陳彥文，符 聃，陳 苗，張 強

(1.沈陽建筑大學材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110168；2.沈陽建筑大學外國語學院，遼寧 沈陽 110168； 3.沈陽城市建設學院土木工程系，遼寧 沈陽 110167)

一、實驗教學改革的必要性

實驗課程教學是理論教學的深入和驗證，是本科教學體系中關鍵的教學環(huán)節(jié)，是提升學生實踐創(chuàng)新能力的有效手段。通過實驗教學環(huán)節(jié)的訓練，學生可以在短時間內，投入較少精力，獲得最佳的教學效果[1]。實驗教學效果主要體現(xiàn)在學生對專業(yè)知識的運用上，而實驗教學方法直接影響實驗教學的效果，因此，實踐教學方法改革是實驗教學改革的關鍵。

近幾年，計算機仿真技術在實驗教學中得到廣泛的應用，虛擬仿真實驗教學是現(xiàn)代化電子信息技術與科學實驗教學技術的深度融合[2-3]。虛擬仿真實驗可以拓展實驗教學內容的廣度和深度，延伸實驗教學的時間和空間，提升實驗教學的質量和水平。虛擬仿真實驗項目建設是國家一流本科專業(yè)建設的需求，建設智能化、科學化、現(xiàn)代化虛擬仿真實驗項目和信息化實驗教學的管理系統(tǒng)，提升實驗教學的科學化管理水平，促使實驗技術人員不斷完善實驗教學內容、研究實驗教學方法、提高學生綜合素質，是虛擬實驗教學發(fā)展的目標。

一流本科課程“雙萬計劃”指出，要推動教師全員參與課程理念創(chuàng)新、內容創(chuàng)新和模式創(chuàng)新[4]，實驗教學也要加強一流課程建設與應用，提升本科實驗課程的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。與傳統(tǒng)的實踐教學方式相比，虛擬仿真實驗可通過虛擬的視景實現(xiàn)以學生為主體的“自主學習”和“自主設計”[5-6]，用虛擬現(xiàn)實技術創(chuàng)立虛擬實驗環(huán)境，讓實驗參與者像在真實的實驗環(huán)境中一樣，完成全部預定實驗內容，所取得的學習效果可等同于甚至優(yōu)于在真實環(huán)境中所取得的效果[5]。

2019年，沈陽建筑大學無機非金屬材料工程專業(yè)獲批首批國家級一流本科建設點，建設內容包括內涵建設、內容建設和路徑建設，實驗課程建設是一流本科專業(yè)內容建設的重要組成部分，探索適應一流本科專業(yè)的實驗教學模式勢在必行。

一流本科專業(yè)建設點的獲批，既給實驗課程教學建設帶來了機遇，也帶來了挑戰(zhàn)，在研究分析無機非金屬材料工程專業(yè)實驗教學資源和教學現(xiàn)狀的基礎上，結合本專業(yè)的培養(yǎng)目標，探索實驗教學體系和實驗教學方法改革，是一流本科專業(yè)建設的需要。

目前，無機非金屬材料專業(yè)的實驗教學由于量大面廣、實驗周期長，實驗過程涉及大型貴重儀器設備較多、實驗運行成本高，無法保證學生全程參與實驗環(huán)節(jié)。建立虛擬仿真實驗項目，使用虛擬實驗設備，可彌補實驗教學的不足，但實驗教學也不能完全依賴于虛擬仿真技術。

二、無機非金屬材料專業(yè)實驗的特點

1.實驗項目數量多

實驗教學環(huán)節(jié)對培養(yǎng)學生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力至關重要。要培養(yǎng)滿足社會需求的工程行業(yè)高級應用技術人才，就必須加強實驗教學環(huán)節(jié)建設?！豆こ探逃J證標準》與材料類補充標準要求無機非金屬材料專業(yè)課程中工程實踐與畢業(yè)設計類不少于20%，專業(yè)課實驗開出率達到90%以上，綜合性、設計性和創(chuàng)新性實驗課程占總實驗課程比例大于60%[7]。無機非金屬材料工程專業(yè)課程布局中，實驗教學環(huán)節(jié)比例較大，綜合性、設計性實驗課程占比更高[8](見表1)。

