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)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才為目標(biāo)，創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)已經(jīng)成為新工科專業(yè)培養(yǎng)的共識。實驗教學(xué)作為實踐能力培養(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對工程技能型人才的需求，在高等教育中需要提高學(xué)生綜合運用所學(xué)理論知識解決復(fù)雜工程問題的能力，這對實驗教學(xué)提出了更高的要求。實驗課程內(nèi)容需要減少驗證性實驗，增加綜合性和設(shè)計性實驗。實驗課程的授課過程不僅包含實驗操作，還包含一定深度的理論講授，將綜合性和設(shè)計性實驗涉及的多種理論和方法融匯貫通，從而將理論課程與實驗課程有效銜接。

傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式是以線下課堂為主，師生之間的交流局限在實驗課堂中。這種簡單的模式已經(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)展以及計算機和移動智能互聯(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)生可以借助計算機、平板電腦、手機等移動設(shè)備打破學(xué)習(xí)的時空限制，隨時隨地學(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。虛擬仿真實驗借助計算機仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，模擬仿真實驗室現(xiàn)實情境和實驗操作，從而豐富教學(xué)內(nèi)容，實現(xiàn)真實實驗不具備或者難以完成的教學(xué)功能。目前，在中國大學(xué)慕課、學(xué)堂在線、超星、智慧樹等平臺上線的慕課均達到數(shù)千門以上，在國家虛擬仿真實驗共享平臺“實驗空間”上的虛擬仿真實驗項目已經(jīng)多達2 000余項。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遇和方向。

為了實現(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有擺脫偏重理論教學(xué)的弊端，人們對慕課和虛擬仿真實驗在實驗教學(xué)中的應(yīng)用仍然存在疑慮。雖然慕課能夠在線進行實驗相關(guān)理論和操作講解，但是不能體驗實驗操作。因此，信息技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用更多地強調(diào)將虛擬仿真實驗與線下實驗結(jié)合。然而，虛擬仿真實驗雖然能夠在線上提供實驗操作體驗，但是沒有深入的理論講解。這些問題導(dǎo)致這些新型線上教學(xué)工具難以提供接近線下實驗的教學(xué)效果和學(xué)習(xí)體驗，必須與線下實驗教學(xué)相結(jié)合，開展混合式教學(xué)。同時，因為不能獨立在線上完成實驗教學(xué)過程，導(dǎo)致這些線上教學(xué)工具仍然是線下實驗教學(xué)的輔助，而不是必備活動，所以線下傳統(tǒng)實驗課堂并沒有因為混合式教學(xué)而發(fā)生本質(zhì)的變化。

將慕課與虛擬仿真實驗融合，優(yōu)勢互補，形成一體化在線實驗課程，是解決上述問題，推進現(xiàn)代信息技術(shù)在實驗教學(xué)中應(yīng)用的重要途經(jīng)。本文將分別對基于慕課和虛擬仿真的混合式實驗教學(xué)的特點和建設(shè)情況進行分析，進而詳細(xì)介紹將慕課與虛擬仿真實驗深度融合，形成新型在線實驗課程的方法，以及在此基礎(chǔ)上的線上線下混合式實驗教學(xué)模式。

一、混合式實驗教學(xué)的現(xiàn)狀

在實驗教學(xué)中，慕課和虛擬仿真實驗是已經(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驗線上教學(xué)與傳統(tǒng)線下實驗教學(xué)有機結(jié)合，形成“線上+線下”的混合式教學(xué)，可以擴展學(xué)習(xí)的時間和空間，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驗的混合式實驗教學(xué)的基本情況，分析它們在教學(xué)應(yīng)用中的優(yōu)勢和存在的問題。

