多維度探索提升化學虛擬仿真實驗的教學效果與改革實踐

張連明，李旦，李建平，聶瑾芳，袁亞利

（桂林理工大學，廣西桂林 541004）

隨著信息化教學技術(shù)的發(fā)展和進步，在教學過程中使用先進的設(shè)備或者技術(shù)有效促進教學的發(fā)展，已經(jīng)成了現(xiàn)今教學發(fā)展的普遍趨勢。虛擬仿真實驗集合了最新的技術(shù)及載體，有效促進了教學方法的改革。隨著虛擬仿真實驗教學資源的擴大化建設(shè)，綜合利用、深入利用、交互式容錯利用、創(chuàng)新性智能化應用的意義遠遠強于知識面的補充。虛擬仿真實驗作為一種新興的教學方法，研究充分利用其特點和技術(shù)優(yōu)勢來提升教學效果是非常有意義的[1-4]。

1 虛擬仿真實驗的發(fā)展及現(xiàn)況

根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》，我國在2013年啟動了國家虛擬仿真實驗教學中心的評審活動，共批準了300 個國家級虛擬仿真實驗[5]。根據(jù)本科學科門類中專業(yè)類的當前布局和發(fā)展情況，結(jié)合高校專業(yè)類實驗室建設(shè)情況和專業(yè)類實驗教學信息化發(fā)展需求等因素，統(tǒng)籌規(guī)劃到2020年認定1 000項左右示范性虛擬仿真實驗教學項目，由于疫情原因，規(guī)劃建設(shè)時間延長至2021年。2019年，教育部發(fā)布《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見》，將國家虛擬仿真實驗教學項目納入一流本科課程建設(shè)，計劃2021年建設(shè)1 500 門左右國家虛擬仿真實驗教學一流課程[6]，經(jīng)過前期三年多的建設(shè)，目前已認定“國家虛擬仿真實驗教學一流課程”的項目有700 余門，覆蓋了41 個專業(yè)類，168 個專業(yè)[7]。

桂林理工大學為工科地方性院校，學校努力完善教學與科研的硬件資源配置，但是，由于臺套數(shù)的限制，學生在實際動手能力及大型儀器實踐方面略遜于老牌名校，在一定程度影響了學生的就業(yè)競爭力。自2011年以來，桂林理工大學化學與生物工程學院開始建設(shè)虛擬仿真實驗教學平臺，現(xiàn)擁有自建化學虛擬仿真實驗項目23 個，其中大型化工制藥（虛實結(jié)合）、生物工程（虛實結(jié)合）及大型儀器分析實驗項目（虛擬仿真）各1 個，其他如質(zhì)譜儀、核磁共振儀、粉末衍射儀等相關(guān)虛擬仿真資源60G[8]。同時，借助國家虛擬仿真實驗教學項目共享300 多個服務(wù)平臺的化學、生物科學、化工制藥類資源，打破資源壁壘，積極在理論、實踐課程中增加虛擬仿真教學，結(jié)合學生創(chuàng)新實驗設(shè)計、儀器模型分析、自主搭配虛擬實驗儀器、自主分析和驗證實驗過程等，有效提高學生創(chuàng)新實驗設(shè)計、資料檢索、團隊協(xié)作、分析問題、解決問題、創(chuàng)新實踐等能力[9]。

2 虛擬仿真實驗教學中存在的問題

我國部分高校的虛擬仿真教學較為片面化，部分高校因自建的虛擬仿真教學資源較少，一般院校均將虛擬仿真實驗資源作為實踐教學內(nèi)容的拓展，或者作為模擬大型生產(chǎn)過程的實訓教學資源，未能有效利用虛擬仿真技術(shù)和載體所輻射的教學資源，同時也未能有效深入拓展新的教學模式[8]。

2.1 虛擬仿真實驗容錯技術(shù)亟待提升

目前大部分虛擬仿真實驗內(nèi)容均以“下一步動畫”學習和“點鼠標”操作為主，在實踐過程中，由于智能技術(shù)的限制，部分軟件僅有一條正確的操作主線，實驗流程幾乎沒有容錯率，無須思考，學生通過點擊鼠標和操作鍵盤即可完成該部分的理論教學和實踐操作內(nèi)容學習，游戲操作模式雖然容易吸引學生的興趣，但在“下一步動畫”操作中，學生未能有效汲取相關(guān)知識內(nèi)容，學習過程中的有效參與度較低[9]。

