慕課與虛擬仿真深度融合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

葉 飛 廖成竹 章劍波 李艷艷 李慧麗

（南方科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程系，深圳 518055）

在新工科建設(shè)背景下，工程教育創(chuàng)新以培養(yǎng)未來(lái)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才為目標(biāo)，創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)已經(jīng)成為新工科專業(yè)培養(yǎng)的共識(shí)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為實(shí)踐能力培養(yǎng)的重要途徑，在提高學(xué)生專業(yè)水平，培養(yǎng)分析解決問(wèn)題能力和創(chuàng)新能力等方面都有著理論教學(xué)不可替代的作用。為了滿足新工科背景下社會(huì)對(duì)工程技能型人才的需求，在高等教育中需要提高學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，這對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了更高的要求。實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容需要減少驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，增加綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)課程的授課過(guò)程不僅包含實(shí)驗(yàn)操作，還包含一定深度的理論講授，將綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)涉及的多種理論和方法融匯貫通，從而將理論課程與實(shí)驗(yàn)課程有效銜接。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是以線下課堂為主，師生之間的交流局限在實(shí)驗(yàn)課堂中。這種簡(jiǎn)單的模式已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代教育的發(fā)展，不能滿足創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需要。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展以及計(jì)算機(jī)和移動(dòng)智能互聯(lián)設(shè)備的普及，線上學(xué)習(xí)的方式逐漸被人們接受。學(xué)生可以借助計(jì)算機(jī)、平板電腦、手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備打破學(xué)習(xí)的時(shí)空限制，隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)。以慕課和虛擬仿真為代表的線上教學(xué)方法發(fā)展迅速。慕課整合了視頻、文字、習(xí)題等數(shù)字化資源和網(wǎng)絡(luò)社交工具，形成資源豐富的、多元化的在線課程。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)借助計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，模擬仿真實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)實(shí)情境和實(shí)驗(yàn)操作，從而豐富教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或者難以完成的教學(xué)功能。目前，在中國(guó)大學(xué)慕課、學(xué)堂在線、超星、智慧樹(shù)等平臺(tái)上線的慕課均達(dá)到數(shù)千門(mén)以上，在國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)共享平臺(tái)“實(shí)驗(yàn)空間”上的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已經(jīng)多達(dá)2 000余項(xiàng)。線上資源和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的迅速發(fā)展給傳統(tǒng)的課堂教學(xué)帶來(lái)了巨大的沖擊和挑戰(zhàn)，但是也為教學(xué)改革提供了難得的機(jī)遇和方向。

為了實(shí)現(xiàn)新工科高校教學(xué)改革和人才培養(yǎng)目標(biāo)，“高教40條”指出，要大力推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，形成“互聯(lián)網(wǎng)＋高等教育”新形態(tài)。然而，目前多數(shù)工科類課程信息化改革仍然沒(méi)有擺脫偏重理論教學(xué)的弊端，人們對(duì)慕課和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用仍然存在疑慮。雖然慕課能夠在線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)相關(guān)理論和操作講解，但是不能體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)操作。因此，信息技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用更多地強(qiáng)調(diào)將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與線下實(shí)驗(yàn)結(jié)合。然而，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)雖然能夠在線上提供實(shí)驗(yàn)操作體驗(yàn)，但是沒(méi)有深入的理論講解。這些問(wèn)題導(dǎo)致這些新型線上教學(xué)工具難以提供接近線下實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果和學(xué)習(xí)體驗(yàn)，必須與線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，開(kāi)展混合式教學(xué)。同時(shí)，因?yàn)椴荒塥?dú)立在線上完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程，導(dǎo)致這些線上教學(xué)工具仍然是線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助，而不是必備活動(dòng)，所以線下傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課堂并沒(méi)有因?yàn)榛旌鲜浇虒W(xué)而發(fā)生本質(zhì)的變化。

將慕課與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)融合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，形成一體化在線實(shí)驗(yàn)課程，是解決上述問(wèn)題，推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的重要途經(jīng)。本文將分別對(duì)基于慕課和虛擬仿真的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)和建設(shè)情況進(jìn)行分析，進(jìn)而詳細(xì)介紹將慕課與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)深度融合，形成新型在線實(shí)驗(yàn)課程的方法，以及在此基礎(chǔ)上的線上線下混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