表1 無機非金屬材料工程專業(yè)課程布局

2.實驗項目完成時間較長

材料類專業(yè)實驗項目普遍耗時較長，即使是驗證和演示性實驗也需要較長的時間才能完成。例如：水泥技術性質實驗的凝結時間測定，一般需要2～5 h，水泥的強度測試要等到水泥養(yǎng)護到3 d或者28 d齡期才能測試；而水泥熟料的燒結、自密實混凝土等綜合性、設計性實驗，要經過設計、制備、性能評價等過程，實驗項目完成需要的時間更長，而且綜合性、設計性及創(chuàng)新性實驗項目數量已經達到75%以上。這類專業(yè)性較強的實驗受時長的制約，學生在規(guī)定實驗學時內也無法完成，因而難以保證教學質量。

三、實驗教學現(xiàn)存的問題

為更直觀地剖析實驗教學中的問題，筆者以沈陽建筑大學無機非金屬材料工程專業(yè)實驗室為例進行闡述。

1.教學與環(huán)境資源不足

(1)教師資源

無機非金屬材料工程專業(yè)實驗全部由無機專業(yè)實驗室承擔，目前，專業(yè)實驗室有專職實驗教師及管理人員6人，除承擔本專業(yè)的專業(yè)實驗之外，還承擔全校土木工程材料系列課程的實驗教學任務，輔助指導研究生及教師科研實驗，保障實驗室正常運行及負責大型儀器設備使用與管理，實驗工作量大，實驗人員嚴重不足。

(2)實驗場地和儀器設備

隨著高等教育事業(yè)的發(fā)展，辦學規(guī)模逐步擴大，招生人數逐年增加，中央及省部共建項目采購的大型精密儀器設備占據大量實驗教學空間，實驗教學有效使用面積逐年減小，人均實驗教學使用面積嚴重不足。專業(yè)基礎性實驗教學儀器設備投入較少，設備更新率較低，維修經費較少，實驗設備臺(套)數不能滿足正常教學需求。專業(yè)類實驗課教學只能把自然班分成2～4個實驗教學組，分批進行，一些常用測試分析儀器設備臺(套)數更少，基本上是部分學生參與實際操作，大部分學生只能觀摩，沒有實際動手操作的機會。

2.大型儀器設備利用率低

大型設備是材料類專業(yè)實驗教學的重要組成部分，學生借助大型儀器設備獲得材料的微觀組成和結構，評價材料特性、構造和性質。近幾年，該專業(yè)獲得儀器設備專項經費近2 000萬元，10萬元以上的大型設備由不足5臺(件)增加到現(xiàn)在的40余臺(件)，極大地改善了實驗教學的硬件條件。省部共建項目為實驗教學奠定了基礎，為材料一流學科的建設和發(fā)展提供了保障，也為學生實驗和科研創(chuàng)新創(chuàng)造了條件，但是大型儀器設備管理辦法和制度不完善，大型儀器設備的維護成本高，運行和維修費用也較為昂貴。由于缺少合理的資金保障體系，專職實驗技術人員崗位設置不合理，大型儀器設備無專人負責，設備損壞率較高、利用率低。而涉及大型儀器設備的實驗項目，基本上由實驗指導教師講解、操作及演示實驗過程，學生沒有動手操作機會，效果欠佳，達不到實驗教學的目的。

3.信息化實驗平臺建設緩慢

無機非金屬材料工程專業(yè)涉及基礎實驗、專業(yè)基礎實驗、專業(yè)實驗，實驗面廣、量大，實驗用原材料和化學試劑種類多、數量大，低值易耗品和小型實驗設備較多，而且實驗過程中涉及大型精密儀器設備的實驗項目占比大，學生必須在專業(yè)教師的幫助和指導下，才能熟悉實驗室環(huán)境及相關設備。當前，信息技術快速發(fā)展，專業(yè)實驗教學繼續(xù)維持線下實操教學，已經不符合一流專業(yè)建設的教學發(fā)展理念，信息化實驗平臺建設已經勢在必行。

4.虛擬仿真實驗項目建設滯后

虛擬仿真實驗是指將實驗教學原理、方法、過程與信息技術進行深度融合，把虛擬儀器設備引入實驗教學，通過虛擬仿真場景展現(xiàn)實驗項目的全過程。學生通過虛擬實驗熟悉實驗原理，設備的基本功能、操作方法與注意事項，實驗結果分析處理等過程。將虛擬仿真實驗作為專業(yè)實驗教學的一個組成部分，是實驗教學建設的重要內容，為培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力、共享優(yōu)質實驗教學資源、完善教學體系、提升實驗教學質量、提升學生專業(yè)素質奠定了堅實基礎。虛擬仿真實驗課程也是一流本科專業(yè)建設的一個標志性成果，但是無機非金屬材料工程專業(yè)的虛擬仿真實驗項目尚未開始建設。

