虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程建設(shè)研究與實踐

盧艷麗 馬良 高峰 葉奇

摘? 要：基于國家虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程建設(shè)實踐，對其教學(xué)內(nèi)容的體系化、實驗過程自主化和能力評價的科學(xué)化進(jìn)行研究，為加快推動材料類實驗教學(xué)改革，更好地培養(yǎng)高端創(chuàng)新人才提供參考。從虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程建設(shè)過程、面臨問題、教學(xué)改革及學(xué)生能力培養(yǎng)角度出發(fā)，探索航空航天用材料虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程在人才培養(yǎng)中的應(yīng)用，同時對材料科學(xué)與工程實驗教學(xué)中的課程思政內(nèi)容建設(shè)進(jìn)行有益的探索。

關(guān)鍵詞：一流課程建設(shè)；虛擬仿真實驗；創(chuàng)新能力；研究與實踐；材料類專業(yè)

中圖分類號：G642.3? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）25-0034-04

Abstract： Based on the construction practice of national first-class virtual simulation experiment teaching， the systematization of teaching content， the independence of experiment process and the scientific evaluation of ability are studied， which can provide reference for accelerating the reform of material experiment teaching and better training of high-end innovative talents. This paper explores the practical application of the first-class course in the virtual simulation experiment teaching of aerospace materials from the perspectives of the construction process， problems， teaching reform and students' ability cultivation. This paper also makes a beneficial exploration of the construction of ideological and political content in the experimental teaching.

Keywords： first-class course construction; virtual simulation experiment; innovation ability; research and practice; Materials major

課程是人才培養(yǎng)的核心要素，是影響學(xué)生發(fā)展最直接的中介和變量。課程質(zhì)量直接決定人才培養(yǎng)質(zhì)量。虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程在實踐育人方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1-3]。教育部從2017年開始開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目的建設(shè)工作，目的是貫徹落實習(xí)近平總書記關(guān)于強化實踐育人工作的重要指示精神和全國高校思想政治工作會議精神，深入推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育實驗教學(xué)的深度融合，不斷加強高等教育實驗教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)與應(yīng)用，著力提高高等教育實驗教學(xué)質(zhì)量和實踐育人水平。

截至2020年，全國共獲批虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程728門。西北工業(yè)大學(xué)“高性能增材制造實驗”先后獲首批國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目，首批國家級虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程。在新的形勢下，如何繼續(xù)建設(shè)并實踐好這些優(yōu)質(zhì)的課程資源，將其更好地服務(wù)于高素質(zhì)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，就顯得十分重要且有意義。

一? 研究現(xiàn)狀和趨勢

《教育部辦公廳關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》（教高廳〔2017〕4號）和《教育部關(guān)于開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作的通知》（教高函〔2018〕5號）明確指出，國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目的教學(xué)理念：注重對學(xué)生社會責(zé)任感、創(chuàng)新精神、實踐能力的綜合培養(yǎng)，注重知識傳授、能力培養(yǎng)、素質(zhì)提高的協(xié)同實施，調(diào)動學(xué)生參與實驗教學(xué)的積極性和主動性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能，增強學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力。國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目教學(xué)內(nèi)容包括堅持問題導(dǎo)向，重點解決真實實驗項目條件不具備或?qū)嶋H運行困難，涉及高?；驑O端環(huán)境，高成本、高消耗、不可逆操作和大型綜合訓(xùn)練等問題。堅持需求導(dǎo)向，緊密結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對高校人才培養(yǎng)的需求，緊密結(jié)合專業(yè)特色和行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展最新成果，緊密結(jié)合學(xué)校定位和人才培養(yǎng)特點，采用現(xiàn)代信息技術(shù)，研發(fā)原理準(zhǔn)確、內(nèi)容緊湊、時長合理及難度適宜的虛擬仿真實驗教學(xué)項目。國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目始終關(guān)注信息化時代背景下的學(xué)生需求，重點實行基于問題、案例的互動式、研討式教學(xué)，倡導(dǎo)自主式、合作式、探究式學(xué)習(xí)的教學(xué)方法。

2020年11月，教育部認(rèn)定5 118門課程為首批國家級一流本科課程（含1 559門在促進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，特別是在應(yīng)對新冠感染疫情期間實施的大規(guī)模在線教學(xué)中作出了重要貢獻(xiàn)的原2017年、2018年國家精品在線開放課程和國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目）。

雖然有明確的要求和指南，已經(jīng)進(jìn)行了很好的前期建設(shè)、申報、評審，但是虛擬仿真實驗一流課程的建設(shè)尚存在一些問題，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

第一，虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程的重要性和建設(shè)理念尚未引起足夠重視。

