虚拟仿真实验“金课”建设的探索与实践
时间：2022-10-01 19:20:10 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
刘为浒 李刚华 汪欢欢
[摘 要]虚拟仿真实验“金课”具有高阶性、创新性和挑战度的特征，通过虚拟实验能够有效改善传统实验课堂落后低效的现状，实现现代教育技术支持下的“智能+教育”。实践证明，虚拟实验有助于实现学生个性化自主学习、沉浸式探究学习;有助于加强师生实时互动交流，实现“线上线下”融合式教学;有助于革新传统的教学方法和扩展实验的教学内容。
[关键词]本科教学;教育技术;虚拟仿真;金课
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2022）05-0086-04
2018年6月，在新时代全国高等学校本科教育工作会议上，教育部前部长陈宝生首次提出“金课”概念[1]。教育部吴岩司长进一步阐释“金课”的“两性一度”，即高阶性、创新性和挑战度[2]。同年8 月，教育部印发了《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》，提出各高校要全面梳理各门课程的教学内容，淘汰“水课”、打造“金课”，合理提升学业挑战度、增加课程难度、拓展课程深度，切实提高课程教学质量 [3]。
这一系列关系到高等教育历史走向的讲话和文件，不仅是对大学扩招以来本科教学质量下滑的及时纠正，也是对新时代本科教育内涵的精准判断和把握，更是响应国家“双一流”建设战略部署的积极举措，因此得到了高等教育界的广泛响应，全国各高校都积极地探索和实践着各类“金课”的建设。
结合近两年的实践探索，本文试着梳理总结我们在建设虚拟仿真实验“金课”过程中的体会与经验。
一、建设虚拟仿真实验“金课”的必要性
众所周知，实验教学是本科课程的重要组成部分，对培养学生理论联系实际的动手能力、面对综合复杂问题的分析解决能力具有不可替代的作用，也是培养创新创业领军人才的有效路径。然而现实中的课堂实验又是很容易被轻视的教学活动，其教学效果一直原地徘徊难有提升，究其原因有以下几点。
（一）教学流程陈旧落后，缺乏创新活力
理想的实验教学应该立足于激发学生的创造性思维，促进学生的自我领悟，提升学生的科学研究素养。这就要求教学必须以学生为中心，通过实验操作引导学生经历个性化的思维过程，体验多样化的认知历程，并能够在交流合作中融合不同的观点，学习多样的技巧，以达到对实验结论的真正理解和运用，从而重构自己的经验，形成自己的行动策略。
一些高校的实验教学形式上还是普鲁士大班制，一个班多则三十人少则十余人;内容上大多为验证性经典实验，极少创新性实验;流程上延续教师主讲、学生模仿的模式;考核上仍以实验报告为主，缺乏真实的过程性评价。这样的实验课堂落后低效。
（二）部分教学对象主体意识不强，动手能力较弱
部分大学生在经历了多年的应试教育后，在其思想深处不自觉地形成了重视文本理论学习的认知，认为考试分数才是最重要的，至于学习的过程中自己是不是真实有效地得到锻炼并不重要。个别学生缺乏学习主体的意识，学习上随大流，欠思考，以敷衍应付为主要方式，将本应该丰富多彩、交流碰撞、争论提升的大学生活，硬生生地退化为浑浑噩噩、刷分过关的低效历程。
同时，少数大学生因成长在物质相对丰富的时代，养成了只需关心学习、提高考试成绩，不关心思考身边事、窗外事的习惯。在家庭中，他们的生活事务由家长包办代替，在学校里只需写写算算，始终缺乏面对实际问题独立实践、克服困难的经历。这就导致一部分学生缺乏基本的动手操作能力，对一些常见的基本的实验工具都不知从何入手，更谈不上熟练掌握。这种情况下，教师一旦放手让这些学生做实验，这些学生必然错误百出，挫折感频生，也就很难谈得上实验技能和思维能力的培养了。
（三）教学手段更新迭代缓慢，难以适应现代教育科技的发展[4]
传统的大学实验课程容易形成大家一起跟着教学流程走过场的现象。殊不知现在的学生作为伴随网络而生的线上原居民，对这种乏味的灌输式教学已经产生了麻木的态度。试问这样的实验课堂如何能激发学生思维、培养学生能力？
