基于虚拟仿真技术建立线上线下融合的大学实验教学体系

［摘 要］文章通过分析传统高校实验教学体系的特征及其存在的问题，研究高校实验教学的特征及其体系构建要点，推出了线上线下融合式实验教学的课程建设方案，提出了推进理论教学的整体优化改革与创新的具体方案。

［关键词］虚拟仿真教学；线上线下融合教学；高校实验教学体系

［中图分类号］ 642.423 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）23-0014-05

实践教学是帮助学生巩固和深化理论知识的有效途径，是应用型/工科类专业培养高校人才创新实践能力的重要方式，也是学生从学校学习阶段过渡到岗位工作阶段的关键环节。长期以来，传统实验教学存在着实验教学模式僵化、创新性不足、技能训练模式过于刻板、学生自我发挥探索实践的空间有限等问题，在一定程度上抑制了学生对实验课程的积极主动性。在科技高速发展的今天，传统的实验教学已经不能够满足教学的需求，高校需要采用虚拟仿真实验教学。

高校实验教学体系应采用线上线下融合的方式，以突破实验资源的限制，实现实验资源共享，打造与学习实践目标相匹配的专业实验教学体系，使高校的实验教学更好地服务于提升教学质量和学生的创新创业能力。

一、高校实验教学体系构建要点

（一）实验教学须领先于经济社会发展

目前，部分高校实验教学所使用的实验仪器和实验方案仍然存在滞后于社会需求的现象，这不利于高校人才的培养。此外，一些公司使用的实验仪器相较于高校实验室中的设备更为先进，这导致高校学生难以快速融入社会。

实验教学的目的在于让学生掌握实验技术，将科学成果转化为实际行动，培养学生理论与实践相结合的能力和素养。科学的发展离不开实验，通过科学、有效的实验，我们可以不断提炼出更加成熟的技术，从而为国家的持续发展提供强大的支撑。而高校实验教学肩负着培养学生实验能力的重任，因此，实验课程体系和教学内容必须及时进行改革，以满足经济社会发展对高校人才培养的需求，促进教育质量的提升。

（二）将虚拟仿真实验作为高校实验教学体系构建的重点

开发虚拟仿真实验教学项目，可以更好地将最新的科研成果融入实验课堂，推动实验课程教学内容的快速更新，以满足经济社会发展对高校提出的育人要求。然而，构建实验教学体系是一项复杂且资金投入量大的工作，它的开发必须克服从理论到实践的转变，以便让人们能够更直观地体验从理论到实践的发展和变化。因此，高校实验教学体系的构建应严格遵循教育部颁布的《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》（教高〔2019〕8号），采用现代化技术手段，结合实际应用，开发虚拟仿真实验教学项目和线上线下混合式实验课堂，将先进的科学技术和科学实验设备应用于实验课程，进行实验课程改革和技术创新，以更好地适应学生的学习需求。同时，还需要改进专业实践模式，打造出一个全新的、专业对口的高校实验教学平台。

（三）平衡虚拟仿真实验教学发展与创新之间的关系

实验教学体系的发展和创新必须遵循六个平衡，即基础与前沿的平衡、传统与现代的平衡、单一原理与多元化设计的平衡、个人操作与团队协作的平衡、理论原理与实践技术的平衡、逐步学习与研究探索的平衡。在这些平衡关系中，传统的实验室实验教学项目主要体现前者，帮助学生建立专业的基础理论、方法和技能；而虚拟仿真实验教学和学生科研训练则主要体现后者，帮助学生更好地巩固专业技能，了解专业最新发展，并增强学科交叉能力，培养实践素养。

二、线上线下融合式实验教学的课程建设方案

根据教育部颁布的《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》（教高〔2019〕8号），线上线下融合式实验教学应该采用更加先进的虚拟仿真实验技术，以改进和优化传统的实验教学模式，实现混合式实验教学，提高实验教学质量。具体的课程建设方案如下。

（一）线上实验教学的改进方案

为了提高学生的实验技能水平，课题组推出了一种新型的线上实验课程，它将所有的实践活动转化为虚拟仿真形式，以便让更多学生更方便、快捷地理解和掌握知识。该线上实验课程划分为三类（见表1）：第一类为专业型实验，包括专业基础实验、专业课程实验、专业方向或者涉及本专业的前沿学科领域实验；第二类为学术型实验，包括专业或相关专业的前沿学科领域实验，以及专业方向的实验课程设计；第三类为创新型实验，包括专业创新型实验、学生自主创新型实验和师生协作创新型实验。创新型实验设计具体包括实验原理、实验步骤、注意事项、数据记录表及结果假设等内容，教师通过线上虚拟仿真实验平台对创新型实验进行构件设计，同时由专业教师和专家组成员进行审核，并对实验安全性和可操作性进行评估。只有经过专家组成员审核通过后，创新型实验才能在线下进行，以提高实验的可靠程度，并减少实验仪器和设备损坏的可能性。若实验可以顺利进行，则可以将实验流程融入虚拟仿真实验平台中，以增加线上实验的实验类型，完善线上实验平台的建设。

（二）线上线下混合式实验课程体系的构建方案

高校实验课程包括实际操作实验（线下）和虚拟仿真模拟实验（线上），旨在帮助学生更好地理解并掌握知识。为了满足当今时代的需求，适应经济、社会及其他领域的快速发展，课题组采用了混合式实验教学，将线下专业实验课程与线上专业实验课程相结合，构建线上线下混合式实验课程体系。

