虚拟仿真实验教学一流课程建设研究与实践

卢艳丽 马良 高峰 叶奇

摘  要：基于国家虚拟仿真实验教学一流课程建设实践，对其教学内容的体系化、实验过程自主化和能力评价的科学化进行研究，为加快推动材料类实验教学改革，更好地培养高端创新人才提供参考。从虚拟仿真实验教学一流课程建设过程、面临问题、教学改革及学生能力培养角度出发，探索航空航天用材料虚拟仿真实验教学一流课程在人才培养中的应用，同时对材料科学与工程实验教学中的课程思政内容建设进行有益的探索。

关键词：一流课程建设；虚拟仿真实验；创新能力；研究与实践；材料类专业

中图分类号：G642.3      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）25-0034-04

Abstract： Based on the construction practice of national first-class virtual simulation experiment teaching， the systematization of teaching content， the independence of experiment process and the scientific evaluation of ability are studied， which can provide reference for accelerating the reform of material experiment teaching and better training of high-end innovative talents. This paper explores the practical application of the first-class course in the virtual simulation experiment teaching of aerospace materials from the perspectives of the construction process， problems， teaching reform and students' ability cultivation. This paper also makes a beneficial exploration of the construction of ideological and political content in the experimental teaching.

Keywords： first-class course construction; virtual simulation experiment; innovation ability; research and practice; Materials major

课程是人才培养的核心要素，是影响学生发展最直接的中介和变量。课程质量直接决定人才培养质量。虚拟仿真实验教学一流课程在实践育人方面发挥着至关重要的作用[1-3]。教育部从2017年开始开展国家虚拟仿真实验教学项目的建设工作，目的是贯彻落实习近平总书记关于强化实践育人工作的重要指示精神和全国高校思想政治工作会议精神，深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合，不断加强高等教育实验教学优质资源建设与应用，着力提高高等教育实验教学质量和实践育人水平。

截至2020年，全国共获批虚拟仿真实验教学一流课程728门。西北工业大学“高性能增材制造实验”先后获首批国家虛拟仿真实验教学项目，首批国家级虚拟仿真实验教学一流课程。在新的形势下，如何继续建设并实践好这些优质的课程资源，将其更好地服务于高素质创新人才的培养，就显得十分重要且有意义。

一  研究现状和趋势

《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）和《教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》（教高函〔2018〕5号）明确指出，国家虚拟仿真实验教学项目的教学理念：注重对学生社会责任感、创新精神、实践能力的综合培养，注重知识传授、能力培养、素质提高的协同实施，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，增强学生创新创造能力。国家虚拟仿真实验教学项目教学内容包括坚持问题导向，重点解决真实实验项目条件不具备或实际运行困难，涉及高危或极端环境，高成本、高消耗、不可逆操作和大型综合训练等问题。坚持需求导向，紧密结合经济社会发展对高校人才培养的需求，紧密结合专业特色和行业产业发展最新成果，紧密结合学校定位和人才培养特点，采用现代信息技术，研发原理准确、内容紧凑、时长合理及难度适宜的虚拟仿真实验教学项目。国家虚拟仿真实验教学项目始终关注信息化时代背景下的学生需求，重点实行基于问题、案例的互动式、研讨式教学，倡导自主式、合作式、探究式学习的教学方法。

2020年11月，教育部认定5 118门课程为首批国家级一流本科课程（含1 559门在促进信息技术与教育教学深度融合，特别是在应对新冠感染疫情期间实施的大规模在线教学中作出了重要贡献的原2017年、2018年国家精品在线开放课程和国家虚拟仿真实验教学项目）。

虽然有明确的要求和指南，已经进行了很好的前期建设、申报、评审，但是虚拟仿真实验一流课程的建设尚存在一些问题，主要体现在以下几方面。

第一，虚拟仿真实验教学一流课程的重要性和建设理念尚未引起足够重视。

第二，实验教学过程设计和整体规划尚不够完善。

另一方面，众多高校都在不断探索实验教学一流课程对人才培养的重要作用和实现路径。西北工业大学一直高度重视实验教学一流课程的培育、建设和管理，通过培训、讲座、申报评审等方式，立足学院和学科特色，选拔好的项目推荐到省上，乃至国家参评。江西师范大学的虚拟仿真实验教学一流课程建设采取校内+校外的评审，重点关注“项目内容、教学方法、研发技术、教学效果及开放共享与可持续能力”等内容。大连理工大学采取线上评审线上提交，围绕“课程团队、课程内容、教学方式方法改革、教学设计”等展开评审，将评审意见及时反馈给项目负责人，督促其进行完善和提升，收到了良好的效果。

建设虚拟仿真实验教学一流课程，是为了更好地推动高校积极探索线上线下教学相结合，个性化、智能化、泛在化的实验教学新模式，形成专业布局合理、教学效果优良、开放共享有效的高等教育信息化实验教学项目示范新体系，支撑高等教育教学质量的全面提高。

