理工科虚拟仿真实验项目建设的实践与思考

黄志高，郑勇平，林应斌，陈水源，李加新，赵桂英

(福建师范大学物理与能源学院，物理学国家级实验教学示范中心，福建 福州 350117)

建设中国“一流课程”是目前高等教育的教改热点，2020年11月教育部发布了首批国家级一流课程．2018年6月22日，在成都召开的“新时代全国高等学校本科教育工作会议”上，教育部长陈宝生提出了“四个回归”，并指出：对大学生要合理“增负”，真正把“水课”变成有深度、有难度、有挑战度的“金课”．之后教育部相继出台了《教育部关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》(教高〔2018〕2 号)和《教育部关于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知》(教高函〔2018〕8 号)，明确提出专业建设的“双万计划”和五大一流课程建设目标．教育部高等教育司吴岩司长也在多次会议上提出，要下大力气建设五大类型“一流课程(金课)”，即线下、线上、线上线下混合式、虚拟仿真和社会实践“一流课程”[1]．作为5 类国家“一流课程”之一的国家虚拟仿真实验教学项目，其建设水平也必须遵循国家“金课”的“高阶性、创新性、挑战度”，即“两性一度”标准． 2017年7月，教育部发布《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》(教高厅〔2017〕 4号)，计划在高校实验教学改革和实验教学项目信息化建设的基础上，统筹规划2017—2020年在60 种学科类别中认定1 000项左右示范性虚拟仿真实验教学项目．2017 年在8个学科类别中认定105个项目．2018年在23个学科类别中认定296个项目．2019 年在26个学科类别中认定327个项目．这里重点分析2017—2019年理工科类申请及批准情况，理学 (申报数257，批准数88，批准率34.2%)，占申请总数12.4%、占批准总数的12.1%，其中物理学类(申报数53，批准数15)、生物科学类(申报数73，批准数35)、化学类(申报数119，批准数11+20)、心理学类(申报数12，批准数7)．工学类 (申报数862，批准数263，批准率30.5%)，占申请总数41.5%、占批准总数的36.1%，其中，电气学类(申报数64，批准数15)、机械类(申报数173，批准数44) 、电子信息类(申报数63，批准数14)、航空航天类(申报数34，批准数9)、化工与制药类(申报数118，批准数30)、交通运输类(申报数60，批准数16) 、核工程类(申报数22，批准数13)、能源动力类(申报数37，批准数13)、土木类(申报数119，批准数13+20)、测绘类(申报数15，批准数11)、环境科学与工程类(申报数30，批准数11)、食品科学与工程类(申报数31，批准数13)、地质类(申报数20，批准数11)、建筑类(申报数21，批准数10) 、矿业类(申报数35，批准数10) 、兵器类(申报数20，批准数10)．总的特点是竞争激烈，理工科的平均批准率31.4%．

从2017年到2019年，教育部对项目申报和认定均提出了具体要求，涉及团队情况、项目描述、网络要求描述、技术架构及主要研发技术、项目特色、持续建设服务计划、知识产权、诚信承诺、附件材料、学校承诺意见等方面的内容．并且随着项目开发和研究的深入，逐年完善了对项目申报和认定的要求，例如:2017 年要求对教学理念、内容、方式方法、开放运行、评价体系等予以说明；2018年起则要求体现项目建设的必要性及先进性、教学方式方法、评价体系及对传统教学的延伸与拓展，更加强调与实体实验的关系及其对实验教学的作用；2018 年起在实验方法与步骤要求中指出，要包括实验方法和学生交互性操作步骤说明、实验结果记录情况和结果形式、上线时间和开放时间、服务学生人数、是否向社会提供服务等内容；2019 年要求明确标示实验所属课程课时和项目本身所占课时，并在阐述实验原理时说明核心要素的仿真度，明确是否纳入教学计划，强化了项目与教学计划的关系，强调了虚拟仿真项目面向实验教学的仿真度和有效性．同时，高东锋等[2-5]就虚拟仿真项目建设及其对高校实验教学改革的影响与应对策略做了很好的研究，对项目建设提出了指导性意见．综上所述，虚拟仿真项目越来越强调课程关联性、操作交互性、项目有效性(评价)、服务开放度(时间、空间、人数)、内容仿真度．

1 虚拟仿真实验项目的选择依据

图1 给出了虚拟仿真实验项目的建设要点及其评分标准，对教学理念、实验内容、教学方法、实验研发技术、开放运行模式、教师队伍、评价体系作了详细的要求，当然最终落实到实验教学效果，即落脚点是提高人才培养质量．熊宏齐等[6]总结凝练出国家虚拟仿真实验教学项目要具有实验内容精彩、实验构思巧妙、实验技术先进、实验做法灵活、实验评价客观、形象展现抽象、拓展实验教学的广度和深度、加速推进实验教学与理论教学平衡发展等8个新时代的教学特征．