第二，實驗教學(xué)過程設(shè)計和整體規(guī)劃尚不夠完善。

另一方面，眾多高校都在不斷探索實驗教學(xué)一流課程對人才培養(yǎng)的重要作用和實現(xiàn)路徑。西北工業(yè)大學(xué)一直高度重視實驗教學(xué)一流課程的培育、建設(shè)和管理，通過培訓(xùn)、講座、申報評審等方式，立足學(xué)院和學(xué)科特色，選拔好的項目推薦到省上，乃至國家參評。江西師范大學(xué)的虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程建設(shè)采取校內(nèi)+校外的評審，重點關(guān)注“項目內(nèi)容、教學(xué)方法、研發(fā)技術(shù)、教學(xué)效果及開放共享與可持續(xù)能力”等內(nèi)容。大連理工大學(xué)采取線上評審線上提交，圍繞“課程團(tuán)隊、課程內(nèi)容、教學(xué)方式方法改革、教學(xué)設(shè)計”等展開評審，將評審意見及時反饋給項目負(fù)責(zé)人，督促其進(jìn)行完善和提升，收到了良好的效果。

建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程，是為了更好地推動高校積極探索線上線下教學(xué)相結(jié)合，個性化、智能化、泛在化的實驗教學(xué)新模式，形成專業(yè)布局合理、教學(xué)效果優(yōu)良、開放共享有效的高等教育信息化實驗教學(xué)項目示范新體系，支撐高等教育教學(xué)質(zhì)量的全面提高。

二? 研究目標(biāo)

本項目基于國家虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程，以立德樹人為根本，以高素質(zhì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)為目標(biāo)，在新時代一流本科課程建設(shè)的背景下，在實踐中探索虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程如何更好地發(fā)揮育人作用。通過對課程體系的再更新及教學(xué)過程的再設(shè)計，探索實驗教學(xué)過程中學(xué)生的自主能動性的發(fā)揮路徑、能力評價的科學(xué)化機(jī)制，使得課程更具系統(tǒng)性、創(chuàng)新性、應(yīng)用性，既便于學(xué)生縱觀全貌，又有利于學(xué)生基本技能的強化訓(xùn)練和創(chuàng)新能力培養(yǎng)。確保一流課程和人才培養(yǎng)同向同行，相輔相成。將一流課程更好地融入高素質(zhì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)，進(jìn)一步提高實驗教學(xué)質(zhì)量和創(chuàng)新人才培養(yǎng)能力。

三? 研究內(nèi)容

（一）? 虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程教學(xué)內(nèi)容體系化研究

注重系統(tǒng)化知識的梳理、傳授、掌握，在虛擬仿真實驗教學(xué)項目的基礎(chǔ)上，做好拓展和延伸，拓展相關(guān)的理論和專業(yè)知識，并將其延伸到實驗教學(xué)中，增加綜合性、創(chuàng)新性、前沿性內(nèi)容，使學(xué)生能夠緊隨領(lǐng)域研究前沿的發(fā)展，有利于學(xué)科專業(yè)知識的拓展，以及科研素質(zhì)的培養(yǎng)和創(chuàng)新能力的提高，為其將來的科研及其相關(guān)工作打下良好的基礎(chǔ)。

（二）? 虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程實驗過程自主化研究

虛擬仿真實驗教學(xué)在不斷加強基礎(chǔ)訓(xùn)練的同時，注重拓寬學(xué)生知識覆蓋面，注重學(xué)科專業(yè)知識的交叉融合。學(xué)生進(jìn)行從基礎(chǔ)規(guī)范→綜合設(shè)計→研究探索這樣難度遞增的實驗項目訓(xùn)練，有利于培養(yǎng)其主動建構(gòu)知識體系和提升實踐的能力，不同層次的學(xué)生通過選擇合適的實驗方法和實驗步驟，有利于實施因材施教。

（三）? 虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程能力評價科學(xué)化研究

通過對學(xué)生實驗過程的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)對學(xué)生學(xué)習(xí)與實驗基本情況的辨識，基于大數(shù)據(jù)的量化評價，減少單一教師評價的主觀性偏差，為學(xué)生提供更多元、更全面的評價，輔助學(xué)生更好地提升實踐能力。評價考核更突出實驗過程，體現(xiàn)對實驗過程的規(guī)范性、實驗步驟的有效性，以及對知識學(xué)習(xí)達(dá)成度的客觀評價，從而實現(xiàn)對學(xué)生能力結(jié)構(gòu)的考核。