因為實驗課程的慕課不能提供實驗操作體驗，所以在慕課環(huán)境下建立適合于實驗教學(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。在實驗課前，學(xué)生先在線上用慕課學(xué)習(xí)，掌握相關(guān)基礎(chǔ)知識，了解實驗儀器設(shè)備基本操作，并提交預(yù)習(xí)報告；在實驗課上教師僅需講解關(guān)鍵知識點，隨后進行實驗操作并初步分析實驗結(jié)果，通過與教師互動討論，解答慕課學(xué)習(xí)中的問題，進行深層次學(xué)習(xí)；課后結(jié)合個人情況，利用慕課對實驗進行選擇性復(fù)習(xí)，對結(jié)果進行深入分析，撰寫并提交實驗報告?；谀秸n的混合式實驗教學(xué)主要有兩方面的優(yōu)點。首先，學(xué)生可以自主地選擇學(xué)習(xí)時間和地點，并且自主地控制學(xué)習(xí)進度，對重點和難點知識還可以反復(fù)觀看視頻，從而打破了時空限制。其次，課堂教學(xué)可以針對重點內(nèi)容開展深層次學(xué)習(xí)，提高實驗教學(xué)效率，尤其是可以使學(xué)生將注意力集中在實驗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)模式基本沒有區(qū)別。同時，目前國內(nèi)慕課提供內(nèi)容以視頻、文本為主，實驗課程與理論課程的慕課形式同質(zhì)化。這些問題導(dǎo)致實驗課程慕課和線下實驗課程難以改善傳統(tǒng)教學(xué)中實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)不足的缺陷，這極大地影響了學(xué)生在實驗課程慕課學(xué)習(xí)上的熱情和效果。

圖1 基于慕課的混合式實驗教學(xué)模式（圖中斜體文字強調(diào)了與基于虛擬仿真實驗的混合式實驗教學(xué)的主要差異）

實驗課程慕課的這些問題也直接影響了慕課資源建設(shè)。教育部2017年認(rèn)定的首批國家精品在線開放課程共490門，其中工科實驗課程僅有2門，僅占0.4%。2018年認(rèn)定的課程數(shù)量大幅度增加，達到801門。然而，實驗課程的比例并沒有明顯提高，工科實驗課程數(shù)量為4門，仍然僅占0.5%（詳見表1）。雖然教育部計劃從2019年到2021年，完成4 000門左右國家精品在線開放課程建設(shè)，但是實驗課程數(shù)量大幅度提升的可能性不大。虛擬仿真實驗可以實現(xiàn)真實實驗難以完成或者不具備條件的教學(xué)功能，包括安全可靠地進行高危和極端條件實驗，綠色節(jié)約地進行高成本實驗，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，虛擬仿真實驗成為目前實驗室建設(shè)的一個重要發(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，在實驗教學(xué)中實現(xiàn)了虛實互補，培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新意識。

表1 2017年和2018年國家精品在線開放課程認(rèn)定情況

然而，因為虛擬仿真實驗中沒有提供高質(zhì)量視頻或較為詳盡的文字資料介紹相關(guān)理論和實驗技術(shù)，所以通常需要將線上教學(xué)與線下實驗課堂教學(xué)結(jié)合，開展線上線下混合式教學(xué)，發(fā)揮傳統(tǒng)實驗教學(xué)和虛擬仿真實驗各自的優(yōu)勢。如圖2所示，教學(xué)過程與基于慕課的混合式實驗教學(xué)類似，同樣可以分為課前預(yù)習(xí)、課中實驗和課后復(fù)習(xí)三個階段，但是在具體內(nèi)容上有較大差別。在課前預(yù)習(xí)中，通過虛擬仿真實驗操作，初步掌握實驗步驟、儀器使用和注意事項，并在虛擬仿真實驗平臺上提交預(yù)習(xí)報告；在課中，需要進行較詳細(xì)的基礎(chǔ)理論講解，然后采取虛擬仿真實驗與實體實驗并行的方式，或者用先進的虛擬仿真實驗項目取代部分線下實驗；在課后，隨時在線上重溫實驗操作，鞏固實驗技能，并在虛擬仿真實驗平臺上提交實驗報告。

