王曉敏?高志強?閆晉文

摘 要：我國高校材料學(xué)科虛擬仿真實驗教學(xué)工作還處于起步階段。本文分析了我國涉及材料學(xué)科的國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心和示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目的建設(shè)現(xiàn)狀，歸納了材料類虛擬仿真實驗教學(xué)課程特點。同時分析了材料類虛擬仿真實驗教學(xué)工作中存在的問題，即虛擬仿真教學(xué)資源開發(fā)工作滯后于材料學(xué)科發(fā)展以及各高校教學(xué)的差異化需求，導(dǎo)致虛擬仿真實驗教學(xué)課程還不能滿足材料學(xué)科發(fā)展的需要。應(yīng)當圍繞虛擬仿真實驗教學(xué)中心和虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)內(nèi)容，以問題和需求為導(dǎo)向，根據(jù)高校自身特點，加強產(chǎn)學(xué)合作，加快當?shù)亟?jīng)濟急需專業(yè)的虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)，完善教學(xué)考核評價制度，引導(dǎo)虛擬仿真實驗教學(xué)在全國范圍內(nèi)均衡發(fā)展。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;實驗教學(xué);信息化建設(shè);材料學(xué)科;教學(xué)資源

虛擬仿真實驗教學(xué)是我國高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容[1-12]。2013年教育部高等教育司印發(fā)了《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》（教高司函〔2013〕94號），標志著虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作正式啟動[13-15]。隨后我國在2013年、2014年和2015年先后批準建立了共300個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，有效推動了高校實驗教學(xué)改革和創(chuàng)新工作[16]。為了快速實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源的開放共享和高效集約應(yīng)用，2017年教育部辦公廳印發(fā)了《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），規(guī)劃自2017年至2020年分批認定1000個示范性虛擬仿真教學(xué)項目，形成高等教育信息化實驗教學(xué)項目示范新體系[17]。為貫徹落實教育部關(guān)于高等教育信息化建設(shè)工作會議精神，我國在2018年（教高函〔2018〕6號）、2019年（教高函〔2019〕6號）和2020年（教高函〔2020〕8號）分別認定了105、296和327個國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目。至此，我國虛擬仿真實驗教學(xué)工作已經(jīng)由“中心建設(shè)”為主的初級普及階段，轉(zhuǎn)換為以“項目建設(shè)”為主的全面實施階段，建設(shè)目標由“局部應(yīng)用共享”發(fā)展為“大規(guī)模在線開發(fā)共享”。虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)方式和建設(shè)目標的轉(zhuǎn)變反映了我國對高校實驗教學(xué)自身內(nèi)涵發(fā)展的迫切需求，對推進高校實驗教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源的建設(shè)與應(yīng)用有重要意義[18]。

在我國已經(jīng)建設(shè)的300個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心中[1，19]，材料類的教學(xué)中心有5個，占總數(shù)的1.67%;而在目前認定的三批次共728個國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目中，沒有將材料專業(yè)作為大類進行獨立規(guī)劃，而是將材料類的虛擬仿真實驗教學(xué)項目劃歸至機械大類之內(nèi)。根據(jù)教育部關(guān)于2017—2020年示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目的建設(shè)規(guī)劃（教高廳〔2017〕4號），在2020年材料類將作為示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目分類之一，擬認定20個材料類國家虛擬仿真實驗項目，該數(shù)量占年度總數(shù)（350個）的5.71%。這一方面反映出材料類虛擬仿真實驗教學(xué)形式逐漸受到重視，另一方面也能夠看出材料學(xué)科虛擬仿真實驗教學(xué)工作還處于起步階段。

一、材料類國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)現(xiàn)狀

根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》的精神（教技〔2012〕5號），教育部自2013年開始，連續(xù)三年分別批準建設(shè)了100個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，其中的5個材料類國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心名單如表1所示。這5個材料類國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心分布于4所高校之中，4個中心建設(shè)于“雙一流”建設(shè)高校，并且3個中心位于首都北京。

另外，這4所高校中的3所為教育部直屬高校，并且2所高校位于京津地區(qū)，1所高校位于珠江三角洲地區(qū)。以上分析結(jié)果表明，一方面位于北京市的教育部直屬“雙一流”建設(shè)高校在虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作中起到了模范帶頭作用，另一方面反映出獲批的國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心匯聚于優(yōu)質(zhì)教育資源集中或經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)。國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心的集聚現(xiàn)象，與高校接受先進教學(xué)理念的緊迫性和資金投入量有較大關(guān)系[20-21]。然而，這種平臺建設(shè)發(fā)展不均衡現(xiàn)象與建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)中心的“共享優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源”的核心思想相悖。但是，集中建設(shè)具有示范和引領(lǐng)作用的虛擬仿真實驗教學(xué)中心對持續(xù)推進我國高校實驗教學(xué)信息化改革還是起到了不可忽視的作用。

