虛擬仿真實驗教學項目建設與應用研究

郭 婷，楊樹國，江永亨，黃開勝

虛擬仿真實驗教學項目建設與應用研究

郭 婷，楊樹國，江永亨，黃開勝

（清華大學 實驗室管理處，北京 100084）

教育部對虛擬仿真實驗教學項目建設與應用提出了全面要求。該文以教育部相關文件要求為基礎，從實驗教學的作用出發(fā)，討論了對以核心要素仿真度為主要內(nèi)容的虛擬仿真實驗教學項目要求的內(nèi)涵，并從虛擬仿真實驗與實體實驗、虛擬仿真實驗教學體系與實驗教學整體體系、教學內(nèi)容與教學形式、線上資源和線下資源、虛擬仿真實驗教學與人才培養(yǎng)等方面，探討了虛擬仿真實驗教學項目建設與應用中的幾個重要關系。

虛擬仿真；實驗教學；內(nèi)涵；關系

近年來，信息技術(shù)飛速發(fā)展，為教育現(xiàn)代化提供了強有力的工具，正在深刻影響教育形態(tài)和教育方式的發(fā)展變化[1]。實驗教學是培養(yǎng)創(chuàng)新精神、實踐能力和社會責任感的重要載體，利用虛擬仿真技術(shù)拓展實驗教學內(nèi)容的廣度和深度，延伸實驗教學的時間和空間，提升實驗教學的質(zhì)量和水平，是教育信息化的一個重要方向[2-3]。

為了實質(zhì)推進虛擬仿真實驗教學項目建設，2017年7月，教育部發(fā)布《教育部辦公廳關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知（教高廳[2017]4號）》[4]，計劃在高校實驗教學改革和實驗教學項目信息化建設基礎上，統(tǒng)籌規(guī)劃2017—2020年在60種學科類別中認定1000項左右示范性虛擬仿真實驗教學項目。2017年8月，教育部發(fā)布《教育部辦公廳關于開展2017年度示范性虛擬仿真實驗教學項目認定工作的通知（教高廳函[2017]47號）》[5]，明確2017年在生物科學類等8個學科類別中認定100個項目（最終認定105項）。2018年6月，教育部發(fā)布《教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知（教高函[2018]5號）》[6]，指出國家虛擬仿真實驗教學項目是對示范性虛擬仿真實驗教學項目建設工作的深化和拓展。2018年7月，教育部發(fā)布《教育部辦公廳關于開展2018年度國家虛擬仿真實驗教學項目認定工作的通知（教高廳函[2018]45號）[7]，計劃在23個學科類別中認定260個項目（最終認定296項）。2019年7月，教育部發(fā)布《教育部高等教育司關于開展2019年度國家虛擬仿真實驗教學項目認定工作的通知（教高函[2019]33號）》[8]，對2019年認定工作作出部署，計劃在26個學科類別中認定305個項目。

國家虛擬仿真實驗教學項目認定是在國家級虛擬仿真實驗教學中心建設的基礎上，以搭積木方式建設虛擬仿真教學資源的重要工作，是不斷提高和完善的過程。為了有效開展虛擬仿真實驗教學項目建設和應用工作，本文擬就建設和應用的內(nèi)涵及如何認識和把握項目認定要求進行討論。

1 教育部文件關于項目認定要求的簡要分析

《教育部辦公廳關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知（教高廳[2017]4號）》[4]指出，建設目標是“緊緊圍繞立德樹人根本任務，適應經(jīng)濟社會快速發(fā)展對人才培養(yǎng)的新要求、現(xiàn)代大學生成長的新特點、信息化時代教育教學的新規(guī)律，以提高學生實踐能力和創(chuàng)新精神為核心，以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托，以相關專業(yè)類急需的實驗教學信息化內(nèi)容為指向，以完整的實驗教學項目為基礎，建設示范性虛擬仿真實驗教學項目，推動高校積極探索線上線下教學相結(jié)合的個性化、智能化、泛在化實驗教學新模式，形成專業(yè)布局合理、教學效果優(yōu)良、開放共享有效的高等教育信息化實驗教學項目示范新體系，支撐高等教育教學質(zhì)量全面提高”。