二  研究目标

本项目基于国家虚拟仿真实验教学一流课程，以立德树人为根本，以高素质创新人才培养为目标，在新时代一流本科课程建设的背景下，在实践中探索虚拟仿真实验教学一流课程如何更好地发挥育人作用。通过对课程体系的再更新及教学过程的再设计，探索实验教学过程中学生的自主能动性的发挥路径、能力评价的科学化机制，使得课程更具系统性、创新性、应用性，既便于学生纵观全貌，又有利于学生基本技能的强化训练和创新能力培养。确保一流课程和人才培养同向同行，相辅相成。将一流课程更好地融入高素质创新人才培养环节，进一步提高实验教学质量和创新人才培养能力。

三  研究内容

（一）  虚拟仿真实验教学一流课程教学内容体系化研究

注重系统化知识的梳理、传授、掌握，在虚拟仿真实验教学项目的基础上，做好拓展和延伸，拓展相关的理论和专业知识，并将其延伸到实验教学中，增加综合性、創新性、前沿性内容，使学生能够紧随领域研究前沿的发展，有利于学科专业知识的拓展，以及科研素质的培养和创新能力的提高，为其将来的科研及其相关工作打下良好的基础。

（二）  虚拟仿真实验教学一流课程实验过程自主化研究

虚拟仿真实验教学在不断加强基础训练的同时，注重拓宽学生知识覆盖面，注重学科专业知识的交叉融合。学生进行从基础规范→综合设计→研究探索这样难度递增的实验项目训练，有利于培养其主动建构知识体系和提升实践的能力，不同层次的学生通过选择合适的实验方法和实验步骤，有利于实施因材施教。

（三）  虚拟仿真实验教学一流课程能力评价科学化研究

通过对学生实验过程的数据采集与数据分析，实现对学生学习与实验基本情况的辨识，基于大数据的量化评价，减少单一教师评价的主观性偏差，为学生提供更多元、更全面的评价，辅助学生更好地提升实践能力。评价考核更突出实验过程，体现对实验过程的规范性、实验步骤的有效性，以及对知识学习达成度的客观评价，从而实现对学生能力结构的考核。

四  研究思路和方法

本项目研究思路是基于前期国家级一流本科课程，首批国家虚拟仿真实验教学项目——“高性能增材制造实验”的运行实践中的教学积累，在对来自不同学院学生的选修需求、学习过程、学习反馈等一系列学习行为的基础数据进行细致分析后，提出课程教学设计的再更新，促使理论与实验教学融合创新。基于学生参与课程研讨、在线完成测验等基础数据的分析结果，提出课程过程自主化和评价科学化设计。此三方面的构建，同时结合学生实际能力水平，全新的课程设计理念，引导学生探索学科知识和理论，培养自主学习意识与能力，从而满足不同学生需求，提高学习时效。

在教学活动的实际开展中，通过对教学内容的系统化和创新性设计，强化课程思政内容，通过引入3D打印的发展和成果等，增强学生的文化自信和爱国情怀。

采用“启发式”和“创设问题”教学方法，使用慕课堂和雨课堂等网络平台丰富课堂教学手段，并拓展高性能增材制造实验建模等实践活动，利用实验空间——国家虚拟仿真实验教学项目共享平台和学校的课程平台等，增强与学生的互动交流，及时发现、解决学生学习问题，提升学生对课程和课堂学习的关注，带领学生了解更多学术前沿发展，以教学资源驱动激活，以创新实践拓展应用。

通过进一步丰富分层次的虚拟仿真实验教学信息资源，包括慕课、专属在线课程（SPOC）或其他在线课程、工程案例库、视频素材资源、试题库系统、作业系统和在线自测/考试系统等，增强互动交流功能，实现实验过程的自主化及个性化。将教育教学与信息技术融合、课程应用与课程服务相融通，适合在线学习、翻转课堂及线上线下混合式拓展性学习。按照教学计划和教学要求为学习者提供参考资料、活动作业，及时开展在线指导、答疑、讨论及测验等教学活动，提高实验者在线学习响应度，充分满足学生学习的个性化需求。

以创新人才培养为目标，注重互动性和探究性，创新教学过程。课前先发布研究任务，引导学生自主查阅资料，设计方案，让学生先“动起来”。实际操作前，围绕实验设计方案，开展师生间、生生间的互动讨论，确保方案的可行性和完善性，让课堂“活起来”。实际操作中，学生自主完成实验，分析现象并解释实验结果，探讨误差产生的原因，强化学生的安全操作规范。实操后，拓展应用， 联系课堂内容，并与实际应用相结合，注重对学生理论联系实际能力、团队协助能力和深入思维能力的培养，让学生“忙起来”。例如，高性能增材制造实验中，基于激光打印的核心原理，让学生讨论分析不同打印材料、能源形式、送粉方式等各自的原理及相互之间的关联和差异，要求学生选择并自主设计方案，完成打印，激发学生的创造性和主动性。通过上述创新性活动设计，最后达到教学效果“好起来”。

