一流專業(yè)建設(shè)過程中實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究
——以沈陽建筑大學(xué)無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)為例

陳彥文，符 聃，陳 苗，張 強(qiáng)

(1.沈陽建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168；2.沈陽建筑大學(xué)外國語學(xué)院，遼寧 沈陽 110168； 3.沈陽城市建設(shè)學(xué)院土木工程系，遼寧 沈陽 110167)

一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的必要性

實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)是理論教學(xué)的深入和驗(yàn)證，是本科教學(xué)體系中關(guān)鍵的教學(xué)環(huán)節(jié)，是提升學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的有效手段。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，學(xué)生可以在短時(shí)間內(nèi)，投入較少精力，獲得最佳的教學(xué)效果[1]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果主要體現(xiàn)在學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的運(yùn)用上，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法直接影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，因此，實(shí)踐教學(xué)方法改革是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的關(guān)鍵。

近幾年，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到廣泛的應(yīng)用，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是現(xiàn)代化電子信息技術(shù)與科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)的深度融合[2-3]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和水平。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)是國家一流本科專業(yè)建設(shè)的需求，建設(shè)智能化、科學(xué)化、現(xiàn)代化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管理系統(tǒng)，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的科學(xué)化管理水平，促使實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員不斷完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、研究實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、提高學(xué)生綜合素質(zhì)，是虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的目標(biāo)。

一流本科課程“雙萬計(jì)劃”指出，要推動(dòng)教師全員參與課程理念創(chuàng)新、內(nèi)容創(chuàng)新和模式創(chuàng)新[4]，實(shí)驗(yàn)教學(xué)也要加強(qiáng)一流課程建設(shè)與應(yīng)用，提升本科實(shí)驗(yàn)課程的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。與傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)方式相比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可通過虛擬的視景實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為主體的“自主學(xué)習(xí)”和“自主設(shè)計(jì)”[5-6]，用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)立虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓實(shí)驗(yàn)參與者像在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中一樣，完成全部預(yù)定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，所取得的學(xué)習(xí)效果可等同于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果[5]。

2019年，沈陽建筑大學(xué)無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)獲批首批國家級(jí)一流本科建設(shè)點(diǎn)，建設(shè)內(nèi)容包括內(nèi)涵建設(shè)、內(nèi)容建設(shè)和路徑建設(shè)，實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)是一流本科專業(yè)內(nèi)容建設(shè)的重要組成部分，探索適應(yīng)一流本科專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式勢(shì)在必行。

一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)的獲批，既給實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)建設(shè)帶來了機(jī)遇，也帶來了挑戰(zhàn)，在研究分析無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合本專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革，是一流本科專業(yè)建設(shè)的需要。

目前，無機(jī)非金屬材料專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于量大面廣、實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)過程涉及大型貴重儀器設(shè)備較多、實(shí)驗(yàn)運(yùn)行成本高，無法保證學(xué)生全程參與實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使用虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備，可彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，但實(shí)驗(yàn)教學(xué)也不能完全依賴于虛擬仿真技術(shù)。

二、無機(jī)非金屬材料專業(yè)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

1.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)量多

實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力至關(guān)重要。要培養(yǎng)滿足社會(huì)需求的工程行業(yè)高級(jí)應(yīng)用技術(shù)人才，就必須加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)建設(shè)?！豆こ探逃J(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》與材料類補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)要求無機(jī)非金屬材料專業(yè)課程中工程實(shí)踐與畢業(yè)設(shè)計(jì)類不少于20%，專業(yè)課實(shí)驗(yàn)開出率達(dá)到90%以上，綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)課程占總實(shí)驗(yàn)課程比例大于60%[7]。無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)課程布局中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)比例較大，綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課程占比更高[8](見表1)。

表1 無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)課程布局

2.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成時(shí)間較長(zhǎng)