四? 研究思路和方法

本項目研究思路是基于前期國家級一流本科課程，首批國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目——“高性能增材制造實驗”的運行實踐中的教學(xué)積累，在對來自不同學(xué)院學(xué)生的選修需求、學(xué)習(xí)過程、學(xué)習(xí)反饋等一系列學(xué)習(xí)行為的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致分析后，提出課程教學(xué)設(shè)計的再更新，促使理論與實驗教學(xué)融合創(chuàng)新?；趯W(xué)生參與課程研討、在線完成測驗等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，提出課程過程自主化和評價科學(xué)化設(shè)計。此三方面的構(gòu)建，同時結(jié)合學(xué)生實際能力水平，全新的課程設(shè)計理念，引導(dǎo)學(xué)生探索學(xué)科知識和理論，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)意識與能力，從而滿足不同學(xué)生需求，提高學(xué)習(xí)時效。

在教學(xué)活動的實際開展中，通過對教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)化和創(chuàng)新性設(shè)計，強化課程思政內(nèi)容，通過引入3D打印的發(fā)展和成果等，增強學(xué)生的文化自信和愛國情懷。

采用“啟發(fā)式”和“創(chuàng)設(shè)問題”教學(xué)方法，使用慕課堂和雨課堂等網(wǎng)絡(luò)平臺豐富課堂教學(xué)手段，并拓展高性能增材制造實驗建模等實踐活動，利用實驗空間——國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目共享平臺和學(xué)校的課程平臺等，增強與學(xué)生的互動交流，及時發(fā)現(xiàn)、解決學(xué)生學(xué)習(xí)問題，提升學(xué)生對課程和課堂學(xué)習(xí)的關(guān)注，帶領(lǐng)學(xué)生了解更多學(xué)術(shù)前沿發(fā)展，以教學(xué)資源驅(qū)動激活，以創(chuàng)新實踐拓展應(yīng)用。

通過進(jìn)一步豐富分層次的虛擬仿真實驗教學(xué)信息資源，包括慕課、專屬在線課程（SPOC）或其他在線課程、工程案例庫、視頻素材資源、試題庫系統(tǒng)、作業(yè)系統(tǒng)和在線自測/考試系統(tǒng)等，增強互動交流功能，實現(xiàn)實驗過程的自主化及個性化。將教育教學(xué)與信息技術(shù)融合、課程應(yīng)用與課程服務(wù)相融通，適合在線學(xué)習(xí)、翻轉(zhuǎn)課堂及線上線下混合式拓展性學(xué)習(xí)。按照教學(xué)計劃和教學(xué)要求為學(xué)習(xí)者提供參考資料、活動作業(yè)，及時開展在線指導(dǎo)、答疑、討論及測驗等教學(xué)活動，提高實驗者在線學(xué)習(xí)響應(yīng)度，充分滿足學(xué)生學(xué)習(xí)的個性化需求。

以創(chuàng)新人才培養(yǎng)為目標(biāo)，注重互動性和探究性，創(chuàng)新教學(xué)過程。課前先發(fā)布研究任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生自主查閱資料，設(shè)計方案，讓學(xué)生先“動起來”。實際操作前，圍繞實驗設(shè)計方案，開展師生間、生生間的互動討論，確保方案的可行性和完善性，讓課堂“活起來”。實際操作中，學(xué)生自主完成實驗，分析現(xiàn)象并解釋實驗結(jié)果，探討誤差產(chǎn)生的原因，強化學(xué)生的安全操作規(guī)范。實操后，拓展應(yīng)用， 聯(lián)系課堂內(nèi)容，并與實際應(yīng)用相結(jié)合，注重對學(xué)生理論聯(lián)系實際能力、團(tuán)隊協(xié)助能力和深入思維能力的培養(yǎng)，讓學(xué)生“忙起來”。例如，高性能增材制造實驗中，基于激光打印的核心原理，讓學(xué)生討論分析不同打印材料、能源形式、送粉方式等各自的原理及相互之間的關(guān)聯(lián)和差異，要求學(xué)生選擇并自主設(shè)計方案，完成打印，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性和主動性。通過上述創(chuàng)新性活動設(shè)計，最后達(dá)到教學(xué)效果“好起來”。

五? 研究成果和特色

經(jīng)過一年多的研究與探索，形成了以下成果。

第一，以高性能增材制造實驗為基礎(chǔ)的虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程內(nèi)容的再創(chuàng)新化、再體系化方案。

第二，以高性能增材制造實驗為基礎(chǔ)的虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程實驗過程自主化方案。

第三，以高性能增材制造實驗為基礎(chǔ)的虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程實驗?zāi)芰υu價科學(xué)化方案。