四、實驗教學模式的構建

實驗教學管理與建設水平是實驗教學質量的重要保障，為建設一流專業(yè)、實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標，必須進一步探索實驗教學改革新模式，加大實驗室建設投入。沈陽建筑大學無機非金屬材料工程專業(yè)實驗室借助國家一流專業(yè)建設等項目的大力支持，增加原有設備的臺(套)數，優(yōu)化實驗課程設計，整合現(xiàn)有校內實驗資源，調整實驗室布局，使有限的實驗資源得到充分利用；積極開展校外合作實驗基地建設，共建校際、校企聯(lián)合實驗室，擴大實驗場所，為無機非金屬材料工程專業(yè)實驗教學的順利開展提供保障。

實驗教學環(huán)節(jié)貫穿于本科階段學習的全過程，實驗課程是學生培養(yǎng)方案的組成部分，實驗項目是構成實驗課程的基本組成單元，實驗教學方法改革是一流本科專業(yè)建設的關鍵。無機非金屬材料工程專業(yè)應以國家一流專業(yè)建設為契機，以實驗課程和實驗項目為研究對象，多渠道調研收集實驗教學信息，對實驗教學模式進行分類建設和實施，本著“虛實結合、虛實相補、能實不虛，以虛促實”的原則，結合專業(yè)特點分析篩選的優(yōu)勢教學資源，整合虛實教學模塊，搭建虛實結合的實驗教學平臺，提升實驗教學管理水平和管理質量，激發(fā)學生學習的主觀能動性。

針對不同課程的實驗教學項目要采取不同的實驗教學方法。按照課程類型實驗課可分為基礎實驗課、專業(yè)基礎實驗課和專業(yè)實驗課；按照實驗項目性質可分為演示實驗、驗證性實驗、綜合性實驗和設計性實驗，實驗課程分類統(tǒng)計如表2所示。

表2 無機非金屬材料工程專業(yè)實驗課程分類統(tǒng)計

1.基礎實驗及專業(yè)基礎實驗項目建設

物理、化學類的基礎實驗課程實驗項目用時較少，小型儀器設備和實驗藥瓶較多，原理簡單，安全性高，這些實驗可采取線下實驗教學方式。線下教學可保證學生有機會親自動手操作，有利于培養(yǎng)學生的實踐能力和團隊合作精神。在保證實際操作實驗的同時，也可以利用現(xiàn)代化教學手段把基本原理、操作步驟制作成慕課，通過信息化手段公開發(fā)布實驗項目信息，讓學生通過自主學習掌握基本理論和實驗方法后，再進入實驗室，進行實驗操作，這樣可以提高實驗效率，避免指導教師重復勞動，進而能緩解實驗資源和教師不足的問題。因此，基礎實驗應堅持以線下實操為主、線上為輔的原則。

針對基礎性實驗，還可以聯(lián)合其他院校共同開發(fā)實驗虛擬項目，打破高校之間的壁壘，實現(xiàn)資源共享。2020年，教育部開放2 000余門虛擬仿真實驗課程資源[9]，并提供在線實驗教學支撐和教學過程考核管理。疫情期間，大連理工大學不但開發(fā)了理工類專業(yè)基礎實驗課，專業(yè)課，綜合性、設計性的虛擬仿真實驗項目，還開發(fā)了線上虛擬仿真與線下工程實驗結合的實驗項目。各高校材料類專業(yè)的基礎類實驗，可以在調研考察的基礎上，借助同類高校的開放實驗教學平臺，優(yōu)選適合本專業(yè)的虛擬仿真實驗項目?；A實驗應以實為主、以虛為輔，虛擬仿真實驗教學項目建設應以共享資源或合作開發(fā)為主。

2.專業(yè)實驗項目建設

專業(yè)實驗是培養(yǎng)學生專業(yè)素養(yǎng)、科學研究能力的關鍵，是提升學生專業(yè)技能的訓練手段，專業(yè)實驗中包含驗證性實驗、綜合性實驗和設計性實驗。驗證性實驗只有16學時，綜合性、設計性實驗高達96學時，而很多實驗結果的分析測試依賴于大型精密儀器設備，針對這一特點，對于專業(yè)實驗應堅持優(yōu)化資源、分類建設的原則。

