高校工學(xué)類虛擬仿真實驗一流課程共享現(xiàn)狀分析及思考

高顏萌　張占東　王舒瑋　張瑞平　盛彬

摘? 要? 虛擬仿真實驗課程開放共享是國家提高實驗教學(xué)質(zhì)量、促進高校協(xié)調(diào)發(fā)展的重要舉措。基于國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺中工學(xué)一流課程的校外共享實驗人次、課程瀏覽量、實驗人數(shù)等數(shù)據(jù)以及機械類課程的遠程共享實驗運行情況的統(tǒng)計研究，分析工學(xué)虛擬仿真實驗一流課程開放共享現(xiàn)狀，指出影響課程共享應(yīng)用的主要問題，在教師觀念轉(zhuǎn)變、項目內(nèi)容優(yōu)化、制度保障及評價體系改善三方面提出相應(yīng)的建議。

關(guān)鍵詞? 虛擬仿真；iLab-X實驗空間；實驗教學(xué)

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）08-0135-04

0? 引言

當(dāng)前，“新工科”建設(shè)對工學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)提出了更高的要求，較強動手實踐能力、解決復(fù)雜工程問題能力及創(chuàng)新意識是工學(xué)專業(yè)重要人才培養(yǎng)目標(biāo)之一[1-2]，而人才培養(yǎng)方案中實踐教學(xué)是支撐此培養(yǎng)目標(biāo)的主要環(huán)節(jié)。隨著信息技術(shù)在教育領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，各工科專業(yè)虛擬仿真（簡稱虛仿）實驗課程的建設(shè)及應(yīng)用成為克服傳統(tǒng)工學(xué)實驗設(shè)備昂貴、臺套數(shù)少、實驗耗時長、有危險性等共性弊端的重要途徑。2017年，教育部辦公廳頒布《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》[3]，推出國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺——iLab-X實驗空間，強調(diào)“突出應(yīng)用驅(qū)動、資源共享”的建設(shè)目標(biāo)[4]，旨在全面提高實驗教學(xué)質(zhì)量，促進高校協(xié)調(diào)發(fā)展。

為全面分析當(dāng)前工學(xué)類虛仿實驗課程共享現(xiàn)狀，本文對iLab-X實驗空間工學(xué)虛仿實驗課程的校外共享實驗人次、實驗人數(shù)、課程瀏覽量等數(shù)據(jù)進行深入分析，同時對機械類虛仿實驗國家一流課程逐一進行遠程實驗操作，以期從課程開發(fā)技術(shù)及課程內(nèi)容方面梳理分析影響工學(xué)虛仿實驗課程共享的因素并提出改進舉措。

1? 共享現(xiàn)狀分析

當(dāng)前iLab-X實驗空間顯示各級各類虛仿實驗課程共計3 457門，其中工學(xué)課程1 577門，占比高達45.6%，共包含31個專業(yè)類別[5]。校外共享實驗人次、課程瀏覽量、完成實驗人數(shù)及遠程共享運行流暢度可以反映當(dāng)前工學(xué)虛仿實驗課程在全國高校范圍內(nèi)的線上共享現(xiàn)狀及課程內(nèi)容、技術(shù)建設(shè)方面的問題，為課程持續(xù)改進提供有利依據(jù)。

1.1? 校外共享實驗人次統(tǒng)計

校外共享實驗人次一定程度上可反映出當(dāng)前已有虛仿課程的資源共享現(xiàn)狀。表1為工學(xué)31個專業(yè)類別中虛仿實驗課程門數(shù)排名前10的10個專業(yè)類別近一年校外共享實驗人次抽樣統(tǒng)計數(shù)據(jù)（統(tǒng)計每個專業(yè)類別近一年校外共享實驗人次排名前10的10門虛仿實驗課程相關(guān)數(shù)據(jù)）。10個專業(yè)類別近一年校外共享最高實驗人次均超過1 500人次，最高約5萬人次；各專業(yè)類別近一年平均校外共享實驗人次均接近或超過1 000人次，說明這些課程在全國高校同專業(yè)范圍內(nèi)的資源共享度表現(xiàn)良好。從表1中數(shù)據(jù)可看出，各專業(yè)類別平均實驗人次與最高實驗人次之間均存在較大差距，機械類兩數(shù)據(jù)差距更明顯，說明同一專業(yè)類別中，各課程之間推廣應(yīng)用以及資源共享程度的差異化較大，需深入研究影響資源共享廣度及深度的各方面因素。