《教育部辦公廳關于開展2017年度示范性虛擬仿真實驗教學項目認定工作的通知（教高廳函[2017]47號）》[5]《教育部辦公廳關于開展2018年度國家虛擬仿真實驗教學項目認定工作的通知（教高廳函[2018]45號）》[6]、《教育部高等教育司關于開展2019年度國家虛擬仿真實驗教學項目認定工作的通知（教高函[2019]33號）》[8]均對項目申報和認定提出了具體要求，涉及團隊情況、項目描述、網(wǎng)絡要求描述、技術(shù)架構(gòu)及主要研發(fā)技術(shù)、項目特色、持續(xù)建設服務計劃、知識產(chǎn)權(quán)、誠信承諾、附件材料、學校承諾意見等方面內(nèi)容。下面結(jié)合這3年的變化對項目申報和認定要求簡述如下。

（1）項目團隊。包括負責人情況和團隊情況，要求團隊須有在線服務人員和技術(shù)支持人員，2018年起區(qū)分為團隊主要成員和其他成員，其中主要成員不超過5人。該要求表明，教育部要求項目有持續(xù)服務能力，團隊人員應實際參與建設和服務工作。

（2）項目描述。應具有完整的內(nèi)容結(jié)構(gòu)，要求項目要滿足2個學時的教學需要，學生操作步驟不少于10步。2019年要求明確標示實驗所屬課程課時和項目本身所占課時，并在闡述實驗原理時說明核心要素的仿真度。2018年起在實驗方法與步驟要求中指出，要包括實驗方法和學生交互性操作步驟說明、實驗結(jié)果記錄情況和結(jié)果形式、上線時間和開放時間、服務學生人數(shù)、是否向社會提供服務等內(nèi)容。2019年還要求明確是否納入教學計劃，強化了項目與教學計劃的關系，強調(diào)了虛擬仿真項目面向?qū)嶒灲虒W的仿真度和有效性。

（3）項目相關網(wǎng)絡要求描述。要求說明軟硬件和網(wǎng)絡要求及主要技術(shù)，2018年起要求說明是否支持移動端，2019年新設了網(wǎng)絡安全內(nèi)容，要求說明是否完成國家信息安全等級保護及其級別。該要求說明項目應盡可能適應各種新的應用需要，重視信息安全。

（4）技術(shù)架構(gòu)及主要研發(fā)技術(shù)。要求對技術(shù)做出清楚說明，2019年不再要求對管理平臺進行專門說明，但增加了對項目品質(zhì)的要求。

（5）關于項目特色。2017年要求對教學理念、內(nèi)容、方式方法、開放運行、評價體系等予以說明，2018年起則要求體現(xiàn)項目建設的必要性及先進性、教學方式方法、評價體系及對傳統(tǒng)教學的延伸與拓展，更加強調(diào)與實體實驗的關系及其對實驗教學的作用。

（6）項目持續(xù)建設服務計劃。要求至少能夠向高校和社會持續(xù)開放服務5年，而不能只認定不服務。

（7）知識產(chǎn)權(quán)。2019年特別要求說明軟件著作權(quán)登記情況，強調(diào)自主創(chuàng)新及無爭議服務。

（8）誠信承諾和學校承諾。此項要求為項目申請和認定的基本要求。

（9）附件材料。2019年增加了政治審查意見和校外評價意見的要求，強調(diào)要重視政治方向。

上述內(nèi)容是教育部對虛擬仿真實驗教學項目建設和應用提出的全面要求，是體系性的，又是發(fā)展性的。這些要求是文本型的、條目式的，而要準確理解和把握，還需要進一步分析這些要求的內(nèi)涵以及實現(xiàn)過程中可能涉及的問題。

2 虛擬仿真實驗教學項目要求的內(nèi)涵

關于虛擬仿真實驗教學項目要求的內(nèi)涵，教育部高教司領導做過多次專門講話和指示。虛擬仿真實驗教學項目是面向?qū)嶒灲虒W的，因而它首先要滿足實驗教學的要求，實現(xiàn)實驗教學的目標，符合實驗教學的規(guī)律。一般來說，實驗教學應從以下幾方面發(fā)揮作用。

（1）幫助學生直觀認識和理解客觀世界的運動。一切學問都是客觀世界運動的規(guī)律性的反映，它最終體現(xiàn)在理論上，但是理論一經(jīng)抽象就失去了具體的內(nèi)容。實驗教學正是從這個意義上幫助學生對客觀世界的運動產(chǎn)生生動的、全面的認識。這種認識以感性認識為基礎，以科學理論為指導，最終上升到理性認識。

（2）幫助學生掌握一定的實驗知識和能力。實驗是生產(chǎn)知識的重要手段，特別是當今世界，實驗的綜合性、復雜性愈來愈強，專門化要求愈來愈高，實驗既是技能，又要求有專門的理論知識，實驗教學就是要培養(yǎng)學生的實驗知識和能力。

