1、背景介绍

虚拟仿真实验教学课程作为一种新型教育生产力已得到师生广泛认可，它有效破解了高校实验实践教学中存在的难题，使原本“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的实验实践教学内容教学成为可能，让线下无法实现的高温高压、有毒有害、操作不可逆、尖端科技等教学内容得以实施，完善了人才培养的实验实践课程体系，使学生的知识结构更加系统全面[1]。国内外学者都高度重视虚拟仿真实验教学课程的育人效果，并提出了建设和应用的有效举措[2-7]。虚拟仿真实验教学课程相比于其他类型课程，有4个显著特征：一是课程数量相对较少，讲授和参与该类课程建设的教师人数不多，各个高校虚拟仿真实验教学课程占全校课程总数的比例都不高；二是对课程质量要求高，不仅要满足高阶性、创新性、挑战度(即“两性一度”),而且还要具有“能实不虚、以虚补实”的功能；三是课程建设和应用周期相对较短，每门课程平均2～4个月可以完成建设，每门课程的课时数一般为2～4学时，同一时间可面向不同专业多个年级的学生开设，教学形式灵活且运行周期较短；四是课程教学对数字化环境要求较高，特别是发展到虚拟仿真实验教学课程2.0阶段，对软硬件设施提出了更高的要求。

基于虚拟仿真实验教学课程的特征，强化虚拟仿真实验教学课程内涵需要明确4个问题，即，“为什么建”“建什么”“怎么建”“怎么用”。经过近年的不断发展，前3个问题已经得到了较好解决，大部分高校已经积累了丰富的建设经验。立足建设初心，挖掘现实问题，突出“两性一度”,注重开放共享，充分体现一流课程质量标准。以华东理工大学为例，结合教育部相关文件精神和学校的办学特色，学校提出了“一求实六融合”课程建设理念[8],有效推动了虚拟仿真实验教学资源管理与教学应用的规范化。“一求实”是指狠抓建设课程的教育教学实效；“六融合”是指与现实需求融合，与特色学科融合，与发展布局融合，与科技前沿融合，与产业发展融合，与课程思政融合[8]。在该理念指导下，学校完成了60多门虚拟仿真实验教学课程建设，实现了虚拟仿真实验教学课程的数量积累，为如何开展虚拟仿真实验教学课程选题、如何打造虚拟仿真实验教学一流课程积累了经验。现阶段(2021年起至今),课程资源建设实现了从数量增长到质量提升的转变，与时俱进地提出了“因需而建、因势而建、以评促建、持续改建”的建设理念，其内涵不仅是利用本校建设的虚拟仿真实验教学课程，还要共享兄弟院校建设的课程资源，目标是使本校的虚拟仿真实验教学课程按照专业布局形成课程体系。新立项建设的虚拟仿真实验教学课程大多依托学校的优势学科和特色专业，高度重视课程的建设质量，强化课程内涵，打造精品课程。华东理工大学“缘化而立，依化而强”,化学化工相关的高质量虚拟仿真实验教学课程已有20余门。现阶段，如何不断强化课程内涵，如何提升课程育人实效，依然困扰着高校虚拟仿真实验教学课程的管理者和教师，部分高校“建而不用、育人效果不理想”的现实问题依然存在。本文在总结多年虚拟仿真实验教学课程建设、应用与共享的实践经验基础上，系统阐述如何强化课程内涵，如何对课程进行质量评价，从而提升该类课程的使用率和育人实效。

2、应用现状

虚拟仿真实验教学课程有效破解了高校实验实践教学中的沉疴痼疾，“以虚补实”的育人功能愈来愈受到认可[9-11]。虚实融合，线上线下资源互补，是数字时代实践教学新常态。虚拟仿真实验教学课程应用于实践教学，具有诸多优势，如，安全的教学过程显著降低了高温高压危险，消除了安全隐患，将线下无法实现的教学内容变为可能；环保无污染，整个教学过程不存在“三废”污染问题；学习者可无限次学习使用课程，方便实践课程知识的预习、复习和巩固提高。因此，如何利用好虚拟仿真实验教学资源，充分发挥该类课程的育人优势，意义重大。