2.2 交互及協(xié)作應用較為簡單

由于“高投入、高風險、高難度、難理解、難實施、難再現(xiàn)”這些限制條件，目前，除配有實訓工廠的大型虛擬仿真實訓項目以外，絕大多數(shù)虛擬仿真實驗項目從理論認知-實驗操作-實驗報告提交均為單人操作。實際上由于實驗的危險性和不可重復性，部分操作需要團隊協(xié)作和輔助，因此在軟件設(shè)計中要充分考慮到團隊配合[10]。另外，目前所擁有的“生生交流”“師生交流”等交互功能，大部分是以交互板塊、屏幕共享、線下交流等方式實現(xiàn)，在思維引導、實驗設(shè)計、實驗流程指導、錯誤操作提示、實驗反思、實驗報告反饋等方面的線上指導設(shè)計還不夠完善。

2.3 虛擬仿真實驗拓展資源使用不夠充分和靈活

虛擬仿真技術(shù)是一門集合了計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、自動控制技術(shù)以及軟件工程技術(shù)等眾多內(nèi)容的綜合性技術(shù)，負載介質(zhì)包括電腦、手機、VR 眼鏡、仿真步態(tài)機等，而這些同樣是信息化資源的載體，所有的教學資源均可應用于虛擬仿真實驗項目課程的教學設(shè)計[11]。然而，目前在大多數(shù)虛擬仿真實驗教學中，對其負載的信息化資源還未實現(xiàn)充分和有效的利用，教學設(shè)計還不夠深入。

2.4 虛擬仿真實驗評價層次不成熟

大部分虛擬仿真實驗的考核內(nèi)容是綜合錯誤點擊次數(shù)、操作用時、練習次數(shù)、電子實驗報告等方面的操作載體數(shù)據(jù)性評價，對知識的獲得程度、解決問題的能力及實際實踐能力未能給出有效的評價方法。

2.5 與常規(guī)創(chuàng)新教學銜接不足

由于虛擬仿真實驗構(gòu)建的智能程度不高，實驗內(nèi)容常常獨立于書本知識之外，作為常規(guī)知識的補充拓展而被教授。因此，作為一種發(fā)展前景廣闊的技術(shù)，有必要考慮將虛擬仿真實驗教學內(nèi)容與學習活動有機結(jié)合，如虛擬實驗設(shè)計、挑戰(zhàn)性創(chuàng)新實驗設(shè)計[12]等，還可以考慮與微格課程教學、翻轉(zhuǎn)課堂教學、混合式教學等創(chuàng)新特色教育模式相結(jié)合，充分發(fā)揮其技術(shù)的先進性。

3 提升虛擬仿真實驗教學效果的方法探索

高等學校必須更新教學觀念和模式，以虛擬仿真實訓課程為基礎(chǔ)，充分借助其技術(shù)特點和載體特點，在強化拓展專業(yè)知識的同時，開展具有虛擬仿真技術(shù)特色的創(chuàng)新性教學模式研究，探索提升教學效果的新模式，研究培養(yǎng)學生專業(yè)思維和創(chuàng)新性思維的新方法。

3.1 創(chuàng)新設(shè)計學習任務(wù)，提升學生有效參與度

以應用化學專業(yè)學生為例，要求培養(yǎng)學生依托理論知識分析問題及借助實驗設(shè)備解決實際問題的能力，則教師在設(shè)計學習任務(wù)時，可依托自有及免費共享的虛擬仿真實驗教學資源對教學目標以任務(wù)形式細化[13]，以地方特色資源、社會性話題、日常學習生活等為出發(fā)點，挑選出貼合教學目標的任務(wù)，提出創(chuàng)新實驗設(shè)計任務(wù)，如廣西擁有豐富的礦產(chǎn)資源，則鈾礦中放射性元素鈾釷如何定性及定量分析？放射性元素分析符合高投入、高風險的實驗項目，在學校內(nèi)幾乎無法開展實驗教學。針對性提出實驗設(shè)計要求時，可覆蓋教學目標：了解放射性危害及防護方法、掌握放射性元素的一般分析方法、掌握同位素質(zhì)譜儀工作原理及應用范圍、掌握α 譜儀工作原理及應用范圍，了解放射性廢棄物的一般處理方法。以5-7 人為小組，對相關(guān)內(nèi)容進行調(diào)研，并對教學目標相關(guān)問題進行“師生”和“生生”交流，待學生抓住其樣品處理特點、萃取方法、儀器制樣要求等重要知識點后，將驗證性實驗通過虛擬仿真資源《放射性鈾釷同位素比值測定與數(shù)據(jù)分析綜合虛擬仿真實驗》進行對照。通過任務(wù)性實驗設(shè)計，將教學目標分解，學生通過理論調(diào)研、溝通討論和實驗模擬對知識點實現(xiàn)融會貫通。該方法在提升學生有效參與度的同時，強化了虛擬仿真操作練習和考核點擊率的可靠性，有助于將學生從游戲及鼠標點擊視角轉(zhuǎn)向?qū)嶒烌炞C視角。