（3）幫助學生提高創(chuàng)造性和綜合性動手能力。通過一些綜合性、開放性、工程性實驗，讓學生去面對和解決實際問題，在游泳中學習游泳，在實踐中提高創(chuàng)造性和綜合性動手能力，掌握真本領。

（4）幫助學生培養(yǎng)學術(shù)素養(yǎng)和實踐素養(yǎng)。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。實驗實踐過程蘊含著豐富的信息，涉及素養(yǎng)的東西靠耳提面命是得不到的。實驗教學在教授知識和培養(yǎng)能力的同時，更強調(diào)培養(yǎng)學生的學術(shù)素養(yǎng)和實踐素養(yǎng)，即通過大量實踐建立起良好的思維習慣，這是實驗、實踐的真正意義所在。

每個學科都有自己的特點，每類實驗又有不同的培養(yǎng)重點。因此，實驗教學要有完整的體系，要與培養(yǎng)計劃、理論教學配合起來，每個實驗教學項目要按照自己的定位，有重點地從一個方面或幾個方面發(fā)揮作用。從根本上說，實驗教學就是要讓學生看真的，真的做。

虛擬仿真實驗是利用信息技術(shù)開展實驗教學的一個手段，要使它在上述幾方面切實發(fā)揮作用，核心問題是仿真度，即虛擬仿真實驗對象與實體對象的相似程度。仿真度的評價是客觀存在和主觀準則的統(tǒng)一，與實驗目的緊密相關，并隨實驗類型的不同而不同。對于體驗性實驗的仿真度，要求呈現(xiàn)方式、沉浸感真實，即給人的視、聽、觸、味等感覺要真實；對于物理、化學、生物反應以及機械運動等方面實驗的仿真度，要求反應機理要真實；對于復雜系統(tǒng)實驗的仿真度，要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運動機理、數(shù)據(jù)源要真實；對于鍛煉動手能力實驗的仿真度，要求操作動作和對象反饋要真實。如果一個實驗對象或系統(tǒng)，要求全面高仿真度，代價太大，因此要準確選擇核心要素，以其核心要素的仿真度滿足實驗教學要求為標準?？傮w上講，在實驗教學的意義上，虛擬仿真實驗對象特性要與實體對象相一致，在此基礎上，學生交互操作步驟要具有實際操作意義，而不僅是頁面觸動。

3 虛擬仿真實驗教學項目建設與應用應注意的幾個關系

內(nèi)涵明確之后，還應注意處理好幾個重要關系。

（1）虛擬仿真實驗與實體實驗的關系。近些年，科學技術(shù)領域快速向宇觀和微觀方向拓展，極端條件越來越突出，如復雜的化工過程、微觀的量子行為、各類空間的飛行器、地球物理系統(tǒng)、宇宙運行系統(tǒng)、復雜的社會組織運動等，或者很難在實驗室實現(xiàn)，或者實現(xiàn)了也難以直觀看到內(nèi)部過程[9]。若能通過虛擬仿真手段將其以一定的仿真度再現(xiàn)出來，是非常有意義的。即便是一些常規(guī)過程，虛擬仿真實驗也在直觀認識、模擬培訓等方面有獨特的優(yōu)勢。虛擬仿真實驗教學項目就是要從這些方面發(fā)揮獨特優(yōu)勢，對于那些由于極端條件實驗室難以實現(xiàn)或危險性較大的實驗，那些由于空間、場所局限難以大規(guī)模復制的實驗，那些由于實驗周期過長或者難以復現(xiàn)的實驗等，即可采用虛擬仿真方式開展實驗教學。但另一方面，虛擬仿真實驗教學項目不能簡單地替代實體實驗，應始終堅持能實不虛的原則。為了綜合虛擬仿真實驗和實體實驗的優(yōu)勢，應根據(jù)實際情況建設虛實結(jié)合的實驗體系。

（2）虛擬仿真實驗教學體系與實驗教學整體體系的關系。虛擬仿真實驗教學體系應從實驗教學整體體系中來、從教學大綱中來，應在能實不虛的原則下各就其位、各司其職，使虛擬仿真項目發(fā)揮出自身的特點和長處。當然，這并不意味著虛擬仿真實驗教學項目只能是實體實驗項目的虛擬仿真化，而應根據(jù)教學目的，發(fā)揮信息技術(shù)優(yōu)勢，拓展出新的實驗教學項目。同時，虛擬仿真實驗教學項目應自成體系，應從實驗教學資源的角度出發(fā)，建設仿真度適宜的實驗對象，靈活開發(fā)和配置不同層次、不同角度的教學項目。