一、混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，慕課和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的兩種重要的信息化技術(shù)。將慕課或虛擬仿真實(shí)驗(yàn)線上教學(xué)與傳統(tǒng)線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合，形成“線上+線下”的混合式教學(xué)，可以擴(kuò)展學(xué)習(xí)的時(shí)間和空間，將學(xué)生的學(xué)習(xí)由淺到深地引向深度學(xué)習(xí)。下面將分別介紹基于慕課或虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本情況，分析它們?cè)诮虒W(xué)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)和存在的問(wèn)題。

因?yàn)閷?shí)驗(yàn)課程的慕課不能提供實(shí)驗(yàn)操作體驗(yàn)，所以在慕課環(huán)境下建立適合于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的混合式教學(xué)模式是教學(xué)模式創(chuàng)新的核心。很多教師已經(jīng)探索了將線上慕課與線下課堂教學(xué)相結(jié)合的混合式教學(xué)，通常的教學(xué)模式如圖1所示。在實(shí)驗(yàn)課前，學(xué)生先在線上用慕課學(xué)習(xí)，掌握相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，了解實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備基本操作，并提交預(yù)習(xí)報(bào)告；在實(shí)驗(yàn)課上教師僅需講解關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，隨后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作并初步分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)與教師互動(dòng)討論，解答慕課學(xué)習(xí)中的問(wèn)題，進(jìn)行深層次學(xué)習(xí)；課后結(jié)合個(gè)人情況，利用慕課對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行選擇性復(fù)習(xí)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行深入分析，撰寫(xiě)并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告?；谀秸n的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要有兩方面的優(yōu)點(diǎn)。首先，學(xué)生可以自主地選擇學(xué)習(xí)時(shí)間和地點(diǎn)，并且自主地控制學(xué)習(xí)進(jìn)度，對(duì)重點(diǎn)和難點(diǎn)知識(shí)還可以反復(fù)觀看視頻，從而打破了時(shí)空限制。其次，課堂教學(xué)可以針對(duì)重點(diǎn)內(nèi)容開(kāi)展深層次學(xué)習(xí)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，尤其是可以使學(xué)生將注意力集中在實(shí)驗(yàn)操作上而不是大量理論講解上。然而，可以看到這種混合式教學(xué)模式與基于慕課的理論課程教學(xué)模式基本沒(méi)有區(qū)別。同時(shí)，目前國(guó)內(nèi)慕課提供內(nèi)容以視頻、文本為主，實(shí)驗(yàn)課程與理論課程的慕課形式同質(zhì)化。這些問(wèn)題導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課程慕課和線下實(shí)驗(yàn)課程難以改善傳統(tǒng)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)不足的缺陷，這極大地影響了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程慕課學(xué)習(xí)上的熱情和效果。

圖1 基于慕課的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式（圖中斜體文字強(qiáng)調(diào)了與基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要差異）

實(shí)驗(yàn)課程慕課的這些問(wèn)題也直接影響了慕課資源建設(shè)。教育部2017年認(rèn)定的首批國(guó)家精品在線開(kāi)放課程共490門(mén)，其中工科實(shí)驗(yàn)課程僅有2門(mén)，僅占0.4%。2018年認(rèn)定的課程數(shù)量大幅度增加，達(dá)到801門(mén)。然而，實(shí)驗(yàn)課程的比例并沒(méi)有明顯提高，工科實(shí)驗(yàn)課程數(shù)量為4門(mén)，仍然僅占0.5%（詳見(jiàn)表1）。雖然教育部計(jì)劃從2019年到2021年，完成4 000門(mén)左右國(guó)家精品在線開(kāi)放課程建設(shè)，但是實(shí)驗(yàn)課程數(shù)量大幅度提升的可能性不大。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以完成或者不具備條件的教學(xué)功能，包括安全可靠地進(jìn)行高危和極端條件實(shí)驗(yàn)，綠色節(jié)約地進(jìn)行高成本實(shí)驗(yàn)，可視化地展現(xiàn)不可視的結(jié)構(gòu)或原理等。由于這些優(yōu)點(diǎn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成為目前實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的一個(gè)重要發(fā)展方向，在理、工、醫(yī)、農(nóng)、軍事、管理等不同學(xué)科均得到了應(yīng)用，發(fā)揮了積極的作用，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)互補(bǔ)，培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新意識(shí)。