结合对全国50余所兄弟高校应用情况的调研结果，归纳近年来虚拟仿真实验教学课程资源有以下4种教学应用形式[12-19]:(1)将虚拟仿真实验教学课程资源与线下实验教学融合，开展实验实践课程的混合式教学。如，化学工程领域存在的高温高压实验，安全风险大，学生不可能随意线下尝试，一旦操作错误可能带来非常严重的后果，需要让学生事先掌握规范操作。再如，操作生物和化学实验的过程中，部分实验可能会产生环境污染物，如果进行很多线下实验条件探索，就会产生“三废”污染问题。为了减少环境污染，降低操作安全风险，可以将虚拟仿真实验教学资源作为线下实验的辅助，先进行线上实验互动训练，再进行线下实验，2者有机融合在一起，开展实验实践课程的混合式教学。(2)作为独立的实验课程内容，开展线上教学。把虚拟仿真实验教学课程资源纳入培养方案，在知识与能力、过程与方法、情感态度与价值观等多个方面，提升学生的综合素养，培养学生的工程实践能力。虚拟仿真实验教学资源强调与学生互动，课程质量须满足“两性一度”要求，致力于提高学生的获得感和教学实效，努力激发与培养学生的创新思维和挑战意识。(3)作为现有实验课程内容的延伸和拓展。针对现有的线下实验内容，由于课时数、实验设备台套数等条件限制，学生没有充裕的时间和完备的实验条件进行课程内容的创新探索，就可以选择虚拟仿真实验教学课程资源作为现有内容的延伸与拓展。比如，通过学习笔者负责的国家首批虚拟仿真实验教学一流课程“极端条件下可控制备多维石墨烯虚拟仿真实验”,可以了解和学习石墨烯材料的相关理论知识和制备技术。(4)作为线下教学实验空余时间的补充内容。实践课程完成教学任务的时间存在个体差异，完成较快的学生，可以利用剩余的时间进行虚拟仿真实验教学课程学习，持续提升实践与创新能力。

3、强化课程内涵的举措

提升虚拟仿真实验教学课程的使用率和育人实效，需要从选题、建设、教学、评价、改进等多个角度进行系统设计。要从源头抓起，解决好“为什么建”“建什么”“怎么建”等问题，才能有效解决“怎么用”的问题。同时，课程建设要注重持续改进，高度重视学生的获得感，以评促建，强化内涵。课程负责人要多方面获取课程评价意见，对课程进行持续改进提升。另外，课程建设要与时俱进，满足卓越拔尖人才、交叉复合人才、工程应用人才等培养需求；能够紧跟学科前沿，融入最新最前沿科研成果；结合行业发展，理论结合实际，积极推进校企协同共建，强化虚拟仿真实验教学课程的内涵；注重学科交叉与融合，培养学生的创新思维和实践能力。

3.1 严选课程内容

选好课程建设内容是虚拟仿真实验教学课程应用的前提和关键。高校践行立德树人使命，以学生为中心，落实成果导向的OBE(Outcome based education)教育理念[2],基于线下实践教学存在的“真问题”开展虚拟仿真课程资源建设。学校在进行布局时，要调研实践教学存在的“真”问题，关注薄弱环节，对专业的课程建设进行统筹安排，对虚拟仿真课程的类型(实验实习)进行布局。课程负责人在开展建设时，要深入挖掘负责的课程里线下无法实现的内容，要解决“真”问题。即，课程内容必须严格遵循“能实不虚”的原则，具备线下实验条件的实验则安排学生线下进行，对于线下无法开设、但从人才培养角度又是非常重要的课程内容，才需要考虑以虚拟仿真实验教学课程的形式开展，实现“以虚补实”的育人功能[20-21]。以笔者负责的首批国家级虚拟仿真实验教学一流课程“极端条件下可控制备多维石墨烯虚拟仿真实验”为例，石墨烯因具有独特的物理化学特性使其在微电子、能源、信息、材料和生物医药等领域具有良好的应用前景，开展该类材料研究开发工作意义重大。但是，石墨烯材料的制备条件苛刻，实验操作安全隐患极大，因此，该类课程有必要开发成虚拟仿真实验教学课程。在课程建设时，要针对虚拟仿真一流课程开放共享所需要的保障条件对课程细节进行全方位梳理(如图1所示)。同时，课程名称尽可能体现建设的必要性，课程内容要切实解决问题，课程的教学目标、课程的知识点、实验交互步骤设计、预期实验结果等细节要体现课程特色，且充分体现“两性一度”。