（3）教學內(nèi)容和教學形式的關系。信息技術(shù)的快速發(fā)展首先激發(fā)的是教學形式的變革[10]。虛擬仿真實驗教學為靈活教學、推動以學生為中心的教學提供了條件。但教學內(nèi)容是基礎的、核心的、決定性的東西，因此要堅持以教學內(nèi)容為中心，避免單純興趣中心、逃避壓力、知識碎片化等現(xiàn)象。

（4）線上資源和線下資源的關系。雖然虛擬仿真實驗教學項目呈現(xiàn)的是線上資源，但需要明確的是，虛擬仿真實驗教學是在物理世界進行的，學生和教師都是物理世界活生生的人，資源的維護也需要人財物的物理條件。特別是對于長期開放服務，更需要大量的線下資源匹配。只有將線上資源和線下資源合理匹配起來，才能有效發(fā)揮虛擬仿真實驗教學的作用。

（5）虛擬仿真實驗教學與人才培養(yǎng)的關系。虛擬仿真實驗教學能夠以更豐富的內(nèi)容、更便利的方式培養(yǎng)人才[11-12]。但由于虛擬仿真給學生呈現(xiàn)的是一個虛擬的對象，甚至是一個虛擬的世界，因此要特別重視虛擬世界與真實世界的關系及其對學生認知的影響，要加強對這方面問題的研究，特別是對一些涉及世界觀、價值觀方面問題的研究。

4 結(jié)語

近年來，特別是教育部啟動虛擬仿真實驗教學項目認定以來，關于虛擬仿真實驗教學的研究、討論和實踐蔚然成風，取得了不少成果，但也存在需要進一步提高認識和統(tǒng)一認識的問題。本文從教育部相關文件要求出發(fā)，討論了對虛擬仿真實驗教學項目要求的內(nèi)涵及項目建設與應用中應注意的幾個關系。當然，這些內(nèi)容都應結(jié)合不同領域和條件的具體情況作進一步的細化研究。

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[4] 教育部. 教育部辦公廳關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知[Z]. (2017-7-11).http://www.moe. gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201707/t20170721_309819.html.

[5] 教育部. 教育部辦公廳關于開展2017年度示范性虛擬仿真實驗教學項目認定工作的通知[Z]. (2017-8-29). http://www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201709/t20170912_314251.html.

[6] 教育部. 教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知[Z]. (2018-5-30). http://www.moe.gov.cn/srcsite/A08/ s7945/s7946/201806/t20180607_338713.html.

[7] 教育部. 教育部辦公廳關于開展2018年度國家虛擬仿真實驗教學項目認定工作的通知[Z]. (2018-7-30). http://www.moe. gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201808/t20180810_344990.html.

[8] 教育部. 教育部高等教育司關于開展2019年度國家虛擬仿真實驗教學項目認定工作的通知[Z]. (2019-7-1). http://www.moe. gov.cn/s78/A08/A08_gggs/A08_sjhj/201907/t20190702_388692.html.

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Study on construction and application of virtual simulation experimental teaching projects

GUO Ting, YANG Shuguo, JIANG Yongheng, HUANG Kaisheng

(Office of Laboratory Management, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

The Ministry of Education has put forward comprehensive requirements for the construction and application of virtual simulation experimental teaching projects. Based on the requirements of relevant documents of the Ministry of Education and starting from the role of experimental teaching, this paper discusses the connotation of the requirement of virtual simulation experimental teaching projects with core element simulation as its main content. Several important relationships between the construction and application of virtual simulation experimental teaching projects are explored from the aspects of the virtual simulation experiment and physical experiment, virtual simulation experiment teaching system and experimental teaching system, teaching content and teaching form, online and offline resources, virtual simulation experimental teaching and personnel training.

virtual simulation; experimental teaching; connotation; relationship

G642.324；G434

A

1002-4956(2019)10-0215-03

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.052

2019-08-15

2019-08-20

北京市高等教育學會技術(shù)物資研究分會教育信息化2.0時代背景下優(yōu)質(zhì)實驗教學資源建設的研究與實踐項目（JSWZ201811）

郭婷（1988—），女，河南安陽，博士，主要研究方向為實驗教學、實驗室建設與管理、實驗技術(shù)隊伍建設與管理。E-mail: guoting@tsinghua.edu.cn