材料類專業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目普遍耗時(shí)較長(zhǎng)，即使是驗(yàn)證和演示性實(shí)驗(yàn)也需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能完成。例如：水泥技術(shù)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的凝結(jié)時(shí)間測(cè)定，一般需要2～5 h，水泥的強(qiáng)度測(cè)試要等到水泥養(yǎng)護(hù)到3 d或者28 d齡期才能測(cè)試；而水泥熟料的燒結(jié)、自密實(shí)混凝土等綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，要經(jīng)過設(shè)計(jì)、制備、性能評(píng)價(jià)等過程，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成需要的時(shí)間更長(zhǎng)，而且綜合性、設(shè)計(jì)性及創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)量已經(jīng)達(dá)到75%以上。這類專業(yè)性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)受時(shí)長(zhǎng)的制約，學(xué)生在規(guī)定實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)內(nèi)也無法完成，因而難以保證教學(xué)質(zhì)量。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)存的問題

為更直觀地剖析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的問題，筆者以沈陽建筑大學(xué)無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室為例進(jìn)行闡述。

1.教學(xué)與環(huán)境資源不足

(1)教師資源

無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)全部由無機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)，目前，專業(yè)實(shí)驗(yàn)室有專職實(shí)驗(yàn)教師及管理人員6人，除承擔(dān)本專業(yè)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)之外，還承擔(dān)全校土木工程材料系列課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，輔助指導(dǎo)研究生及教師科研實(shí)驗(yàn)，保障實(shí)驗(yàn)室正常運(yùn)行及負(fù)責(zé)大型儀器設(shè)備使用與管理，實(shí)驗(yàn)工作量大，實(shí)驗(yàn)人員嚴(yán)重不足。

(2)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和儀器設(shè)備

隨著高等教育事業(yè)的發(fā)展，辦學(xué)規(guī)模逐步擴(kuò)大，招生人數(shù)逐年增加，中央及省部共建項(xiàng)目采購的大型精密儀器設(shè)備占據(jù)大量實(shí)驗(yàn)教學(xué)空間，實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效使用面積逐年減小，人均實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用面積嚴(yán)重不足。專業(yè)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備投入較少，設(shè)備更新率較低，維修經(jīng)費(fèi)較少，實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)(套)數(shù)不能滿足正常教學(xué)需求。專業(yè)類實(shí)驗(yàn)課教學(xué)只能把自然班分成2～4個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)組，分批進(jìn)行，一些常用測(cè)試分析儀器設(shè)備臺(tái)(套)數(shù)更少，基本上是部分學(xué)生參與實(shí)際操作，大部分學(xué)生只能觀摩，沒有實(shí)際動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)。

2.大型儀器設(shè)備利用率低

大型設(shè)備是材料類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分，學(xué)生借助大型儀器設(shè)備獲得材料的微觀組成和結(jié)構(gòu)，評(píng)價(jià)材料特性、構(gòu)造和性質(zhì)。近幾年，該專業(yè)獲得儀器設(shè)備專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)近2 000萬元，10萬元以上的大型設(shè)備由不足5臺(tái)(件)增加到現(xiàn)在的40余臺(tái)(件)，極大地改善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的硬件條件。省部共建項(xiàng)目為實(shí)驗(yàn)教學(xué)奠定了基礎(chǔ)，為材料一流學(xué)科的建設(shè)和發(fā)展提供了保障，也為學(xué)生實(shí)驗(yàn)和科研創(chuàng)新創(chuàng)造了條件，但是大型儀器設(shè)備管理辦法和制度不完善，大型儀器設(shè)備的維護(hù)成本高，運(yùn)行和維修費(fèi)用也較為昂貴。由于缺少合理的資金保障體系，專職實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員崗位設(shè)置不合理，大型儀器設(shè)備無專人負(fù)責(zé)，設(shè)備損壞率較高、利用率低。而涉及大型儀器設(shè)備的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，基本上由實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師講解、操作及演示實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生沒有動(dòng)手操作機(jī)會(huì)，效果欠佳，達(dá)不到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。