表1 2017年和2018年國(guó)家精品在線開(kāi)放課程認(rèn)定情況

然而，因?yàn)樘摂M仿真實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有提供高質(zhì)量視頻或較為詳盡的文字資料介紹相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，所以通常需要將線上教學(xué)與線下實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)結(jié)合，開(kāi)展線上線下混合式教學(xué)，發(fā)揮傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)各自的優(yōu)勢(shì)。如圖2所示，教學(xué)過(guò)程與基于慕課的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)類似，同樣可以分為課前預(yù)習(xí)、課中實(shí)驗(yàn)和課后復(fù)習(xí)三個(gè)階段，但是在具體內(nèi)容上有較大差別。在課前預(yù)習(xí)中，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作，初步掌握實(shí)驗(yàn)步驟、儀器使用和注意事項(xiàng)，并在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上提交預(yù)習(xí)報(bào)告；在課中，需要進(jìn)行較詳細(xì)的基礎(chǔ)理論講解，然后采取虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)并行的方式，或者用先進(jìn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目取代部分線下實(shí)驗(yàn)；在課后，隨時(shí)在線上重溫實(shí)驗(yàn)操作，鞏固實(shí)驗(yàn)技能，并在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

圖2 基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的混合式教學(xué)模式（圖中斜體文字強(qiáng)調(diào)了與基于慕課的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要差異）

由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行Ы鉀Q實(shí)驗(yàn)資源短缺、時(shí)空受限、實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)難以開(kāi)展等問(wèn)題，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。2017年開(kāi)始，教育部全面推進(jìn)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)。如表2所示，近年來(lái)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目申報(bào)數(shù)量，認(rèn)定數(shù)量持續(xù)增加，每年申報(bào)項(xiàng)目數(shù)量增加約300～400項(xiàng)，認(rèn)定項(xiàng)目比例約30%～40%。

表2 國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目認(rèn)定情況

從上述基于慕課或虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的混合式教學(xué)的分析中我們可以看到，慕課不能提供與線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)相近的實(shí)驗(yàn)操作，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)缺乏相關(guān)理論知識(shí)介紹和梳理，因此兩者都不能提供與線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)相近的教學(xué)體驗(yàn)，必須與線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合，才能充分發(fā)揮這些線上資源的作用。這導(dǎo)致了在慕課和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)壳暗膽?yīng)用中，它們?nèi)匀皇菍?shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助，沒(méi)有成為教學(xué)過(guò)程的必備活動(dòng)。線上教學(xué)薄弱的現(xiàn)狀也使得傳統(tǒng)線下實(shí)驗(yàn)課堂的教學(xué)活動(dòng)沒(méi)有本質(zhì)的變化。因此，目前基于慕課或虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的混合式教學(xué)仍然是一種傳統(tǒng)線下教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的“1 + 1”簡(jiǎn)單疊加。

二、慕課與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的深度融合

既然慕課和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)各自具有鮮明的特點(diǎn)，前者重在理論講授，后者重在實(shí)驗(yàn)操作，那么將兩者結(jié)合，無(wú)疑將成為實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革的強(qiáng)大推力。在醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)、化學(xué)、材料等專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程中均已嘗試了將慕課與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)共同應(yīng)用。慕課與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的聯(lián)合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)資源的互補(bǔ)，解決了理論與實(shí)踐相結(jié)合的問(wèn)題。

然而，在這種將慕課與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索中，一個(gè)較為明顯的問(wèn)題是在教學(xué)實(shí)施的過(guò)程中，僅僅是將“基于慕課的混合式教學(xué)”與“基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的混合式教學(xué)”兩種模式簡(jiǎn)單混合，將教學(xué)模式從原來(lái)的“1 + 1”簡(jiǎn)單疊加變成了“1 + 1 + 1”簡(jiǎn)單疊加。在線上教學(xué)過(guò)程中，慕課的理論講解和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作是在不同的平臺(tái)上孤立進(jìn)行的。這導(dǎo)致了在豐富了教學(xué)內(nèi)容和手段的同時(shí)，大幅度增加了教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的復(fù)雜性和負(fù)擔(dān)。學(xué)生要分別在慕課、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上預(yù)習(xí)，線下實(shí)驗(yàn)后需要分別在兩個(gè)平臺(tái)上復(fù)習(xí)鞏固，在完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的同時(shí)，有時(shí)還需要分別完成慕課或虛擬仿真平臺(tái)上設(shè)置的問(wèn)題。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中慕課與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)合以及在混合式教學(xué)中應(yīng)用的問(wèn)題，我們提出了將慕課與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)深度融合的線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。這個(gè)深度融合是指將慕課和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上有機(jī)地組合形成一個(gè)整體，在線上實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生可以在慕課講解與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作之間靈活切換，盡量接近實(shí)際線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程。這樣的線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)將慕課與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，形成了與目前單獨(dú)的慕課和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)都不相同的線上課程。因?yàn)檫@樣的線上學(xué)習(xí)體驗(yàn)與線下實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)非常相近，所以在我們已建成的線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上，將慕課與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)融合后的線上實(shí)驗(yàn)課程稱為“虛擬學(xué)堂”。