3.2 拓展虛擬資源輻射，豐富教學方式方法

以5G、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)為支撐，綜合運用VR（虛擬現(xiàn)實）、AR（增強現(xiàn)實）、MR（混合現(xiàn)實）和流媒體、超高清等技術(shù)手段的虛擬仿真實驗資源，在構(gòu)建全息化、可視化的教學流程方面有天然的優(yōu)勢。同樣，這些載體也適用于線上教學、混合式教學、翻轉(zhuǎn)教學、微格教學等，在開展綜合性信息化資源應用時，利用虛擬仿真系統(tǒng)特有的一對一、一對多、多對多的系統(tǒng)構(gòu)架，可有效拓展虛擬仿真實驗課程的授課方式。虛擬仿真創(chuàng)新實驗的模式引發(fā)了學生學習的興趣，鼓勵學生思考，可以把學生變成創(chuàng)意者、設(shè)計者、行動者和分享者。虛擬仿真實驗不僅是新的實驗項目內(nèi)容，更重要的是依托載體可使用現(xiàn)代化的教學資源，依托多點互動模式的系統(tǒng)構(gòu)架可開展多種教學方法，實現(xiàn)讓教學“活”起來。

3.3 多元評價模式，提升自主互助學習水平

單純的虛擬仿真實驗“下一步動畫”的點擊率評價并不能有效提升教學效果。結(jié)合創(chuàng)新性實驗設(shè)計及不同的授課模式，對實驗設(shè)計創(chuàng)新性、資料檢索完整度、團隊協(xié)作參與度、組間匯報清晰度、實驗模擬合理度、實驗報告完整性進行綜合性評價。在充分使用虛擬仿真技術(shù)的同時，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、實驗設(shè)計能力、資料檢索能力及實踐能力。

3.4 延伸教學生活內(nèi)容，激發(fā)學生學習的主動性

在學習生涯中，“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”“挑戰(zhàn)杯化學實驗創(chuàng)新設(shè)計大賽”“課程實驗設(shè)計”等不同級別、不同影響力、不同關(guān)注點的課外學術(shù)活動伴隨學生的學習和課外生活，每種類型的活動都涉及創(chuàng)新、團隊、設(shè)計、申報等內(nèi)容，均需要付出時間和精力去打磨[14]。教師在進行教學設(shè)計時，可參考不同活動類型的要求，結(jié)合課程內(nèi)容及特點，利用虛擬仿真系統(tǒng)輻射的資源及技術(shù)，有針對性地鼓勵學生參與并逐步指導學生完善實驗內(nèi)容，在獲取榮譽與課程學習要求的推動下，提高學生學習的自主性，同樣也可有效提升教學效果。

3.5 推動智慧實驗教學建設(shè)，完善虛實教學模式的銜接

借助VR/AR/MR 技術(shù)、人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等，構(gòu)建智慧實驗室，搭配模型化實驗裝置，將理論教學、現(xiàn)場觀摩、虛擬實驗充分融合，實現(xiàn)“教學過程任務(wù)化、學生學習自主化、評價主體多元化”，延展實驗教學時間和空間、拓展實驗教學內(nèi)容廣度和深度、提升實驗教學質(zhì)量和水平。同時還可以推動教材內(nèi)容改革，完善實驗項目，提升教師信息技術(shù)水平，改革教學方法，形成符合教學規(guī)律的一體化教學模式。

4 結(jié)語

現(xiàn)代教學不再局限于教師講授、學生聽課的模式。信息化技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，使得學生獲取知識的方式有了多樣化的選擇。教學方式及教學手段必須要進步，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢教學資源、虛擬仿真訓練及實際實踐操作相互結(jié)合，打破時間與空間的限制，培養(yǎng)滿足現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)需求的高素質(zhì)綜合型人才。另外，在政策引導、學校主體、企業(yè)支持、社會參與的現(xiàn)代化教育建設(shè)模式下，高校應主動抓住發(fā)展契機，加快建設(shè)校地、校企、校際共建共享的長效性、常態(tài)化機制，進一步創(chuàng)新共建模式，拓展合作領(lǐng)域，深化合作內(nèi)涵，實現(xiàn)共建共享共贏。