3.信息化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)緩慢

無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)涉及基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)面廣、量大，實(shí)驗(yàn)用原材料和化學(xué)試劑種類多、數(shù)量大，低值易耗品和小型實(shí)驗(yàn)設(shè)備較多，而且實(shí)驗(yàn)過程中涉及大型精密儀器設(shè)備的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目占比大，學(xué)生必須在專業(yè)教師的幫助和指導(dǎo)下，才能熟悉實(shí)驗(yàn)室環(huán)境及相關(guān)設(shè)備。當(dāng)前，信息技術(shù)快速發(fā)展，專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)繼續(xù)維持線下實(shí)操教學(xué)，已經(jīng)不符合一流專業(yè)建設(shè)的教學(xué)發(fā)展理念，信息化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)已經(jīng)勢(shì)在必行。

4.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)滯后

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是指將實(shí)驗(yàn)教學(xué)原理、方法、過程與信息技術(shù)進(jìn)行深度融合，把虛擬儀器設(shè)備引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過虛擬仿真場(chǎng)景展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的全過程。學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)熟悉實(shí)驗(yàn)原理，設(shè)備的基本功能、操作方法與注意事項(xiàng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析處理等過程。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)組成部分，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)的重要內(nèi)容，為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力、共享優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源、完善教學(xué)體系、提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量、提升學(xué)生專業(yè)素質(zhì)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程也是一流本科專業(yè)建設(shè)的一個(gè)標(biāo)志性成果，但是無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目尚未開始建設(shè)。

四、實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的構(gòu)建

實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理與建設(shè)水平是實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的重要保障，為建設(shè)一流專業(yè)、實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)，必須進(jìn)一步探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革新模式，加大實(shí)驗(yàn)室建設(shè)投入。沈陽建筑大學(xué)無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室借助國家一流專業(yè)建設(shè)等項(xiàng)目的大力支持，增加原有設(shè)備的臺(tái)(套)數(shù)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)，整合現(xiàn)有校內(nèi)實(shí)驗(yàn)資源，調(diào)整實(shí)驗(yàn)室布局，使有限的實(shí)驗(yàn)資源得到充分利用；積極開展校外合作實(shí)驗(yàn)基地建設(shè)，共建校際、校企聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所，為無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利開展提供保障。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)貫穿于本科階段學(xué)習(xí)的全過程，實(shí)驗(yàn)課程是學(xué)生培養(yǎng)方案的組成部分，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是構(gòu)成實(shí)驗(yàn)課程的基本組成單元，實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革是一流本科專業(yè)建設(shè)的關(guān)鍵。無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)應(yīng)以國家一流專業(yè)建設(shè)為契機(jī)，以實(shí)驗(yàn)課程和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為研究對(duì)象，多渠道調(diào)研收集實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行分類建設(shè)和實(shí)施，本著“虛實(shí)結(jié)合、虛實(shí)相補(bǔ)、能實(shí)不虛，以虛促實(shí)”的原則，結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)分析篩選的優(yōu)勢(shì)教學(xué)資源，整合虛實(shí)教學(xué)模塊，搭建虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理水平和管理質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。

針對(duì)不同課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目要采取不同的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。按照課程類型實(shí)驗(yàn)課可分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課、專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課和專業(yè)實(shí)驗(yàn)課；按照實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目性質(zhì)可分為演示實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)課程分類統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程分類統(tǒng)計(jì)

1.基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)及專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)

物理、化學(xué)類的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目用時(shí)較少，小型儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)藥瓶較多，原理簡(jiǎn)單，安全性高，這些實(shí)驗(yàn)可采取線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式。線下教學(xué)可保證學(xué)生有機(jī)會(huì)親自動(dòng)手操作，有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。在保證實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，也可以利用現(xiàn)代化教學(xué)手段把基本原理、操作步驟制作成慕課，通過信息化手段公開發(fā)布實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目信息，讓學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)掌握基本理論和實(shí)驗(yàn)方法后，再進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，這樣可以提高實(shí)驗(yàn)效率，避免指導(dǎo)教師重復(fù)勞動(dòng)，進(jìn)而能緩解實(shí)驗(yàn)資源和教師不足的問題。因此，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)應(yīng)堅(jiān)持以線下實(shí)操為主、線上為輔的原則。