圖2 基于虛擬仿真實驗的混合式教學(xué)模式（圖中斜體文字強調(diào)了與基于慕課的混合式實驗教學(xué)的主要差異）

由于虛擬仿真實驗?zāi)軌蛴行Ы鉀Q實驗資源短缺、時空受限、實驗教學(xué)環(huán)節(jié)難以開展等問題，虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實意義。2017年開始，教育部全面推進示范性虛擬仿真實驗項目建設(shè)。如表2所示，近年來國家級虛擬仿真實驗項目申報數(shù)量，認(rèn)定數(shù)量持續(xù)增加，每年申報項目數(shù)量增加約300～400項，認(rèn)定項目比例約30%～40%。

表2 國家級虛擬仿真實驗項目認(rèn)定情況

從上述基于慕課或虛擬仿真實驗的混合式教學(xué)的分析中我們可以看到，慕課不能提供與線下實驗教學(xué)相近的實驗操作，而虛擬仿真實驗缺乏相關(guān)理論知識介紹和梳理，因此兩者都不能提供與線下實驗教學(xué)相近的教學(xué)體驗，必須與線下實驗教學(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驗?zāi)壳暗膽?yīng)用中，它們?nèi)匀皇菍嶒灲虒W(xué)的輔助，沒有成為教學(xué)過程的必備活動。線上教學(xué)薄弱的現(xiàn)狀也使得傳統(tǒng)線下實驗課堂的教學(xué)活動沒有本質(zhì)的變化。因此，目前基于慕課或虛擬仿真實驗的混合式教學(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”簡單疊加。

二、慕課與虛擬仿真實驗的深度融合

既然慕課和虛擬仿真實驗各自具有鮮明的特點，前者重在理論講授，后者重在實驗操作，那么將兩者結(jié)合，無疑將成為實驗課程教學(xué)改革的強大推力。在醫(yī)學(xué)、計算機、化學(xué)、材料等專業(yè)的實驗課程中均已嘗試了將慕課與虛擬仿真實驗共同應(yīng)用。慕課與虛擬仿真實驗的聯(lián)合應(yīng)用實現(xiàn)了優(yōu)勢資源的互補，解決了理論與實踐相結(jié)合的問題。

然而，在這種將慕課與虛擬仿真實驗簡單結(jié)合的實驗教學(xué)探索中，一個較為明顯的問題是在教學(xué)實施的過程中，僅僅是將“基于慕課的混合式教學(xué)”與“基于虛擬仿真實驗的混合式教學(xué)”兩種模式簡單混合，將教學(xué)模式從原來的“1 + 1”簡單疊加變成了“1 + 1 + 1”簡單疊加。在線上教學(xué)過程中，慕課的理論講解和虛擬仿真實驗操作是在不同的平臺上孤立進行的。這導(dǎo)致了在豐富了教學(xué)內(nèi)容和手段的同時，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、虛擬仿真實驗平臺上預(yù)習(xí)，線下實驗后需要分別在兩個平臺上復(fù)習(xí)鞏固，在完成實驗報告的同時，有時還需要分別完成慕課或虛擬仿真平臺上設(shè)置的問題。

針對實驗教學(xué)中慕課與虛擬仿真實驗結(jié)合以及在混合式教學(xué)中應(yīng)用的問題，我們提出了將慕課與虛擬仿真實驗深度融合的線上實驗教學(xué)方法。這個深度融合是指將慕課和虛擬仿真實驗在同一個網(wǎng)絡(luò)平臺上有機地組合形成一個整體，在線上實驗項目學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生可以在慕課講解與虛擬仿真實驗操作之間靈活切換，盡量接近實際線下實驗教學(xué)過程。這樣的線上實驗教學(xué)將慕課與虛擬仿真實驗的優(yōu)勢互補，形成了與目前單獨的慕課和虛擬仿真實驗都不相同的線上課程。因為這樣的線上學(xué)習(xí)體驗與線下實驗學(xué)習(xí)非常相近，所以在我們已建成的線上實驗教學(xué)平臺上，將慕課與虛擬仿真實驗融合后的線上實驗課程稱為“虛擬學(xué)堂”。