1.2? 課程瀏覽量及實驗人數(shù)統(tǒng)計

對某一虛仿實驗課程基本信息網(wǎng)頁的瀏覽、完成實驗人次及未完成實驗人次均計入該課程的瀏覽量[6]。通過iLab-X實驗空間接口完成某一課程實驗并回傳成績的用戶總?cè)藬?shù)計入該課程的實驗人數(shù)（同一用戶多次實驗不累加）。

本文針對具有國家級一流虛仿實驗課程數(shù)量較多的10個工學(xué)專業(yè)類別的202門國家級一流課程的數(shù)據(jù)進行抽樣統(tǒng)計分析。

圖1為202門課程的瀏覽量統(tǒng)計情況。10個專業(yè)類別的最高課程瀏覽量均超過3.5萬人次，其中化工與制藥類某課程的瀏覽量超過19萬人次；各專業(yè)類別平均課程瀏覽量均超過1.5萬人次，反映出當(dāng)前我國高校工學(xué)專業(yè)已廣泛認識到通過虛仿實驗建設(shè)促進工學(xué)實踐教學(xué)改革的重要意義，并在不斷促進一流虛仿實驗在教學(xué)中的應(yīng)用。但同時，從圖1數(shù)據(jù)可以看出課程平均瀏覽量與最高瀏覽量的差距，一定程度上反映出同一專業(yè)類別中不同實驗項目建設(shè)虛仿實驗必要性及其受歡迎程度的差異化，為各高校后續(xù)進行相關(guān)課程虛仿實驗課程的建設(shè)提供建設(shè)方向依據(jù)。

圖2為202門課程的線上完成實驗人數(shù)統(tǒng)計情況。202門國家級一流課程上線均超過3年，約一半課程于2018年上線。有9個專業(yè)類別的最高實驗人數(shù)均超過3 000人，其中有4個專業(yè)類別的最高實驗人數(shù)超過6 000人，這些虛仿實驗一流課程的建設(shè)及推廣應(yīng)用對國家“突出應(yīng)用驅(qū)動、資源共享”的虛仿實驗課程建設(shè)目標(biāo)達成具有重要意義。但同時，各專業(yè)類別國家一流虛仿實驗課程建設(shè)后的平均實驗人數(shù)與最高實驗人數(shù)存在一定差距，需詳細分析原因并加強持續(xù)改進，促進課程免費在線開放后的全面推廣共享及應(yīng)用。

圖3為202門課程的實驗人數(shù)在課程瀏覽量中的占比情況。202門課程中，完成實驗人數(shù)在課程瀏覽量中的最高占比不足30%，機械類、電子信息類等6個專業(yè)類別的在線完成實驗人數(shù)在課程瀏覽量中的最高占比不足10%。10個專業(yè)類別僅有電氣類課程在線完成實驗人數(shù)在課程瀏覽量中的占比平均值超過10%。有多門國家級一流課程的課程瀏覽量高達1萬人次，而在線完成實驗人數(shù)卻遠低于課程瀏覽量。較高的課程瀏覽量說明近年來我國各高校工學(xué)專業(yè)在積極探索虛仿實驗課程的建設(shè)，同時積極利用在線一流虛仿實驗課程開展實踐教學(xué)，推動實踐教學(xué)的改革創(chuàng)新。而實驗?zāi)芊裢瓿墒艿皆O(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、實驗運行流暢度、實驗難易程度、學(xué)生專業(yè)能力等多方面因素的影響，因此，課程流量向?qū)嶒炌瓿扇藬?shù)的轉(zhuǎn)變是一流課程持續(xù)改進的重要方向。

1.3? 課程遠程共享運行情況統(tǒng)計

本文針對機械類44門虛仿實驗國家級一流課程進行了線上實驗測試。根據(jù)測試，約75%的課程可在線加載運行，有7門課程鏈接無法打開，近40%的課程通過下載插件、客戶端或指定瀏覽器可參與實驗。

在可運行的虛擬仿真實驗項目中，部分實驗項目較為注重環(huán)境、廠房布局、設(shè)備外形等畫面的渲染，會造成遠程加載速度較為緩慢、運行過程流暢度較低等情況，降低了實驗完成率。

2? 課程共享問題分析

上述統(tǒng)計數(shù)據(jù)反映出當(dāng)前高校工學(xué)虛仿實驗一流課程較為突出的共享現(xiàn)狀是課程資源共享率有待持續(xù)提高，與國家“突出應(yīng)用驅(qū)動、資源共享”“教學(xué)效果優(yōu)良、開放共享有效”等建設(shè)目標(biāo)仍具有一定差距，具體表現(xiàn)在以下幾方面。