图1 虚拟仿真实验项目的重要关注点及评分标准

如何选择虚拟仿真项目是首要也是最重要的工作，正如吴岩司长在中国大学教学论坛上的报告所提出的选题的基本原则：要实现信息技术、智能技术与实验教学的深度融合，能破解高等学校实验、实习、实训中的老大难问题，解决实物实验“做不到” “做不好”“做不了”和“做不上”的问题．在选择项目时，首先,应考虑专业属性，是理科还是工科，是基础类还是工程类，类别不同，项目的目标就会存在很大的区别，例如：有关太阳能电池的项目，若在物理学专业申报，则应该侧重于半导体材料物理与光伏效应；若在电子信息类专业申报，则应该侧重于光伏器件与光伏发电．其次，应该考虑实验和实践课程，所属的课程最好是本专业的主干课程．最后，应考虑所选的项目是否具有明显特色，是否包含熊宏齐所提出的实验内容精彩、实验构思巧妙、实验技术先进、实验做法灵活等特征之一．下面以本课题项目组完成的2个国家级虚拟仿真实验项目的选择依据为例加以说明.第一个项目，所申报专业类为能源动力类(新能源科学与工程专业)，为工程类项目，依托课程“锂离子电池生产工艺”和“储能原理与技术”.对新能源科学与工程专业来说，太阳能、风能、生物质能和储能技术是该专业的四大方向，因此“锂离子电池生产工艺”和“储能原理与技术”是主干的基础课程. 锂离子全电池制作包含了电芯设计、制浆、涂布、辊压、分切、焊极耳、卷绕、底点焊、滚槽、焊盖帽、注液、封口和化成检测等13道工序，但作为一个项目，详细介绍13道工序显然内容偏多，所以择优选取了电芯设计、制浆、涂布、辊压这四大最重要的技术，形成了“锂离子电池生产关键工艺虚拟仿真实验项目”.它符合实验内容精彩的要求，突出了2个特色：之一是通过线上线下融合式学习，使学习效率大大提升，同时大幅度提升学生对关键工艺因素、原理的理解和掌握，更好地实现工科“做中学，学中做”的教学理念；之二是通过智能化导学，开展个性化教学，提高了学生学习的兴趣，重点解决个性化学习问题．第二个项目，所申报专业类为物理类(物理学专业)，为基础类项目，依托课程是“近代物理实验”，X射线衍射实验是其中最经典的实验.选择“X射线衍射及结构相变原位表征虚拟仿真实验”基于下列考虑：之一是重要性， X射线的发现是首届诺贝尔物理学奖项目(1901年，伦琴)，且自从X射线发现以来，其对物理学、材料科学、生命医学、化学化工等众多领域的研究与发展产生了极为巨大的作用，至今共产生了25项与X射线有关的物理学、化学和生理医学诺贝尔奖，因此X射线堪称史上伟大的发现；之二是危险性，X射线是无色无味、看不到、摸不着的短波长高能电磁波，与核辐射一样，对人体有伤害；之三是创新性，把自主研发的原位X射线检测模块与粉末衍射实验结合，开发出动态环境下晶体结构原位检测虚拟仿真模块并应用于创新性实验中，这符合实验技术既经典又先进的特征．

2 虚拟仿真实验项目的开发步骤及关键点

虚拟仿真实验项目开发通常包含脚本编写、实物建模、环境构建、交互设计、创新实验和实验报告等6步骤，如图2所示．

图2 虚拟仿真实验项目开发的6步骤

(1)脚本编写．就像电影和电视剧拍摄，剧本是最重要的． 当确定实验项目后，就要围绕主体内容，呈现情景、实验过程、交互、数据处理、创新实验等构想及其相应的文字描述，并且需要多次与软件开发工程师沟通，使他们理解笔者要表达的意思，进而转换为软件开发的语言和程序．因此，脚本编写很重要，也很费时费力，需要教师和软件工程师协作完成．

(2)实物建模．建立实验仪器和设备的3D模型．在虚拟仿真实验中，大多数实验应该做到虚实结合，比如开展锂离子电池关键工艺虚拟仿真是基于已建成的中试线的设备，通过实物建模相对容易，软件工程师一般会到实验现场进行全方位拍摄并阅读仪器说明书和使用细则，辅以3D技术，建造出来的模型逼真且可视化.图3给出了原位X射线三电极电解池的实物与模型．