將慕課與虛擬仿真實驗融合的基礎(chǔ)是慕課和虛擬仿真實驗的制作。我們已經(jīng)建設(shè)了“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)實驗”和“生物材料實驗”的慕課和虛擬仿真實驗，進而將兩者深度融合。以“材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)實驗”課程中“金屬的拉伸性能與加工硬化”實驗項目為例，這是一個綜合性實驗，實驗步驟較多，設(shè)備使用有一定難度。該實驗中將鋁合金冷軋成不同厚度的薄片，測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，掌握冷軋機和萬能力學(xué)試驗機的使用方法。在實驗?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，以及冷軋機和萬能力學(xué)實驗機的主要結(jié)構(gòu)，演示實驗步驟和設(shè)備操作方法，說明拉伸實驗數(shù)據(jù)處理和拉伸性能分析的方法，并強調(diào)實驗注意事項。教學(xué)視頻中用特寫鏡頭展示在線下實驗中學(xué)生難以看到的設(shè)備關(guān)鍵部分和材料變形實驗現(xiàn)象，根據(jù)視頻講述內(nèi)容適時提出問題。對應(yīng)于慕課中的實驗項目，建設(shè)了虛擬實驗，可以在線上體驗冷軋機和萬能力學(xué)實驗機的使用。進而，在同一個網(wǎng)絡(luò)平臺上，將慕課和虛擬仿真實驗兩者有機地整合成一體，在鋁合金冷軋變形和拉伸性能測試等關(guān)鍵節(jié)點位置建立互相訪問鏈接，從而可以在慕課學(xué)習(xí)和虛擬仿真操作間靈活切換。

實踐表明，“虛擬學(xué)堂”實驗教學(xué)效果顯著，有效地解決了上述慕課與虛擬仿真實驗結(jié)合中的一些問題，具備了線下教學(xué)中理論學(xué)習(xí)和實驗操作靈活交互的優(yōu)勢，從而提高了學(xué)生線上學(xué)習(xí)的體驗，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驗教學(xué)可以真正地實現(xiàn)在線上獨立完成實驗教學(xué)過程。

盡管“虛擬學(xué)堂”具有許多優(yōu)點，但是虛擬實驗畢竟缺乏線下實驗的真實環(huán)境，缺少真實動手操作。要培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、合作精神和創(chuàng)新意識，需要實實在在的實驗操作，學(xué)生親手實驗、親身經(jīng)歷是線上實驗無法替代的。因此，需要將融合后的慕課和虛擬仿真實驗與線下實驗教學(xué)有機結(jié)合，通過混合式教學(xué)，發(fā)揮最大功效。

在慕課和虛擬仿真實驗深度融合的基礎(chǔ)上，一個完整的混合式實驗教學(xué)流程仍然可以用課前、課中和課后三個階段來描述。如圖3所示，在課前，學(xué)生在“虛擬學(xué)堂”在線預(yù)習(xí)，了解實驗相關(guān)基本原理、儀器設(shè)備和注意事項，進行虛擬仿真實驗操作，并在線提交預(yù)習(xí)報告。在預(yù)習(xí)報告中，基于在線學(xué)習(xí)和實驗操作，說明實驗中使用的材料、實驗操作主要步驟和關(guān)鍵實驗參數(shù)，對于設(shè)計性實驗要求提出實驗方案。在課中，進行線下實驗操作，部分難以實現(xiàn)的實驗同樣采用實體實驗與虛擬仿真實驗并行的方式。課后學(xué)生進行數(shù)據(jù)分析，完成實驗報告，并可以利用“虛擬學(xué)堂”復(fù)習(xí)鞏固，在線交流答疑。因為線上學(xué)習(xí)過程中學(xué)生已經(jīng)獲得了接近線下實驗教學(xué)的體驗，因此線下教學(xué)過程中可以實現(xiàn)以學(xué)生為主導(dǎo)的教學(xué)，教師只在關(guān)鍵實驗操作步驟和發(fā)現(xiàn)問題時予以指導(dǎo)，從而提高了學(xué)生獨立思考和解決問題的能力。在這個過程中，視頻學(xué)習(xí)和虛擬仿真實驗靈活交互，實體實驗和虛擬仿真實驗并行，形成線上線下深層次交互的混合式實驗教學(xué)。