2.1? 重項目建設(shè)，輕推廣應(yīng)用

自教育部辦公廳2017年下發(fā)開展示范性虛仿實驗教學(xué)項目建設(shè)通知以來，全國各高校相繼開展虛仿實驗項目建設(shè)與申報工作，iLab-X實驗空間顯示各級各類虛仿實驗項目覆蓋高校2 600余所，覆蓋課程5 400余門[6]，然而前述校工學(xué)10類虛仿實驗課程校外共享實驗人次與我國高校工學(xué)700萬在校生人數(shù)相比，差距較大，反映出當(dāng)前部分虛仿實驗課程在獲得省級或國家級認定后，由于缺乏持續(xù)有效的推廣應(yīng)用，限制了課程的應(yīng)用區(qū)域，未能深入貫徹“共享”理念。

2.2? 重場景呈現(xiàn)，輕實驗本質(zhì)

工學(xué)虛仿實驗應(yīng)注重真實實驗項目條件不具備、高成本、高消耗、不可逆等實驗問題的虛擬重現(xiàn)，然而當(dāng)前許多虛擬仿真實驗項目將虛擬重心過多放在實驗室的空間結(jié)構(gòu)、設(shè)備擺放、設(shè)備外形等場景的渲染方面，真正需要學(xué)生動手設(shè)計及操作的實驗環(huán)節(jié)卻較為簡單、流程化，雖實驗環(huán)境十分逼真，但對實踐教學(xué)目標(biāo)達成的支撐度不夠高，導(dǎo)致課程共享利用率不高。

2.3? 重短期架構(gòu)，輕持續(xù)運行

由于受課程改革、技術(shù)限制、經(jīng)費支持等多方面因素的影響，部分虛仿實驗項目在開發(fā)初期的項目規(guī)劃不夠完善，未考慮到后續(xù)的擴展升級，從而導(dǎo)致無法持續(xù)滿足相關(guān)課程實驗的需求，造成虛擬實驗資源的擱置或應(yīng)用率降低。據(jù)統(tǒng)計，iLab-X實驗空間中2017年、2018年、2019年上線的工學(xué)國家級一流虛仿實驗課程的平均瀏覽量分別為1.5萬人次、2.1萬人次、3.0萬人次，平均實驗人數(shù)分別為436人、519人、3 107人，數(shù)據(jù)呈上升趨勢，反映上線較晚的虛仿課程在線共享應(yīng)用情況反而表現(xiàn)較好，在一定程度上說明隨著工學(xué)專業(yè)的建設(shè)發(fā)展，虛仿實驗課程的開發(fā)建設(shè)在不斷優(yōu)化，新認定的課程更受到用戶的關(guān)注、更能夠滿足相關(guān)課程的實驗需求，而舊課程在獲得認定后的持續(xù)建設(shè)力度有待提高。

3? 課程共享改進思考

建立開放、共享、有效的高等教育信息化實驗教學(xué)項目新體系，在保證虛仿實驗課程質(zhì)量的前提下，重在提高課程資源的共享利用率。許多學(xué)者從技術(shù)規(guī)范、服務(wù)管理、政策激勵、教學(xué)模式等多方面對虛仿實驗教學(xué)資源的開放共享機制進行深入研究[7-8]，工學(xué)虛仿實驗課程共享現(xiàn)狀的改善還應(yīng)該從以下幾方面加強工作。

3.1? 進一步轉(zhuǎn)變教師觀念，助力虛仿實驗一流課程

的全面共享應(yīng)用

工科專業(yè)復(fù)雜生產(chǎn)現(xiàn)場、復(fù)雜工藝參數(shù)、不可視實驗原理等很難在傳統(tǒng)實驗中呈現(xiàn)，應(yīng)著力提升工科專業(yè)教師將信息技術(shù)與實驗教學(xué)深度融合的意識，轉(zhuǎn)變部分教師認為工科學(xué)生在虛仿實驗中無法操作實驗設(shè)備而無法提高動手實踐能力，從而消極開展虛仿實驗建設(shè)與應(yīng)用的觀念。虛仿實驗是傳統(tǒng)實驗的拓展、延伸、補充，而不是替代，“能實不虛，虛實結(jié)合，虛實互補”應(yīng)該成為教師深入進行虛仿實驗教學(xué)體系及教學(xué)模式改革的基本理念，才能真正帶動虛仿實驗一流課程的共享應(yīng)用。

3.2? 進一步優(yōu)化工學(xué)虛仿實驗項目內(nèi)容及開發(fā)