(1)驗證性實驗建設

對專業(yè)實驗中的驗證性實驗，可根據實驗項目所需時間、實驗硬件條件，采取“線下實操+MOOC教學+虛擬仿真實驗”的教學模式。實驗儀器設備較小、可操作性強的驗證性實驗可參照基礎實驗的教學模式進行建設；而持續(xù)時間長、跨度大的實驗要拆分成幾個小的實驗單元分別進行建設，并輔助以一定的3D虛擬仿真技術[10]，最后組成一個完整的實驗項目。例如：水泥技術性質包括幾項實驗，其中，水泥細度、標準稠度用水量需要進行線下實操實驗；而體積安定性、水泥凝結時間、水泥強度實驗前期可進行線下實操實驗，后續(xù)實驗則采用虛擬仿真和MOOC教學，學生在移動電子設備上實現(xiàn)可視化學習，參與實驗項目的全過程。驗證性實驗可以采取線上線下結合的形式，并輔助以一定的3D虛擬仿真技術，做到虛實結合、能實不虛、以虛補實，保證實驗教學的數量和質量。

(2)綜合性、設計性實驗建設

綜合性、設計性實驗是提升學生綜合素質，提高學生創(chuàng)新能力的手段。沈陽建筑大學無機非金屬材料工程專業(yè)結合《工程教育認證標準》要求，通過修改培養(yǎng)方案、調整教學體系，綜合性、設計性實驗項目比例已經超過75%(見表3)。綜合性實驗是打破課程間的限制，圍繞多個知識點開展實驗，是對理論知識的系統(tǒng)檢驗，可以訓練和提升學生對專業(yè)知識的綜合應用能力[11]。設計性實驗項目采用任務驅動法教學，任務驅動教學是一種基于建構主義理論的新型教學法，是以解決問題、完成任務為目的的探究式學習[12]。綜合性、設計性實驗涉及知識面廣，跨度大，實驗項目持續(xù)時間長、時間機動靈活。綜合性、設計性實驗應以實驗平臺教學為主，以虛擬仿真實驗為輔，以實操檢驗實驗的效果。運用“建設實驗平臺+虛擬仿真+實操融合”教學法，通過實驗平臺發(fā)布實驗任務，學生通過自主學習熟悉實驗原理及工藝過程，設計實驗路線和方案，運用虛擬仿真平臺模擬實驗過程，優(yōu)化實驗路線和方案，最后經過實際操作驗證實驗結果。

表3 綜合性、設計性實驗項目統(tǒng)計

在一流本科專業(yè)建設過程中，應結合專業(yè)特點和行業(yè)發(fā)展方向，開展綜合性、設計性實驗教學方法和教學內容改革，提升實驗效果，應本著“虛實結合、虛實互補、以實驗虛”的原則，優(yōu)化虛實教學資源，構建實驗教學平臺，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和團隊合作精神。

(3)借助于大型精密儀器設備開設的實驗項目

隨著高校實驗室建設的進一步發(fā)展，大型精密儀器設備數量逐年增多，儀器設備價格昂貴，運行成本高，工作原理復雜，測試技術要求較高，參數設置直接影響測試結果，數據處理分析難度較大。不同的大型儀器設備工作原理差別較大，例如，X射線衍射分析儀通過對材料進行測試，分析其衍射圖譜，獲得材料的成分、內部原子或分子的結構和形態(tài)等信息。而低場核磁共振設備的實驗原理是基于電磁學理論和量子理論，來表征材料內部的孔結構特征參數。對于本科生而言，理解掌握這些原理難度較大，虛擬仿真儀器設備因其直觀性、安全性和開放性特點，在實驗教學中具有顯著優(yōu)勢。建設大型儀器設備3D虛擬仿真系統(tǒng)，可拓展本科實驗教學項目，提升學生的實踐能力。因此，基于大型儀器設備的虛擬仿真項目建設尤為迫切和必要。

開發(fā)建設大型儀器設備虛擬仿真實驗項目，將虛擬儀器引入現(xiàn)代測試技術實驗教學，便于學生直觀了解現(xiàn)代測試技術的方法及原理，激發(fā)學生對實驗教學的學習興趣，調動學生主動性，能提高實驗教學質量。通過虛擬仿真技術構建的大型儀器設備3D仿真實驗項目中，利用MOOC教學對實驗任務、實驗過程進行輔助講解，指導學生進行實驗數據處理和實驗結果分析。在條件允許的情況下，面向學生開展大型儀器設備培訓和考核，考核通過的學生可以獲得大型儀器設備的操作資格。這樣既能提高大型儀器設備的利用率和學生的參與度，也能為學生今后從事科學研究等活動提供幫助。