随着现代教育技术的发展，教学方式的更新迭代可以说日新月异。从虚拟现实技术进化为增强现实技术，教育技术的人性化程度越来越高，也越来越为教育的受众所接受。虚拟现实技术采用三维仿真生成逼真的视觉、听觉、触觉一体化的虚拟实验情境，让用户对虚拟环境中的对象进行交互操作，从而体验接近真实的实践感受。增强现实技术利用计算机产生的附加信息，对用户看到的现实世界进行增强，在不将用户与周围环境隔离的前提下，将计算机生成的虚拟信息叠加到真实场景中，从而实现对现实感觉的增强。这样的教育技术在高等教育的逐步应用，必将改变传统授课模式，打破传统实验教学时间和空间的限制，展示了现代信息技术发展带来的便利[5]。
教育部吴岩司长曾经指出为什么要建设虚拟仿真“金课”—— 因为我们看中了“互联网+ 教育”之后的“智能+ 教育”。信息技术、智能技术与实验教学的深度融合破解了高等学校实验、实习、实训中的老大难问题，解决了原先“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的問题[2] 。
二、建设虚拟仿真实验“金课”的探索与实践
作物栽培学是农学专业的核心基础课，教学过程不仅需要学生理解作物的生长发育过程、熟悉决定作物产量品质的关键发育阶段、掌握作物生长分析相关的理论知识，而且需要学生在实验教学中掌握作物生产、试验研究必要的基本技能方法，进而能根据实际生产的具体情况，提出解决问题的方案，以训练学生综合运用理论知识的能力。
掌握水稻叶片与器官生长发育同伸规则，是作物栽培学理论与实践的基础。但在实验教学过程中，受水稻生长周期长带来的实验时空跨度大、微观结构进程实时观测难度高等客观因素的影响，学生无法很好地参与整个过程，这很大程度上制约了学生实践能力、创新能力、综合能力的培养。我们借助计算机三维建模技术、虚拟仿真技术，建设了一套“水稻生长发育虚拟仿真实验”，以叶龄进程为主线，展现包括种子萌发、分蘖、拔节孕穗等各时期的教学难点，让学生掌握叶片与器官生长发育同伸规则，并熟悉相关诊断实验。再结合相应的实体实验，利用“虚实结合、虚实互补” 的实验教学形式，让学生对水稻整个生长发育期形成整体认识，这样能够激发学生的兴趣，启迪学生思维，提高学生的实验实践能力。
在项目建设过程中我们着重从以下四个方面改进传统的实验教学[6]。
（一）“聚焦重点、攻克难点”，实现线上线下融合式教学
对于水稻种子的微观结构及萌发过程、幼苗期种子胚乳淀粉物质消耗、根系结构、幼穗分化进程等，学生借助光学显微镜往往只能看到微观结构的二维形态，无法精准构建出真实的立体器官结构，也就不能准确理解水稻生长发育周期中所发生的形态、结构和位置的动态变化进程，导致自身知识理论的领悟无法取得满意的效果，成为传统实验教学的瓶颈。
显微技术与虚拟实验相结合，依据高性能显微镜的观测结果，结合3D虚拟仿真技术，构建可交互的三维动画模型，使不易观察的教学内容精细化、定格化、互动化，对教学的重点、难点还能进行局部放大、立体动态展示，这彻底改变了传统课堂依靠理论推演阐释的现状。学生可在虚拟环境中对实验对象进行多视角观测与结构拆解，反复观察揣摩实验内容，了解其微观结构，掌握其生长发育过程。
例如：胚的结构认知的教学（见图1）。
胚位于稻种内部糙米上，由卵细胞的卵核与精子受精后发育而成，是新的有机体的原始体。在虚拟实验中学生可使用鼠标多角度观察胚的结构，点击部位上的序号进行学习，掌握胚的结构组成：胚芽鞘、幼叶、胚根、胚根鞘等。然后进行实体显微镜解剖观察，两相对照不仅提升了学生对种子微观结构的认知，而且有利于学生掌握胚的萌发与营养物质消耗过程。
这种线上线下融合式教学，能有效克服教学难点，提升实验教学的效果。
（二）“虚实结合、以虚促实”，助推学生个性化自主学习
由于水稻属于大田作物，实验教学不仅在实验室，更多的时候还要走向田间地头。在现有的大班教学体系下，学生的学习过程基本是自上而下接受式的，实验操作过程也多是按部就班的模仿为主，缺乏个性化的有效指导，实验教学效果一直不佳。借助于虚拟仿真平台，采取“虚实结合、以虚促实”的教学形式，可以让学生先通过虚拟实验完成基本训练，获得沉浸式实践体验，配合师生、生生的实时互动，克服实验过程中的个性化困难。教师也可以通过管理后台收集反馈信息，有针对性地进行个性化点拨。这样不仅能提升学生对理论知识的领悟程度，还能有效提高学生综合实践与创新能力，促进实验教学效果的提升。
