carrying out experiment teaching with the model of “combination of virtuality and reality”. It introduces the case of Jiangsu University in guiding the experiment teaching during the epidemic， and probes into the practical meaning of the experiment teaching mode. Under the new normalization of epidemic， the instant changes and active respond to changes are expected. With a view of better implementing practical education in the construction of education informatization， it provides a reference for the reform of experimental teaching informatization.

Keywords： Experiment teaching; New normal situation; Virtual simulation; Combination of virtuality and reality

編辑：王天鹏   校对：王晓明