借助三維虛擬仿真技術不僅能夠滿足材料類專業(yè)實驗大型儀器設備教學的操作訓練要求，還能實現(xiàn)常規(guī)實驗教學難以完成的教學功能。依托三維虛擬仿真技術可以根據材料專業(yè)實踐教學的發(fā)展需求，實現(xiàn)“以虛為主、以虛促實”，用虛擬仿真實驗補充理論知識體系，通過線下實驗驗證虛擬仿真實驗，實現(xiàn)理論和實踐教學的互補。

3.虛實結合的實驗教學平臺建設

無機非金屬材料工程專業(yè)實驗教學平臺建設分為基礎實驗平臺、專業(yè)實驗平臺、大型儀器設備平臺3個模塊?；A實驗平臺包括所有基礎實驗課程的教學內容，面向全校開放，提前公布實驗項目，學生可以在網上選課，線上學習，線下實驗，線上提交實驗成績。基礎實驗平臺也可實現(xiàn)高校之間的實驗平臺資源共享。專業(yè)實驗平臺主要面向本專業(yè)開放，也可以開設開放性實驗項目。實驗項目包括專業(yè)基礎實驗，專業(yè)實驗，綜合性、設計性實驗，應根據實驗項目的特點采用線上課程教學、實驗錄像、線下實驗、虛擬仿真實驗等方式。建設專業(yè)實驗教學平臺可拓寬實驗教學資源，是實驗教學手段的拓展，也是一流本科專業(yè)建設過程中實驗教學模式的發(fā)展方向。

沈陽建筑大學無機非金屬材料工程專業(yè)實驗室為充分發(fā)揮現(xiàn)有大型儀器設備的資源條件，本著共享、共建、共贏的建設理念，確立服務教學、服務科研、服務社會的建設目標，構建虛實結合的大型儀器設備實驗平臺。雖然現(xiàn)有大型儀器設備平臺在服務科研和地方建設方面起到了應有的作用，但在服務本科教學方面的作用還有待提升。在國家一流本科專業(yè)建設過程中，可依托遼寧省高校大型儀器設備平臺，圍繞現(xiàn)有大型設備搭建虛擬仿真3D可視化的共享實驗項目，努力構建和優(yōu)化共享平臺系統(tǒng)。

要在現(xiàn)有大型儀器設備平臺的基礎上，開發(fā)大型虛擬仿真儀器設備實驗項目，并結合專業(yè)特點，依托虛擬大型儀器設備，開發(fā)虛實結合的綜合性、設計性、創(chuàng)新性實驗項目，豐富實驗平臺的內容，優(yōu)化實驗平臺結構，既解決當前實驗教學資源不足的問題，又推進以學生為主體的直觀性和啟發(fā)性的可視化教學，調動學生參與實驗教學環(huán)節(jié)的積極性和主動性，提高學生的自我探索能力、實踐創(chuàng)新能力。同時，不斷完善虛擬仿真實驗項目的建設體系，挖掘虛擬仿真實驗資源，創(chuàng)造良好的實踐、科研氛圍，提高大型儀器設備的利用率，為培養(yǎng)高水平的創(chuàng)新型人才奠定基礎。

五、結 語

學生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是當前高等教育關注的重點，而實驗教學是提升學生實踐創(chuàng)新能力的有效途徑。無機非金屬材料工程專業(yè)在國家一流本科專業(yè)建設過程中，應針對實驗課程類型、實驗項目性質及實驗項目特點進行分類建設?；A實驗和專業(yè)基礎實驗應堅持以實際操作為主，以適當的MOOC和共享實驗平臺資源為輔的建設原則。專業(yè)實驗課程可以根據實驗項目類型和實驗特點，采用虛實結合、以虛補實的建設原則。專業(yè)實驗中的驗證性實驗應堅持線下實際操作的原則；綜合性、設計性實驗應結合專業(yè)培養(yǎng)目標開發(fā)建設具有鮮明專業(yè)特點的虛擬仿真實驗項目。同時，要加強大型儀器設備利用和管理，建設大型儀器設備操作平臺，建設大型儀器設備的虛擬仿真模擬操作系統(tǒng)，建設虛實結合的實驗教學管理平臺，提高實驗教學效率和管理水平。通過模擬實驗完成大型儀器設備的學習和訓練，用虛擬實驗檢驗理論知識，再以實際操作驗證學習成果，做到以虛促實、以實驗虛、虛實互補，提高實驗教學質量。但是，虛擬仿真實驗技術不能完全替代實際操作實驗，只有做到虛實結合、虛實互補、協(xié)調發(fā)展，才能更好地提升實驗教學效果，實現(xiàn)國家一流專業(yè)建設目標。