例如：观察叶节同伸的教学（见图2）。
同伸规律揭示的是作物生长的动态过程，田间观察只能实现某一时间节点的发育形态，学生难以形成整体认知。在虚拟仿真实验中可以实现动态展示叶片的生长发育过程，将叶片与节间发育进行对应放大，清晰展示叶节同伸过程，拖动进度条，还可定格观察主茎叶片生长、内部节间发育及某一节间微观结构变化的动态过程。学生可从整体与局部两个角度掌握叶节同伸规律，理解判断某一节间生长状态的方法要领。
由于学生对各关键生育期的主要器官发育进程理解有差异，存在个性化的困难，我们就利用3D仿真技术实现水稻生长发育的三大时期的精准虚拟呈现，包括叶片、分蘖、根、茎秆、幼穗等都可以进行立体观察与结构拆解，帮助不同学生对这一教学重点、难点进行领悟与掌握。
这种先通过虚拟实验完成演练，并在虚拟操作中不断修正夯实实验操作技能的新型学习模式，不仅能提高学生的实验成功率，而且有助于实验课堂的高水平重建。
（三）“长时实验仿真虚拟化”，推进学生沉浸式探究学习
水稻生长发育周期长，受环境影响大，学生跟踪观察难以实现，所以传统实验教学经常由于时空条件、气候因素、观测样本的生长情况、教学课时限制等的影响，无法保质保量地完成教学计划。
运用三维动画模拟技术，将原本需要按4～5个月水稻生长周期学习的知识与实验操作浓缩在4个课时内，利用3D虚拟仿真技术展现水稻从种子萌发、根系生长到分蘖盛期的动态全过程。学生通过虚拟实验可以观测完整过程，实现对水稻生长发育过程的生物学特征认知，提升对理论知识的领悟水平。这有助于学生掌握叶龄诊断方法，为水稻穗肥的正确施用和杂交制种父母本花期预测提供技术支撑。对掌握不好的难点，学生还可以反复训练或设计实验，从而提高自身的实验技能及创新能力。
例如：观察稻种萌发的教学（见图3）。
从种子萌发至三叶期，为水稻的幼苗期。这一进程历时较长，且为微观进程，难以观察。教师可利用虚拟仿真技术虚拟胚的萌发与营养物质消耗过程，呈现种子萌发过程的生理变化。在虚拟操作中拖动进度条，学生可学习稻种萌发与幼苗生长具体过程，理解稻种内部胚乳淀粉物质供给稻种生长的过程;点击“观察根系结构”按钮，可以局部放大，从而清晰观察该时期的根系结构。
通过虚拟仿真实验系统，学生可打破时间、空间限制，随时、随地进行重复实验，进行基于虚拟实验平台的沉浸式学习，有利于重新构建便于教师教、学生学的新型本科课堂，打破传统实验教学受地域、时间、样品量及体力等的限制，能使学生主动学习的欲望更强烈、实验操作的兴趣更濃厚、知识体系更加完备、实验技能得到更有效的提升。
（四）“教学反馈实时化，教学指导个性化”， 实现立体互动式教学
传统的实验课堂由于建立在大班教学基础上，一直存在“一管就死，一放就乱”的尴尬局面，师生互动、生生互动难以切实有效地开展;教学信息的采集也是基于督导听课、问卷调查、个体访谈等方式进行，学情信息的准确性、实时性、反馈的针对性均难以让人满意。借助虚拟仿真技术平台管理功能，能够实时跟踪记录学生学习的情况;通过在线虚拟操作、提示反馈和问答讨论等模块，能够记录学生的参与情况、指导学生的操作过程和评价学生的实验效果。后台管理的“在线交流”模块能够提供实时在线交流，分享实验心得，克服实验困难，达成“人机人”立体互动的实验教学效果。平台数据收集模块还能实时记录完整全面的学情信息，统计输出汇总的结果。
全员无遗漏的学情统计报表，是一线教师重要的教学资源，它能有效地帮助教师改进自己的教学，并能有针对性地为学生提供个性化的专业指导。建立在全面精准学情之上的课堂教学必然更贴合学生的实际需求，更有针对性地提高学生的能力，也就更能吸引学生，从而有效地达成实验教学的目标，完成学生科学素养的培育。
三、建设虚拟仿真实验“金课”的优势探讨
高层次的思考可保证学习者学习的有效性，教学过程中只有包含高层次思考才会使学习者长期处于高水平认知紧张的阶段。虚拟仿真实验“金课”借助现代的教育技术，实现虚拟实验情景与实体实验情景的相互补充促进，以个性化和互动性为基本点，创设双重互补的学习情境，对培养学习者解决复杂问题的综合能力和高级思维具有真实可证的优势[7]。