針對(duì)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，還可以聯(lián)合其他院校共同開發(fā)實(shí)驗(yàn)虛擬項(xiàng)目，打破高校之間的壁壘，實(shí)現(xiàn)資源共享。2020年，教育部開放2 000余門虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程資源[9]，并提供在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)支撐和教學(xué)過程考核管理。疫情期間，大連理工大學(xué)不但開發(fā)了理工類專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，專業(yè)課，綜合性、設(shè)計(jì)性的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，還開發(fā)了線上虛擬仿真與線下工程實(shí)驗(yàn)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。各高校材料類專業(yè)的基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)，可以在調(diào)研考察的基礎(chǔ)上，借助同類高校的開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，優(yōu)選適合本專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)應(yīng)以實(shí)為主、以虛為輔，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)應(yīng)以共享資源或合作開發(fā)為主。

2.專業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)

專業(yè)實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)、科學(xué)研究能力的關(guān)鍵，是提升學(xué)生專業(yè)技能的訓(xùn)練手段，專業(yè)實(shí)驗(yàn)中包含驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)只有16學(xué)時(shí)，綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)高達(dá)96學(xué)時(shí)，而很多實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析測(cè)試依賴于大型精密儀器設(shè)備，針對(duì)這一特點(diǎn)，對(duì)于專業(yè)實(shí)驗(yàn)應(yīng)堅(jiān)持優(yōu)化資源、分類建設(shè)的原則。

(1)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)建設(shè)

對(duì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)中的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所需時(shí)間、實(shí)驗(yàn)硬件條件，采取“線下實(shí)操+MOOC教學(xué)+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)模式。實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備較小、可操作性強(qiáng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)可參照基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式進(jìn)行建設(shè)；而持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、跨度大的實(shí)驗(yàn)要拆分成幾個(gè)小的實(shí)驗(yàn)單元分別進(jìn)行建設(shè)，并輔助以一定的3D虛擬仿真技術(shù)[10]，最后組成一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。例如：水泥技術(shù)性質(zhì)包括幾項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，其中，水泥細(xì)度、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量需要進(jìn)行線下實(shí)操實(shí)驗(yàn)；而體積安定性、水泥凝結(jié)時(shí)間、水泥強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)前期可進(jìn)行線下實(shí)操實(shí)驗(yàn)，后續(xù)實(shí)驗(yàn)則采用虛擬仿真和MOOC教學(xué)，學(xué)生在移動(dòng)電子設(shè)備上實(shí)現(xiàn)可視化學(xué)習(xí)，參與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的全過程。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)可以采取線上線下結(jié)合的形式，并輔助以一定的3D虛擬仿真技術(shù)，做到虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛、以虛補(bǔ)實(shí)，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的數(shù)量和質(zhì)量。

(2)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)建設(shè)

綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是提升學(xué)生綜合素質(zhì)，提高學(xué)生創(chuàng)新能力的手段。沈陽建筑大學(xué)無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)結(jié)合《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》要求，通過修改培養(yǎng)方案、調(diào)整教學(xué)體系，綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目比例已經(jīng)超過75%(見表3)。綜合性實(shí)驗(yàn)是打破課程間的限制，圍繞多個(gè)知識(shí)點(diǎn)開展實(shí)驗(yàn)，是對(duì)理論知識(shí)的系統(tǒng)檢驗(yàn)，可以訓(xùn)練和提升學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力[11]。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法教學(xué)，任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)是一種基于建構(gòu)主義理論的新型教學(xué)法，是以解決問題、完成任務(wù)為目的的探究式學(xué)習(xí)[12]。綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)涉及知識(shí)面廣，跨度大，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、時(shí)間機(jī)動(dòng)靈活。綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)應(yīng)以實(shí)驗(yàn)平臺(tái)教學(xué)為主，以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為輔，以實(shí)操檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的效果。運(yùn)用“建設(shè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)+虛擬仿真+實(shí)操融合”教學(xué)法，通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)發(fā)布實(shí)驗(yàn)任務(wù)，學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)熟悉實(shí)驗(yàn)原理及工藝過程，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)路線和方案，運(yùn)用虛擬仿真平臺(tái)模擬實(shí)驗(yàn)過程，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)路線和方案，最后經(jīng)過實(shí)際操作驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表3 綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)