圖3 基于“虛擬學(xué)堂”的混合式教學(xué)模式

三、慕課與虛擬仿真實驗深度融合的優(yōu)勢和意義

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驗技術(shù)深度融合的優(yōu)勢主要包括以下幾個方面。

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

其次，慕課與虛擬仿真實驗深度融合后，形成了一體化的新型線上課程，可以獨立地在線上完成實驗教學(xué)過程。在慕課講解理論知識后，虛擬仿真實驗又通過逼真的模擬實驗場景，帶領(lǐng)學(xué)生走進三維立體的虛擬實驗空間，體驗實驗操作。在混合式實驗教學(xué)中，這樣具有一定獨立性的線上課程才能夠不僅僅作為教學(xué)活動的輔助，而是成為教學(xué)過程的必備部分，從而帶動傳統(tǒng)實驗課堂改革，在混合式教學(xué)中可以基于線上學(xué)習(xí)開展更加深入的教學(xué)。

最后，將慕課與虛擬仿真實驗融合，實現(xiàn)了理論與實踐相結(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)實驗相關(guān)理論知識，然后用虛擬仿真實驗初步掌握實驗操作，同時通過在線交流，及時解決學(xué)習(xí)中遇到的問題，并完成線上測試檢驗學(xué)習(xí)效果。對不熟悉的知識可以在線上反復(fù)學(xué)習(xí)、反復(fù)實驗。這樣的過程能夠?qū)⒗碚撝R與實踐應(yīng)用緊密結(jié)合，使學(xué)生牢固掌握理論知識和實驗技能，顯著提高學(xué)生運用理論知識解決復(fù)雜工程問題的能力，滿足新工科人才培養(yǎng)的需要。

四、結(jié)語

為了滿足新工科背景下社會對工程人才的需求，在人才培養(yǎng)中需要重視學(xué)生應(yīng)用理論知識解決復(fù)雜工程問題的能力，這對實驗教學(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，需要不斷推進信息技術(shù)與實驗教學(xué)的融合，利用信息化技術(shù)改進和豐富實驗教學(xué)手段，探索適合于實驗教學(xué)特點的混合式教學(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，而虛擬仿真實驗可以提供模擬真實實驗的場景。將兩者深度融合，在線上學(xué)習(xí)過程中可以在視頻講授、文字說明和虛擬仿真實驗之間靈活交互，形成新型線上實驗課程，從而實現(xiàn)了慕課與虛擬仿真實驗的優(yōu)勢互補，為學(xué)生構(gòu)建全方位的線上學(xué)習(xí)和實驗操作條件。在教學(xué)模式上，這種新型線上實驗課程具有獨立性，能夠獨立地在線上完成實驗教學(xué)，從而在線上線下混合式實驗教學(xué)中，成為教學(xué)活動的必備工具，改變傳統(tǒng)線下實驗教學(xué)，使線下實驗教學(xué)可以基于線上學(xué)習(xí)成果開展深入學(xué)習(xí)，形成線上線下深層次交互的混合式實驗教學(xué)模式。在人才培養(yǎng)上，新型線上實驗課程兼顧理論學(xué)習(xí)與實驗技能培養(yǎng)，尤其是在綜合性和設(shè)計性實驗中，將相關(guān)的多種理論知識和實驗方法緊密結(jié)合，學(xué)生可以在線上反復(fù)學(xué)習(xí)、反復(fù)實驗，從而提高學(xué)生運用理論知識解決復(fù)雜工程問題的能力，滿足新工科人才培養(yǎng)要求。