图1 支撑虚拟仿真实验教学一流课程开放共享的保障条件图

3.2 严控教学过程

课程教学过程必须严格规范，每一个环节须有明确的要求或者考核质量标准。如“极端条件下可控制备多维石墨烯虚拟仿真实验”课程教学分为如下4步：一是学习者必须进行课前预习，完成基本的理论学习和安全培训，掌握课程的理论知识，具备EHS(环境、健康、安全)意识；二是学习者需要进行规范的实验操作。操作过程中，要充分体现对实验路径的设计，培养学生的创新意识。实验操作系统将按照学习者操作的准确程度进行赋分，全面指导学习者正确操作；三是学习者要按时完成学习任务，积极参与课程群研讨互动。虚拟仿真实验教学课程主要是由学生自主完成学习，充分体现“学生中心”,但对学习过程中存在的问题，教师要给予及时且必要的指导。课程群不仅是教师提供课程答疑解惑和引导作用的平台，还具有督促学生按时完成学习任务的功能。四是学习者要按时高质量地完成实验报告，并进行总结反思。报告内容应包括实验目的、原理、步骤、结果与讨论等，作为考查学习者知识获取、能力提升的评价依据，同时也是课程思政考核的重要依据。同时，需要对学习进行反思总结，提升创新思维和实践能力。为保障课程教学有章可循，在总结实践经验的基础上，2020年率先制定了《虚拟仿真实验教学实施细则(试行)》,2023年做了修订，并于2023年10月正式发文，有效保障了虚拟仿真实验教学资源建设、管理与教学应用的规范化。

3.3 突出问题导向

曾有很多高校教学管理者和教师对虚拟仿真实验教学课程教学效果存在质疑，究其原因不在于虚拟仿真实验教学课程本身，而是有些所谓的“虚拟仿真实验教学课程”并非是为了解决线下实践教学中存在的问题，仅仅是线下实验内容以信息化形式呈现，背离“能实不虚”的基本原则，因此，被诟病也是情理之中。教育部推进虚拟仿真实验教学课程建设，旨在解决线下实践教学存在的问题，完善实践课程体系。通过该类课程学习，要让学习者完成因某些条件限制而无法线下进行的实验内容，并获得相关的知识。以笔者负责的上海市重点课程“高效固溶体防腐蚀颜料的高温合成及其性能检测虚拟仿真实验”为例，腐蚀场景及危害事故无法线下呈现，防腐蚀性能测试周期过长，因此，该课程通过数字技术构建人机交互界面，模拟实验室场景，学生沉浸在高度仿真环境认知腐蚀危害，掌握实验原理、安全知识，在无安全风险的情况下操作防腐蚀颜料的制备及其性能检测实验。该虚拟仿真实验教学课程不仅有效激发了学生的学习兴趣，提高了学生对工程机械腐蚀原理、工程安全等相关知识的理解，还有效提升了学生解决复杂工程问题的能力，实现知行合一、理论与技能并重。另外，该课程还有效融入思政元素，引导学生珍惜金属资源，关注工程机械安全，激发学生的家国情怀和专业使命担当，有助于为党和国家培养创新型卓越工程人才。

3.4 注重开放共享

虚拟仿真实验教学课程资源开放校外共享，通常有以下5种方式：一是优质资源部署在国家虚拟仿真实验教学项目共享平台(https: //www.ilab-x.com/)上，该平台是全国最大的虚拟仿真实验网络共享平台，对课程质量要求较高，覆盖面最广；二是将课程布署在本校的虚拟仿真实验教学管理平台上，供本校教学使用，同时与兄弟院校共享；三是以需求为导向，在课程建设初期就与开设相关课程的兄弟院校协作，建设完成后即可同步共享应用；四是通过拥有资源的高校以及课程建设团队的宣传，推进教学资源的应用共享；五是通过学术会议交流的形式，将虚拟仿真实验教学课程信息与全国兄弟院校分享。

虚拟仿真实验教学资源应用共享的同时，也是对课程的全方位审视和验证。对外开放共享对课程资源的质量、教师知识与能力储备、开展教学所需的平台基础、软硬件条件保障、课程学分认定与教师激励机制等均有较高的要求，这对课程本身的提升大有裨益。通过开放共享可有效提升课程内涵，有以下几点需要重点关注：

(1)课程资源的质量问题。各高校以学生为中心，根据人才培养需求，选择适合本校学生学习的课程资源。授课教师不仅要从知识、能力、素质等方面对课程资源加以分析判断，还必须高度重视课程的互动设计、考核模式、课程思政融入情况等细节。课程质量是兄弟院校选择共享资源首要考虑的问题。

(2)课程资源的运行问题。学生在使用课程资源时，能否在平台上实现快速且平稳地运行，涉及平台建设、运行环境以及硬件设施等多个方面，这是开展虚拟仿真实验教学的必要条件。虚拟仿真实验教学对网络运行条件要求较高，因此，必须做好平台运行的保障工作。