在一流本科專業(yè)建設(shè)過程中，應(yīng)結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)和行業(yè)發(fā)展方向，開展綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容改革，提升實(shí)驗(yàn)效果，應(yīng)本著“虛實(shí)結(jié)合、虛實(shí)互補(bǔ)、以實(shí)驗(yàn)虛”的原則，優(yōu)化虛實(shí)教學(xué)資源，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。

(3)借助于大型精密儀器設(shè)備開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

隨著高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展，大型精密儀器設(shè)備數(shù)量逐年增多，儀器設(shè)備價(jià)格昂貴，運(yùn)行成本高，工作原理復(fù)雜，測(cè)試技術(shù)要求較高，參數(shù)設(shè)置直接影響測(cè)試結(jié)果，數(shù)據(jù)處理分析難度較大。不同的大型儀器設(shè)備工作原理差別較大，例如，X射線衍射分析儀通過對(duì)材料進(jìn)行測(cè)試，分析其衍射圖譜，獲得材料的成分、內(nèi)部原子或分子的結(jié)構(gòu)和形態(tài)等信息。而低場(chǎng)核磁共振設(shè)備的實(shí)驗(yàn)原理是基于電磁學(xué)理論和量子理論，來表征材料內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)。對(duì)于本科生而言，理解掌握這些原理難度較大，虛擬仿真儀器設(shè)備因其直觀性、安全性和開放性特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有顯著優(yōu)勢(shì)。建設(shè)大型儀器設(shè)備3D虛擬仿真系統(tǒng)，可拓展本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，提升學(xué)生的實(shí)踐能力。因此，基于大型儀器設(shè)備的虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)尤為迫切和必要。

開發(fā)建設(shè)大型儀器設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將虛擬儀器引入現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，便于學(xué)生直觀了解現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的方法及原理，激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)性，能提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。通過虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建的大型儀器設(shè)備3D仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，利用MOOC教學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)、實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行輔助講解，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。在條件允許的情況下，面向?qū)W生開展大型儀器設(shè)備培訓(xùn)和考核，考核通過的學(xué)生可以獲得大型儀器設(shè)備的操作資格。這樣既能提高大型儀器設(shè)備的利用率和學(xué)生的參與度，也能為學(xué)生今后從事科學(xué)研究等活動(dòng)提供幫助。

借助三維虛擬仿真技術(shù)不僅能夠滿足材料類專業(yè)實(shí)驗(yàn)大型儀器設(shè)備教學(xué)的操作訓(xùn)練要求，還能實(shí)現(xiàn)常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以完成的教學(xué)功能。依托三維虛擬仿真技術(shù)可以根據(jù)材料專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的發(fā)展需求，實(shí)現(xiàn)“以虛為主、以虛促實(shí)”，用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)補(bǔ)充理論知識(shí)體系，通過線下實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐教學(xué)的互補(bǔ)。