將慕課與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)融合的基礎(chǔ)是慕課和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的制作。我們已經(jīng)建設(shè)了“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”和“生物材料實(shí)驗(yàn)”的慕課和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而將兩者深度融合。以“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”課程中“金屬的拉伸性能與加工硬化”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例，這是一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)步驟較多，設(shè)備使用有一定難度。該實(shí)驗(yàn)中將鋁合金冷軋成不同厚度的薄片，測(cè)試這些薄片的拉伸性能，使學(xué)生理解金屬材料加工硬化和變形的基本原理，掌握冷軋機(jī)和萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的使用方法。在實(shí)驗(yàn)?zāi)秸n中，主要內(nèi)容包括介紹加工硬化和變形相關(guān)理論知識(shí)，以及冷軋機(jī)和萬(wàn)能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，演示實(shí)驗(yàn)步驟和設(shè)備操作方法，說(shuō)明拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和拉伸性能分析的方法，并強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)。教學(xué)視頻中用特寫(xiě)鏡頭展示在線下實(shí)驗(yàn)中學(xué)生難以看到的設(shè)備關(guān)鍵部分和材料變形實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，根據(jù)視頻講述內(nèi)容適時(shí)提出問(wèn)題。對(duì)應(yīng)于慕課中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，建設(shè)了虛擬實(shí)驗(yàn)，可以在線上體驗(yàn)冷軋機(jī)和萬(wàn)能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)的使用。進(jìn)而，在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，將慕課和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)兩者有機(jī)地整合成一體，在鋁合金冷軋變形和拉伸性能測(cè)試等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置建立互相訪問(wèn)鏈接，從而可以在慕課學(xué)習(xí)和虛擬仿真操作間靈活切換。

實(shí)踐表明，“虛擬學(xué)堂”實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果顯著，有效地解決了上述慕課與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)合中的一些問(wèn)題，具備了線下教學(xué)中理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)操作靈活交互的優(yōu)勢(shì)，從而提高了學(xué)生線上學(xué)習(xí)的體驗(yàn)，明顯提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。特別是這樣的深度融合可以使實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以真正地實(shí)現(xiàn)在線上獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程。

盡管“虛擬學(xué)堂”具有許多優(yōu)點(diǎn)，但是虛擬實(shí)驗(yàn)畢竟缺乏線下實(shí)驗(yàn)的真實(shí)環(huán)境，缺少真實(shí)動(dòng)手操作。要培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、合作精神和創(chuàng)新意識(shí)，需要實(shí)實(shí)在在的實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生親手實(shí)驗(yàn)、親身經(jīng)歷是線上實(shí)驗(yàn)無(wú)法替代的。因此，需要將融合后的慕課和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合，通過(guò)混合式教學(xué)，發(fā)揮最大功效。

在慕課和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)深度融合的基礎(chǔ)上，一個(gè)完整的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程仍然可以用課前、課中和課后三個(gè)階段來(lái)描述。如圖3所示，在課前，學(xué)生在“虛擬學(xué)堂”在線預(yù)習(xí)，了解實(shí)驗(yàn)相關(guān)基本原理、儀器設(shè)備和注意事項(xiàng)，進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作，并在線提交預(yù)習(xí)報(bào)告。在預(yù)習(xí)報(bào)告中，基于在線學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)操作，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)中使用的材料、實(shí)驗(yàn)操作主要步驟和關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)參數(shù)，對(duì)于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)要求提出實(shí)驗(yàn)方案。在課中，進(jìn)行線下實(shí)驗(yàn)操作，部分難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)同樣采用實(shí)體實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)并行的方式。課后學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并可以利用“虛擬學(xué)堂”復(fù)習(xí)鞏固，在線交流答疑。因?yàn)榫€上學(xué)習(xí)過(guò)程中學(xué)生已經(jīng)獲得了接近線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)的體驗(yàn)，因此線下教學(xué)過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為主導(dǎo)的教學(xué)，教師只在關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)操作步驟和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)予以指導(dǎo)，從而提高了學(xué)生獨(dú)立思考和解決問(wèn)題的能力。在這個(gè)過(guò)程中，視頻學(xué)習(xí)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)靈活交互，實(shí)體實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)并行，形成線上線下深層次交互的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