（一） 显微技术与虚拟实验相结合，能够革新传统的教学方法
随着生物技术的发展，实验课程中经常出现涉及微观结构和长时进程的教学内容，虽然教学显微镜的性能也在迭代更新，但是实验样本的采集、制作，实验仪器的调节、观测都依赖于实验者较高的实验技巧。刚开始接触这类实验的学生往往缺乏所需能力，实验的成功率很低，学习者的挫折感较强，导致实验走过场的现象频频发生。
可利用科研高性能显微镜的图像数据采集功能，结合计算机3D虚拟技术，展现难以观察的微观结构，模拟实验观测进程。可借助仿真技术、增强现实技术将实验的所有环节整合成可交互的三维动画形式，实现学生多维度定格化操作学习，这能有效地提升学生的实验技能，激发学生的学习热情。
（二） 虚拟操作与实体实验互补，能够提升实验的教学效果
传统大班制实验课堂教学效果一直不佳，常常课程结束了，学习者的实际操作能力提升并不明显。动手能力强的学生感觉实验挑战度不够，收获不多;动手能力弱的学生往往敷衍了事，最终还是没有学会。
虚拟仿真技术可以高度还原实验对象生长的立体动态进程，配合时间轴的设定，使学生从整体到局部，多视角地全面观测生长发育的完整过程，通过虚拟操作掌握相关的实验技能和技巧。软件的跟踪控制模块还能实时提供个性化的操作指导，学生可以先通过虚拟操作学习相关技能，再进行实体实验，提高实验成功率。学生也可以在实体试验后进行虚拟实验，巩固实验技能，达成对教学内容的全面完整的领悟，提升实验教学效果。
（三） 利用虚拟平台实现科研反哺教学，能够扩展实验的教学内容[8]
科学研究的发展日新月异，新观点、新方法、新仪器层出不穷，利用虚拟仿真实验平台实现科研反哺教学，不仅能够扩展传统教学的内容，还能开阔学生视野，对接科学前沿。例如：“水稻叶龄模式”是根据水稻器官同伸规律，应用水稻主茎叶片生育进程来诊断水稻的生育时期，从而确定相应的高产栽培技术和肥水管理“促”“挖”措施。它是由南京农业大学凌启鸿教授团队集国内外相关研究成果，经多年研究建立的一种新型栽培理论及技术体系，不仅是对我国水稻精耕细作传统的现代诠释，而且是我国作物栽培学研究对世界作物生产科研与应用的重要贡献。
将这一理论成果以虚拟仿真实验为载体，完整推进到本科教学一线，是科研反哺教学的真实体现，大大扩展了传统实验教学的内容。
总之，经过这两年的建设虚拟仿真实验“金课”的实践探索，结合近千名學生进行虚拟仿真实验操作学习后的反馈信息，师生们一致认为，虚拟仿真实验“金课”不仅能够增强学生自主学习、主动探究的积极性，而且能真实有效地提高实验技能和实验教学效果。因此，随着互联网与信息技术的飞速发展，采用虚拟仿真技术提档升级传统的教学模式是一条卓有成效的教学改进之路。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 陈宝生.写好高等教育“奋进之笔”：在教育部直属高校工作咨询委员会第二十七次全体会议上的讲话[J].中国高等教育，2018（Z1）：14-22.
[2] 吴岩. 建设中国“金课”[J]. 中国大学教学，2018（12）：4-9.
[3] 教育部.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）[Z].2018.
[4] 王玉玺. 知识为凭·能力为用·素质为本：现代教育的三个境界断想[J]. 内蒙古教育，2006（3）：4-6.
[5] 肖世维，青思含，文锦琼.从虚拟现实到增强现实探索基础医学实验教学“金课”建设[J].高校医学教学研究（电子版），2019（3）：7-12.
[6] 刘为浒，郝佩佩，黄骥.虚拟仿真技术在本科教学中的应用研究[J].中国农业教育，2016（3）：91-96.
[7] 崔佳，宋耀武.“金课”的教学设计原则探究[J].中国高等教育，2019（5）：46-48.
[8] 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（9）：1-4.
[责任编辑：钟 岚]
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