特色主要體現(xiàn)在以下幾方面。

第一，探索了一流課程建設(shè)背景下，虛擬仿真實驗教學(xué)在人才培養(yǎng)中的作用?；趪姨摂M仿真實驗教學(xué)一流課程，結(jié)合教學(xué)實踐，優(yōu)化教學(xué)體系，充分挖掘新的教學(xué)模式，強化過程自主化，重視學(xué)生的能力培養(yǎng)，提高學(xué)生對實驗的學(xué)習(xí)興趣和參與度，提升學(xué)生的科學(xué)綜合素質(zhì)。

第二，創(chuàng)新了“學(xué)生為中心”的能力評價體系，注重互動性和探究性。采用全過程評價方式，包括線上與線下相結(jié)合、定性與定量相結(jié)合、師評與生評相結(jié)合等多元化考核，達(dá)到能力評價的科學(xué)化。增加創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)評價。主要觀測點包括基本實驗理論、操作技能、查閱文獻(xiàn)、方案設(shè)計、應(yīng)用分析、職業(yè)素養(yǎng)、創(chuàng)新思維和團(tuán)隊協(xié)作等方面?？茖W(xué)制定評價內(nèi)容，激勵學(xué)生積極思考、質(zhì)疑、創(chuàng)新和呈現(xiàn)能力，從而提升學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力。

第三，探索了實驗教學(xué)中的課程思政元素的挖掘及實施路徑。課程思政就是要實現(xiàn)思想政治教育與專業(yè)教育的有機(jī)統(tǒng)一，在人才培養(yǎng)過程中起著關(guān)鍵作用[4-6]。立足國家級虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程自身的特色和優(yōu)勢，深入挖掘其中蘊含的思政元素，通過教學(xué)設(shè)計和課堂教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的家國情懷，科學(xué)、奮斗、實干的工匠精神，以及責(zé)任擔(dān)當(dāng)和創(chuàng)新意識。引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的世界觀、人生觀、價值觀，為培養(yǎng)具有家國情懷，追求卓越，引領(lǐng)未來的領(lǐng)軍人才，弘揚好“西工大現(xiàn)象”，貢獻(xiàn)材料力量。

六? 問卷調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計分析

將教學(xué)改革研究項目內(nèi)容融入高性能增材制造實驗課程教學(xué)，進(jìn)行了教學(xué)實踐與探索，并圍繞學(xué)生情況、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計、課程滿意度和課程思政實施效果等進(jìn)行了問卷調(diào)查，調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計如圖1、2所示。

100%的學(xué)生認(rèn)為教學(xué)中實施了思政教育，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了系統(tǒng)化的梳理和傳授，課程在加強基礎(chǔ)訓(xùn)練的同時，注重創(chuàng)新和拓展。80.77%的學(xué)生認(rèn)為專業(yè)認(rèn)同和自信的培養(yǎng)最重要，53.85%的學(xué)生認(rèn)為職業(yè)道德素養(yǎng)的培養(yǎng)最重要，19.23%的學(xué)生認(rèn)為創(chuàng)新思維和意識的培養(yǎng)最重要。課程滿意度達(dá)到100%，其中84.62%的學(xué)生對課程非常滿意，15.38%的學(xué)生對課程滿意。

七? 實踐效果和示范共享情況

優(yōu)化后的實驗教學(xué)項目獲更廣泛應(yīng)用，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源進(jìn)一步輻射共享。虛擬仿真實驗教學(xué)項目服務(wù)于西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院、機(jī)電學(xué)院、航空學(xué)院等多個學(xué)院的材料成型及控制工程專業(yè)及相關(guān)專業(yè)等10個專業(yè)的實踐教學(xué)。高性能增材制造實驗課程選課人數(shù)超過11 000余人次，發(fā)揮了良好的輻射推廣作用。

項目研究成果廣泛進(jìn)行交流，發(fā)揮良好示范引領(lǐng)作用。項目負(fù)責(zé)人先后在全國高校虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)專題研討會上做報告，并多次受邀為鄭州大學(xué)、空軍工程大學(xué)等省內(nèi)外高校交流課程申報體會和建設(shè)經(jīng)驗；面向全國聚焦金課的虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)與申報研修班分享項目研究成果。項目負(fù)責(zé)人受邀在“浙江省虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)交流會”“四川省一流課程建設(shè)經(jīng)驗交流及培訓(xùn)會”等交流討論項目的建設(shè)內(nèi)容及思考，取得了良好的效果。

基于國家級虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程在實踐中的教學(xué)積累，緊跟新時代下人才培養(yǎng)的新需求，對課程進(jìn)行了積極的探索與研究，形成了融合課程思政特色的教學(xué)體系，取得了好的教學(xué)效果，有望為虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程在人才培養(yǎng)中的再探索再創(chuàng)新提供理論參考。通過廣泛交流提高了西北工業(yè)大學(xué)材料類專業(yè)的社會影響力。

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