3.虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、專業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、大型儀器設(shè)備平臺(tái)3個(gè)模塊?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括所有基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)內(nèi)容，面向全校開放，提前公布實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生可以在網(wǎng)上選課，線上學(xué)習(xí)，線下實(shí)驗(yàn)，線上提交實(shí)驗(yàn)成績(jī)。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也可實(shí)現(xiàn)高校之間的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)資源共享。專業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要面向本專業(yè)開放，也可以開設(shè)開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，專業(yè)實(shí)驗(yàn)，綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的特點(diǎn)采用線上課程教學(xué)、實(shí)驗(yàn)錄像、線下實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等方式。建設(shè)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可拓寬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的拓展，也是一流本科專業(yè)建設(shè)過程中實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的發(fā)展方向。

沈陽建筑大學(xué)無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室為充分發(fā)揮現(xiàn)有大型儀器設(shè)備的資源條件，本著共享、共建、共贏的建設(shè)理念，確立服務(wù)教學(xué)、服務(wù)科研、服務(wù)社會(huì)的建設(shè)目標(biāo)，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的大型儀器設(shè)備實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。雖然現(xiàn)有大型儀器設(shè)備平臺(tái)在服務(wù)科研和地方建設(shè)方面起到了應(yīng)有的作用，但在服務(wù)本科教學(xué)方面的作用還有待提升。在國家一流本科專業(yè)建設(shè)過程中，可依托遼寧省高校大型儀器設(shè)備平臺(tái)，圍繞現(xiàn)有大型設(shè)備搭建虛擬仿真3D可視化的共享實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，努力構(gòu)建和優(yōu)化共享平臺(tái)系統(tǒng)。

要在現(xiàn)有大型儀器設(shè)備平臺(tái)的基礎(chǔ)上，開發(fā)大型虛擬仿真儀器設(shè)備實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，依托虛擬大型儀器設(shè)備，開發(fā)虛實(shí)結(jié)合的綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，豐富實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的內(nèi)容，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)，既解決當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源不足的問題，又推進(jìn)以學(xué)生為主體的直觀性和啟發(fā)性的可視化教學(xué)，調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的積極性和主動(dòng)性，提高學(xué)生的自我探索能力、實(shí)踐創(chuàng)新能力。同時(shí)，不斷完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)體系，挖掘虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源，創(chuàng)造良好的實(shí)踐、科研氛圍，提高大型儀器設(shè)備的利用率，為培養(yǎng)高水平的創(chuàng)新型人才奠定基礎(chǔ)。

五、結(jié) 語

學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是當(dāng)前高等教育關(guān)注的重點(diǎn)，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)是提升學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的有效途徑。無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)在國家一流本科專業(yè)建設(shè)過程中，應(yīng)針對(duì)實(shí)驗(yàn)課程類型、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目性質(zhì)及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目特點(diǎn)進(jìn)行分類建設(shè)?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)和專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)應(yīng)堅(jiān)持以實(shí)際操作為主，以適當(dāng)?shù)腗OOC和共享實(shí)驗(yàn)平臺(tái)資源為輔的建設(shè)原則。專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類型和實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，采用虛實(shí)結(jié)合、以虛補(bǔ)實(shí)的建設(shè)原則。專業(yè)實(shí)驗(yàn)中的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)應(yīng)堅(jiān)持線下實(shí)際操作的原則；綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)應(yīng)結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)開發(fā)建設(shè)具有鮮明專業(yè)特點(diǎn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。同時(shí)，要加強(qiáng)大型儀器設(shè)備利用和管理，建設(shè)大型儀器設(shè)備操作平臺(tái)，建設(shè)大型儀器設(shè)備的虛擬仿真模擬操作系統(tǒng)，建設(shè)虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率和管理水平。通過模擬實(shí)驗(yàn)完成大型儀器設(shè)備的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，用虛擬實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)理論知識(shí)，再以實(shí)際操作驗(yàn)證學(xué)習(xí)成果，做到以虛促實(shí)、以實(shí)驗(yàn)虛、虛實(shí)互補(bǔ)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。但是，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)不能完全替代實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)，只有做到虛實(shí)結(jié)合、虛實(shí)互補(bǔ)、協(xié)調(diào)發(fā)展，才能更好地提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)國家一流專業(yè)建設(shè)目標(biāo)。