五  研究成果和特色

经过一年多的研究与探索，形成了以下成果。

第一，以高性能增材制造实验为基础的虚拟仿真实验教学一流课程内容的再创新化、再体系化方案。

第二，以高性能增材制造实验为基础的虚拟仿真实验教学一流课程实验过程自主化方案。

第三，以高性能增材制造实验为基础的虚拟仿真实验教学一流课程实验能力评价科学化方案。

特色主要体现在以下几方面。

第一，探索了一流课程建设背景下，虚拟仿真实验教学在人才培养中的作用。基于国家虚拟仿真实验教学一流课程，结合教学实践，优化教学体系，充分挖掘新的教学模式，强化过程自主化，重视学生的能力培养，提高学生对实验的学习兴趣和参与度，提升学生的科学综合素质。

第二，创新了“学生为中心”的能力评价体系，注重互动性和探究性。采用全过程评价方式，包括线上与线下相结合、定性与定量相结合、师评与生评相结合等多元化考核，达到能力评价的科学化。增加创新能力和科学素养评价。主要观测点包括基本实验理论、操作技能、查阅文献、方案设计、应用分析、职业素养、创新思维和团队协作等方面。科学制定评价内容，激励学生积极思考、质疑、创新和呈现能力，从而提升学生的综合创新能力。

第三，探索了实验教学中的课程思政元素的挖掘及实施路径。课程思政就是要实现思想政治教育与专业教育的有机统一，在人才培养过程中起着关键作用[4-6]。立足国家级虚拟仿真实验教学一流课程自身的特色和优势，深入挖掘其中蕴含的思政元素，通过教学设计和课堂教学，培养学生的家国情怀，科学、奋斗、实干的工匠精神，以及责任担当和创新意识。引导学生树立正确的世界观、人生观、价值观，为培养具有家国情怀，追求卓越，引领未来的领军人才，弘扬好“西工大现象”，贡献材料力量。

六  问卷调查结果统计分析

将教学改革研究项目内容融入高性能增材制造实验课程教学，进行了教学实践与探索，并围绕学生情况、教学内容设计、课程满意度和课程思政实施效果等进行了问卷调查，调查结果统计如图1、2所示。

100%的学生认为教学中实施了思政教育，对教学内容进行了系统化的梳理和传授，课程在加强基础训练的同时，注重创新和拓展。80.77%的学生认为专业认同和自信的培养最重要，53.85%的学生认为职业道德素养的培养最重要，19.23%的学生认为创新思维和意识的培养最重要。课程满意度达到100%，其中84.62%的学生对课程非常满意，15.38%的学生对课程满意。

七  实践效果和示范共享情况

优化后的实验教学项目获更广泛应用，实现优质资源进一步辐射共享。虚拟仿真实验教学项目服务于西北工业大学材料学院、机电学院、航空学院等多个学院的材料成型及控制工程专业及相关专业等10个专业的实践教学。高性能增材制造实验课程选课人数超过11 000余人次，发挥了良好的辐射推广作用。

项目研究成果广泛进行交流，发挥良好示范引领作用。项目负责人先后在全国高校虚拟仿真实验教学项目建设专题研讨会上做报告，并多次受邀为郑州大学、空军工程大学等省内外高校交流课程申报体会和建设经验；面向全国聚焦金课的虚拟仿真实验教学项目建设与申报研修班分享项目研究成果。项目负责人受邀在“浙江省虚拟仿真实验教学项目建设交流会”“四川省一流课程建设经验交流及培训会”等交流讨论项目的建设内容及思考，取得了良好的效果。

基于国家级虚拟仿真实验教学一流课程在实践中的教学积累，紧跟新时代下人才培养的新需求，对课程进行了积极的探索与研究，形成了融合课程思政特色的教学体系，取得了好的教学效果，有望为虚拟仿真实验教学一流课程在人才培养中的再探索再创新提供理论参考。通过广泛交流提高了西北工业大学材料类专业的社会影响力。

参考文献：

[1] 熊宏齐.基于虚拟仿真的线上线下融合专业实验教学体系构建[J].实验技术与管理，2022，39（3）：5-10.

[2] 逯行，朱陶，徐晶晶，等.高校虚拟仿真实验教学的基本问题与趋势[J].现代教育技术，2021，31（12）：61-68.

[3] 熊宏齐.虚拟仿真实验教学助推理论教学与实验教学的融合改革與创新[J].实验技术与管理，2020，37（5）：1-4.

[4] 王林平，崔剑峰.对思政课一流课程内涵的几点思考[J].中国大学教学，2022（5）：23-27.

[5] 翟仙敦，秦豪杰，潘新民.新时代背景下一流课程思政体系构建与探索[J].佳木斯职业学院学报，2022（6）：114-116.

[6] 窦新宇，王建龙，王玉娜.基于OBE理念的课程思政评价体系的构建[J].工业技术与职业教育，2022，20（2）：65-68.