技術(shù)，提升學(xué)生實驗體驗

工學(xué)實驗大多強調(diào)學(xué)生對實驗參數(shù)的設(shè)計、實驗設(shè)備的操作及實驗結(jié)果的觀察分析，應(yīng)強化涉及學(xué)生動手操作步驟以及不可視實驗結(jié)果和原理的虛擬呈現(xiàn)，而實驗室結(jié)構(gòu)、設(shè)備擺放位置等不影響實驗結(jié)果的實驗場景可降低制作精度或以圖片視頻的形式呈現(xiàn)，這樣既能高質(zhì)量保證實驗效果又能減少因場景渲染過多而引起的共享卡頓現(xiàn)象，提升用戶實驗價值的獲得感，從而促進虛仿實驗課程瀏覽者向?qū)嶒炚叩霓D(zhuǎn)變。

3.3? 進一步完善虛仿實驗一流課程持續(xù)建設(shè)的

保障制度及評價體系，提升課程共享率

虛仿實驗一流課程的持續(xù)升級、完善是適應(yīng)專業(yè)發(fā)展需求、擴大課程開放共享的基礎(chǔ)。一方面高校應(yīng)安排專項經(jīng)費支持虛仿實驗項目的持續(xù)建設(shè)，積極尋求校際合作、校企合作等模式，同時探索較為合理的共享付費機制；另一方面，從課程持續(xù)建設(shè)進度、課程校內(nèi)外共享應(yīng)用情況、學(xué)生實驗效果反饋評價等方面建立完善的評價體系，形成良性競爭機制，調(diào)動教師開展虛仿實驗一流課程建設(shè)及應(yīng)用的積極性。

4? 結(jié)束語

虛仿實驗一流課程建設(shè)是國家以信息化促進高等教育系統(tǒng)性變革、助推高等教育教學(xué)質(zhì)量變軌超車的重要舉措，而優(yōu)質(zhì)課程資源全面開放共享是實現(xiàn)此發(fā)展目標(biāo)的有力保障。各高校應(yīng)持續(xù)探索并且積極優(yōu)化虛仿實驗一流課程持續(xù)建設(shè)方法及開放共享機制，全面提高實驗教學(xué)的質(zhì)量，促進高校協(xié)調(diào)發(fā)展。

5? 參考文獻

[1] 張寧，趙毅強，蘭馗博，等.“新工科”背景下關(guān)于虛擬仿真實驗的幾點思考和建議[J].實驗技術(shù)與管理，2020，37（3）：185-188.

[2] 王書亭，李昕，張芬，等.面向大工程觀培養(yǎng)的智能制造實踐教學(xué)體系構(gòu)建[J].機械工程學(xué)報，2022，58（18）：319-332.

[3] 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 [A/OL].（2017-07-13）[2022-09-30].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201707/t20170721_309819.html.

[4] 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 [A/OL].（2018-06-05）[2022-09-30].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201806/t20180607_338713.html.

[5] 國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺[EB/OL].[2022-09-10].http：//www.ilab-x.com/.

[6] 尉小榮，徐建，李洋洋.高校國家級示范性虛擬仿真實驗教學(xué)課程建設(shè)與應(yīng)用現(xiàn)狀分析[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2022，20（3）：26-30.

[7] 郭應(yīng)彪，賈麗英.高校歷史學(xué)虛擬仿真實驗課程的探索與思考：基于國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺數(shù)據(jù)的分析[J/OL].河北師范大學(xué)學(xué)報（教育科學(xué)版），（2022-08-16）[2022-10-02].https：//kns.cnki.net/kcms2/article/abstract？v=C06iYwc_NfS9jwkeCq0aZ13DYGCAHDlUbiatEOV_T94CEU5Q_FpjQncae-uXNdOwbVaCjnO20SW_wdZVMvr48QF33kgFnzeeHtzCzFH9i-WQqnsQsQRa3S8GvDS89C_V5hWTu-RKNgE=&uniplatform=NZKPT&language=CHS.

[8] 胡今鴻，李鴻飛，黃濤.高校虛擬仿真實驗教學(xué)資源開放共享機制探究[J].實驗室研究與探索，2015，34（2）：140-144，201.

*項目來源：山西大同大學(xué)教學(xué)改革創(chuàng)新項目“簡潔化‘虛擬實驗平臺在材料成型及控制工程專業(yè)實驗教學(xué)中的應(yīng)用探索”（XJG2019209）；山西省高等學(xué)校哲學(xué)社會科學(xué)研究項目“教學(xué)競賽引領(lǐng)下青年教師教學(xué)能力及普通課堂質(zhì)量雙提升的探索與實踐”（2023W137）；山西大同大學(xué)教學(xué)改革創(chuàng)新項目“教學(xué)競賽推進高水平教學(xué)創(chuàng)新團隊建設(shè)的價值效應(yīng)研究與實踐”（XJG2023210）。

作者簡介：高顏萌、王舒瑋、盛彬，講師；張占東，博士，副教授；張瑞平，副教授。