针对线下实验，要开设具有较高质量、具有较高综合性的课程，摒弃那些过时或无用的知识。同时，还需要对线上课程的内容和学习时长进行适当的调整，以便更好地利用最新的科学技术，开展更多的虚拟仿真实践活动。在线上线下混合式实验课程体系中，还要增加使用虚拟仿真技术的实验课程所占的比例。将线上线下实验课程进行有效融合有以下几种方案：

（1）线下实验+线上理论教学。

（2）线下实验+线上辅助实验。

（3）线下实验+线上虚拟仿真辅助实验（用于线下实验预习）。

（4）线下实验+线上MOOC（用于布置任务、理论指导、作业、管理等）。

（5）线下实验+线上虚拟仿真实验。

通过将线上线下实验课程融合，大量引入虚拟仿真实验课程，可以帮助学生拓宽知识领域，丰富实践经验，并获得更大的收获。这样的课程既简单又实用，能够让学生更加全面、系统地参与到本科的实验教育中。其中，虚拟仿真实验课程融入实验课程体系的具体形式如下（见表2）。

此外，为了帮助学生科学合理地规划所学专业实验课程，课题组设置了线上线下专业课程实验教学体系建设的参考路径：

（1）根据《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》的规定，更加精确地确定专业学生的知识、技能、素质等培养目标，以满足社会对高素质人才的需求。

（2）全面调整并重新设计专业的实验课程体系，包括模块、层次、名称、学分和学时等，以满足学生对于实验类课程的学习需求。

（3）经过系统的筛查、重组和调整，淘汰落后的传统专业实验模式，并积极与先进的技术相结合，开发出更具创意和挑战性的实验课题，从而使实验课堂更加符合当今的发展趋势，更好地满足专业人才的培养需求。

（4）构建一个包含各种实验教学内容的关联矩阵，这个矩阵的横轴代表着满足不同专业的学习需求（包括但不限于实验课程、实验项目、主讲教师及其他相应的指导教师、各个小组的成员），纵轴表示这些需求的大小及它们之间的相互作用。

（5）重新设计高校实验教学课程，并为各专业配备实验教学资源配置图，根据各个专业实验教学资源进行安排，以便更精准地对线上线下的实验课程及其所占比例进行科学合理的分配。

（三）线上线下混合式专业实验教学资源配置——以河南理工大学安全工程专业为例

专业实验教学资源配置图是一种重要的工具，它可以帮助我们更好地管理和组织实验室的资源，为教师提供一个更加精确的指南，从而更好地指导学生的学习，提高学生的实验能力。

在制订专业的实验教学资源配置图时，邀请来自专业领域的权威人士参与是非常重要的，例如邀请有着丰富实践经验的教授、在实验教学领域取得显著进展的优秀人才等。下面以河南理工大学安全工程专业本科人才培养为例，对专业实验教学资源配置图做详细解析（见表3）。通过分析河南理工大学安全工程专业本科生的实验情况，可以深入了解该学院的实验室和课堂的资源分布情况，从而更好地提升学生的能力。

三、实验教学的整体优化改革与创新的建议

（一）引入传统的简单实验，可以更好地将理论知识融入基础的虚拟仿真课程中

虽然随着科技的发展，利用信息技术进行在线实验已被广泛应用于理论教学中，但传统的简单实验能够使学生更易于进行复杂的验证性操作，为更难的实验操作流程打下坚实的基础，并可将其作为评估学生能力的重要依据，使其他传统的简易验证性操作能够得到充分的应用。

（二）利用多种信息来源，结合多样化的实践活动，以培养学生独立思考、深入研究和掌握专业技术的能力

经过改进的实验教学体系，将一些已经失效的验证性实验纳入其中，能够帮助学生更好地掌握并运用各种知识，包括基本的数据、模型、算法、工具等，从而更好地应对复杂的现代社会问题。此外，将最新的科技和工程技术纳入理论课的教学中，不仅可以大大节省教师的教学时间，还能更好地满足学习者的需求。

（三）淘汰落后的传统实验模式和内容

为了更好地满足当今经济、社会及其他发展的要求，将最新的科研成果和更多的实践性活动引入高校实验教学的课堂中，以提升实验课程的教学效果。同时，可将不同专业知识有效地融入课堂中，以更好地满足当今的实际需求。

（四）全面贯彻多层次变革实验教学理念

虚拟仿真实验教学是一种具有革命性的教学方法，它不仅彻底改变了传统的教学模式，还极大地拓宽了学生的视野，使得他们的学习体验得到了改善。虚拟仿真实验教学系统可以将实验的各种步骤有机地结合起来，使学生更加深入地了解实验教学的实际情况，并更好地实现实验教学的目标。

（五）利用虚拟仿真实验教学推进创新创业教育融入专业教育全过程

虚拟仿真实验教学可以大大完善实验课程体系与教学内容，甚至可以替代传统实体实验，将多种实验结果融为一体，以更好地反映当下最先进的科学技术，实现学习内容与实践能力之间的协调，从而满足学生提升创新能力及实践能力的需求。对于培养学生的创造力来说，改革课程体系和教学内容已成为推动创业教育深度渗透到整个教学过程的重要举措。

四、总结

本文通过分析高校实验教学体系构建要点，从社会、课程构建、教学与创新三个方面展开探讨，最终确定了线上线下融合式实验教学的课程建设方案，包括线上实验课程的改进方案、线上线下混合式实验课程体系的构建方案，以及以河南理工大学安全工程专业为例分析的线上线下混合式专业实验教学资源配置方案，并为实验教学优化改革和创新提出了相关建议。

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［责任编辑：钟 岚］