(3)教与学方面的问题。教学方面，要求任课教师能够深刻理解虚拟仿真实验教学课程的内涵，熟悉开展虚拟仿真实验教学流程，在教学过程中能够主动适应教学新形态、探索教学新方法，具备把知识有效传授给学生的能力。另外，如何对课程资源进行合理安排，如何对学习效果进行科学评价，如何对学生学习情况进行过程监督等，也是任课教师需要考虑的问题。学习方面，课程要能够激发学生的学习兴趣，引导学生培养端正的学习态度和责任意识，严于律己，积极探索，努力提升自己的实践能力和综合素养。

(4)软硬件条件问题。在教学过程中，学生是否有可用的计算机、计算机的操作系统、计算机的硬件配置等，制约着虚拟仿真实验教学课程的正常运行和教学效果。现阶段，大部分在校学生都有个人笔记本电脑，因此，硬件条件基本具备。操作软件方面，在虚拟仿真实验教学课程建设初期，不同课程对计算机操作系统的要求差别较大，随着课程建设经验的不断丰富和技术水平的显著提升，现阶段建设的虚拟仿真实验教学课程资源对软硬件要求已趋于一致。

(5)共享课程的学分认定与教师激励机制问题。校际间共享虚拟仿真实验教学课程，涉及虚拟仿真实验教学课程学分学时的认定、学生答疑时间安排、提供在线学习证明等细节问题，这些需要有相应的平台功能和完善的学校管理制度文件作为保障。另外，关于虚拟仿真实验教学课程授课教师的工作量认定事宜，各高校也应高度重视。建立科学有效的激励机制，更有利于保障虚拟仿真实验教学资源开放共享的可持续性。

4、课程评价

提升虚拟仿真实验教学课程的育人实效，还应坚持以评促建的原则，全方位评价课程内容与质量，流程如图2所示，确保建设的课程为真正意义上的虚拟仿真实验教学课程。为了及时查找课程应用过程中存在的问题，需要对课程进行多角度全方位评价：(1)学生进行评价，如调研关于软件质量、实操便易性、知识难度、课程获得感、体验感等；(2)教师进行评价，如课程是否便于操作，是否适用于教学，是否能够取得良好的育人效果等；(3)同行进行评价，从课程的内容、质量、效果等多角度评价；(4)专家进行评价，如是否具有高阶性、创新性和挑战度，是否解决了线下实践教学的“真”问题，是否被认定为国家级或省级一流课程等[4]。虚拟仿真实验教学课程收集来自各方面的意见，对课程教学持续改进，并结合科技发展前沿对课程内容进行更新，强化课程内涵。

图2 虚拟仿真实验教学课程教学效果评价流程图[1]

5、实施效果分析

图3 华东理工大学虚拟仿真实验教学资源平台应用统计截屏

虚拟仿真实验教学课程内容源于线下实践教学的“真”问题，教学过程严格管理，达到“真”解决问题的育人效果。该类课程使得大型仪器设备昂贵、操作安全隐患大、理论知识难度高、实验现象理解难等线下实践教学存在的问题得以解决，进一步完善了实践教学课程体系，扩充了学生的知识面。虚拟仿真实验教学课程大大减少了学习者开展实验的时空束缚，学习时间和空间更为灵活，学生获取知识的渠道更加丰富，主动学习的意识更为强烈，有效助力培养终生学习的习惯。截至2024年6月，虚拟仿真实验教学资源共享平台使用已超过29.1万人次(如图3所示),已成为实验教学体系的重要组成部分。

6、结论与展望

本文结合多年的教学与管理经验，提出了强化虚拟仿真实验教学课程内涵的4点举措和课程评价的流程，旨在针对实践教学的“真”问题，通过强化虚拟仿真实验教学课程的内涵，“真”解决问题。随着虚拟仿真实验教学课程发展进入2.0阶段，利用3D、VR、虚拟仿真等技术及硬件设备赋予实验教学更高的灵活度和更丰富的知识和技能，同时也对课程资源、教学环境、教师能力等提出更高的要求，虚拟仿真实验教学课程更好的教学效果值得期待。

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基金资助:国家自然科学基金项目(22378124); 教育部实验教学和教学实验室建设研究项目(教高司函[2024]6号);教育部产学协同育人项目(No202102481004); 上海市重点课程建设项目; 华东理工大学教学名师培育团队项目;

文章来源:刘金库,张敏,张浩然.强化虚拟仿真实验教学课程内涵的举措及课程评价[J].化学教育(中英文),2024,45(20):102-107.