图3 原位X射线三电极电解池的实物与模型

(3)环境构建．为了获得身临其境的视觉感受，需要构建虚拟的实验室工作环境，包括实验室的具体布置、实验设置和工具箱及其工具的摆放等，若是具备虚实结合的条件，虚拟的实验室工作环境尽可能重现真实的环境及各种实验室安全管理守则、实验步骤和要求，以及其他衬托氛围的前沿介绍等．图4给出了开发的两个虚拟仿真项目的锂离子电池涂布车间和X射线衍射实验室环境．

图4 锂离子电池涂布车间和X射线衍射实验室

(4)交互设计． 交互设计及相应功能的实现是虚拟仿真最重要也是最难的环节．能否做到实验内容精彩、实验构思巧妙、实验技术先进、实验做法灵活，首先是实验脚本中有关交互的设计.按照虚拟仿真项目的评审要求，学生实际参与的交互性实验操作步骤须不少于10步．交互性实验是评价虚拟仿真项目水平的重点，有些实验项目在设计交互性实验时只是设计简单的操作实验，看不到参数调节及其产生的实验结果，显然这是初级版；有些实验项目有实验操作、人机对话，更重要的是实现了参数调节与实验现象和结果的因果呈现，这算是中级版；除了实现中级版目标外，若增加了创新性实验内容，即学生可以根据实验的目标要求，自行查阅资料、设计实验方案、选择设备和进行实验测量，最后写出研究性报告，这就达到了高级版．高级版不仅要求学生对仪器设备的构造、工作原理和操作规程很清楚，而且要掌握实物实验完整的实验数据．对于创新性实验，更需要有自主研发的设备、先进的实验技术．在交互设计时，还需要建立基于参数控制的计算模型，并且模型的准确性需要与真实实验结果进行比对．因此，交互设计过程需要反复设计与验证，不断地完善．项目能否出彩，关键看交互设计的精彩度．下面以锂离子电池中辊压工艺的交互性设计为例加以说明，如图5所示．

图5 辊压工艺的交互性设计

(5)创新实验．在虚拟仿真项目建设和评审中，十分强调紧密结合专业特色，把科学研究和行业产业发展最新成果融入项目之中，注重将科学研究的思维和方法融入虚拟仿真教学过程，以调动学生参与实验教学的积极性和主动性，激发学生的学习兴趣和潜能， 增强学生实践能力和创新创造能力．因此把研究性仿真实验内容嵌入项目是提高项目建设水平的重要观察点．以结构相变原位表征虚拟仿真实验为例，说明如何开展创新性实验的虚拟仿真．以具有自主知识产权的三电极原位X射线电解池为实验模型，结合X射线衍射实验原理，通过设计锂离子电池在充放电过程中相结构变化动力学理论，并结合相应的实验过程，开发了不同充放电电流诱导下晶体结构相变原位检测虚拟仿真实验．在这个应用和创新型实验中，学生需要自主查阅参考文献，在对电化学过程中材料结构变化了解的基础上，通过设计实验方案、搭建实验装置，开展X射线衍射创新及应用仿真实验．在实验中，系统仿真LiCoO2锂电池充电过程中电池材料结构的变化过程，并通过X射线粉末衍射原位检测充放电电压、晶格常数和相结构随充放电电流的变化．最后，通过探究性实验过程原理的动画展示和解说，让学生在仿真实验过程中体验科学研究过程，培养创新思维，体现了仿真实验的研究性学习过程．

(6)实验报告．实验报告是项目考核评价的主要依据，报告主要包含过程性和终结性评价两部分．过程性评价：学生通过考核模式，在没有人机互动的情况下独立完成实验过程，自动记录学生所有操作完成情况(包括完成时间、提示次数)，并将实验结果与系统预设参考数据相对应，自动给出考核结果.终结性评价：基于实验报告的格式要求，主要包含实验目的、实验原理、实验过程、实验结果与分析，特别对于创新性实验，要求学生以学术论文的格式写出一篇研究报告．图6以锂离子电池生产关键工艺虚拟仿真实验项目的实验报告作为一个范例，突出如匀浆、涂布、辊压和注液等过程性实验操作的记录、评价，并且把成本因素也考虑其中．

图6 实验报告模板

3 总结与展望

虚拟仿真实验项目开发与应用对于提高教学质量意义重大，目前已涉及所有专业门类．为了建设好虚拟仿真实验项目，应高度重视课程关联性、操作交互性、项目有效性、服务开放度、内容仿真度．针对不同的实验项目，尽管情景和实验内容不同，但都必须做好脚本编写、实物建模、环境构建、交互设计、创新实验和实验报告等6大关键步骤．当然，虚拟仿真实验项目开发与应用永远在路上，评上国家级和省级虚拟仿真实验项目后：一方面，必须根据教学需要和存在的问题不断改进内容并引入更新的技术；另一方面，须建构更优的网络环境、推广策略及政策，不断扩大项目的受益面．