圖3 基于“虛擬學(xué)堂”的混合式教學(xué)模式

三、慕課與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)深度融合的優(yōu)勢(shì)和意義

從這些探索性應(yīng)用中，我們可以看到將慕課與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)深度融合的優(yōu)勢(shì)主要包括以下幾個(gè)方面。

首先，慕課與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)勢(shì)資源互補(bǔ)。慕課教學(xué)用視頻的形式將實(shí)驗(yàn)相關(guān)理論知識(shí)和較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)操作展示給學(xué)生，使學(xué)生能夠在線預(yù)習(xí)，但是無(wú)法解決學(xué)生在實(shí)際操作中可能出現(xiàn)的問(wèn)題。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)利用其直觀、安全等特點(diǎn)，允許學(xué)生嘗試設(shè)置大量不同的實(shí)驗(yàn)條件，可以有效解決實(shí)驗(yàn)操作中存在的問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)慕課教學(xué)和線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法滿足的教學(xué)目標(biāo)，但是學(xué)習(xí)過(guò)程中又缺少深入的理論和實(shí)驗(yàn)講解。因此，將這兩種線上教學(xué)手段聯(lián)合應(yīng)用，可以達(dá)到資源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的目的。

其次，慕課與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)深度融合后，形成了一體化的新型線上課程，可以獨(dú)立地在線上完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程。在慕課講解理論知識(shí)后，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)又通過(guò)逼真的模擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，帶領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)三維立體的虛擬實(shí)驗(yàn)空間，體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)操作。在混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，這樣具有一定獨(dú)立性的線上課程才能夠不僅僅作為教學(xué)活動(dòng)的輔助，而是成為教學(xué)過(guò)程的必備部分，從而帶動(dòng)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課堂改革，在混合式教學(xué)中可以基于線上學(xué)習(xí)開(kāi)展更加深入的教學(xué)。

最后，將慕課與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)融合，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)目的。學(xué)生可以在線觀看視頻和講義等資源，學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)相關(guān)理論知識(shí)，然后用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)初步掌握實(shí)驗(yàn)操作，同時(shí)通過(guò)在線交流，及時(shí)解決學(xué)習(xí)中遇到的問(wèn)題，并完成線上測(cè)試檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果。對(duì)不熟悉的知識(shí)可以在線上反復(fù)學(xué)習(xí)、反復(fù)實(shí)驗(yàn)。這樣的過(guò)程能夠?qū)⒗碚撝R(shí)與實(shí)踐應(yīng)用緊密結(jié)合，使學(xué)生牢固掌握理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，顯著提高學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，滿足新工科人才培養(yǎng)的需要。

四、結(jié)語(yǔ)

為了滿足新工科背景下社會(huì)對(duì)工程人才的需求，在人才培養(yǎng)中需要重視學(xué)生應(yīng)用理論知識(shí)解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，這對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了更高的要求。為適應(yīng)現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，需要不斷推進(jìn)信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合，利用信息化技術(shù)改進(jìn)和豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，探索適合于實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)的混合式教學(xué)模式。

慕課和虛擬仿真技術(shù)是當(dāng)今新興的兩種技術(shù)手段，慕課可以提供高質(zhì)量的視頻和豐富的資源，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以提供模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)景。將兩者深度融合，在線上學(xué)習(xí)過(guò)程中可以在視頻講授、文字說(shuō)明和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)之間靈活交互，形成新型線上實(shí)驗(yàn)課程，從而實(shí)現(xiàn)了慕課與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，為學(xué)生構(gòu)建全方位的線上學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)操作條件。在教學(xué)模式上，這種新型線上實(shí)驗(yàn)課程具有獨(dú)立性，能夠獨(dú)立地在線上完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)，從而在線上線下混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，成為教學(xué)活動(dòng)的必備工具，改變傳統(tǒng)線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以基于線上學(xué)習(xí)成果開(kāi)展深入學(xué)習(xí)，形成線上線下深層次交互的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。在人才培養(yǎng)上，新型線上實(shí)驗(yàn)課程兼顧理論學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)技能培養(yǎng)，尤其是在綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中，將相關(guān)的多種理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)方法緊密結(jié)合，學(xué)生可以在線上反復(fù)學(xué)習(xí)、反復(fù)實(shí)驗(yàn)，從而提高學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，滿足新工科人才培養(yǎng)要求。