二、材料類國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目的建設(shè)現(xiàn)狀

為了使虛擬仿真實驗教學(xué)在全國得到均衡發(fā)展，以支撐高等教育教學(xué)質(zhì)量的全面提高，我國在加強虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)的同時，又開展了實驗教學(xué)項目建設(shè)工作[22-23]，并且在2017年教育部印發(fā)的《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）中，明確提出優(yōu)先支持向中西部高校，特別是西部地區(qū)高校定向在線開放的虛擬仿真實驗教學(xué)項目。

目前我國已經(jīng)認定了2017年度（首批）來自全國91所高校的105個國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目（教高函〔2018〕6號）、2018年度來自186所高校的296個國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目（教高函〔2019〕6號）和2019年度來自193所高校的327個國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目（教高函〔2020〕8號）。表2列出了2017、2018和2019年度的國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目的認定詳情。由表2可以看出，2017年度認定的首批實驗教學(xué)項目被劃分為8大類，2018年度認定的項目類型增加至23類，增加了將近2倍，2019年度認定的項目數(shù)量又增加4類。根據(jù)教高廳〔2017〕4號文件中的規(guī)劃，2020年度的認定學(xué)科分類為27類，認定項目總數(shù)將增加至350個。每年的認定實驗教學(xué)項目分類和內(nèi)容是根據(jù)全國高校實驗教學(xué)需求和實驗教學(xué)項目建設(shè)情況等因素做適當調(diào)整后的結(jié)果。

盡管在目前公布的《虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)指南》中，將材料類的實驗教學(xué)項目歸納到機械大類之中，然而，由于學(xué)科交叉的原因，其他大類中也有部分涉及材料的項目。根據(jù)表3、表4和表5分別列出的2017、2018和2019年度涉及材料的虛擬仿真實驗教學(xué)項目名單可知，2017年度認定的項目包括來自4所高校的4個項目，2018年度認定的來自13所高校的14個項目，2019年度認定的來自16所高校的16個項目。圖1給出了2017、2018和2019年度材料實驗教學(xué)項目的占比情況，同時與2020年擬認定材料類實驗教學(xué)項目的占比進行了對比，可以看出近3年來我國對材料類虛擬仿真實驗教學(xué)項目的支持力度逐漸加大。

值得注意的是，目前認定的3個年度涉及材料的虛擬仿真實驗教學(xué)項目分布于全國19個省市自治區(qū)，除了京津地區(qū)、長江三角洲和珠江三角洲地區(qū)等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)之外，還有湖南、湖北、陜西、山西和甘肅等中西部地區(qū)，并且中西部地區(qū)的項目超過三分之一（圖2）。同時，認定項目分布于31所高校之中（部分高校多次獲批項目），由圖3給出的3個年度認定項目所在高校隸屬關(guān)系和辦學(xué)層次分布可知，省屬高校和普通高校也占有不小的份額。以上分析結(jié)果進一步說明了國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)充分考慮了不同區(qū)域和不同層次高校對實驗教學(xué)項目運行的需求，提高了地方高校參與實驗教學(xué)項目信息化建設(shè)的積極性。

由此可見，國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)在不降低立項門檻水平的前提下，傾向于以學(xué)科建設(shè)水平為評價依據(jù)，而不以學(xué)校整體實力為依據(jù)，避免了地方省市的普通高校在與北京名牌高校的競爭中毫無優(yōu)勢的尷尬局面，有利于虛擬仿真實驗教學(xué)新模式的快速普及。建設(shè)目標更加明確，建設(shè)內(nèi)容更加精準，建設(shè)方式更加靈活，有利于地方高校在某一優(yōu)勢學(xué)科建立一些地方經(jīng)濟急需的虛擬仿真實驗教學(xué)項目，以更好地支持當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展。

三、材料類虛擬仿真實驗課程的特點

根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》（教技〔2012〕5號）、《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》（教高司函〔2013〕94號）及《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），虛擬仿真實驗教學(xué)理念是以全面提高學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力為宗旨，以搭建信息化實驗教學(xué)平臺和共享優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源為目標，建立實驗教學(xué)、科研實踐和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)3個教學(xué)實驗硬件平臺，通過授課教學(xué)、科學(xué)研究、實踐實訓(xùn)和技能考核四種方式，提升高等教育實驗教學(xué)質(zhì)量和實踐育人水平。就材料學(xué)科領(lǐng)域而言，根據(jù)專業(yè)設(shè)置或研究領(lǐng)域可以將材料類虛擬仿真實驗教學(xué)課程劃分為基礎(chǔ)理論、材料設(shè)計、材料加工、材料器件和材料應(yīng)用等五大類型。圖4歸納了材料類虛擬仿真實驗教學(xué)課程的設(shè)置思路。

根據(jù)國家虛擬仿真實驗項目建設(shè)的目標，實驗教學(xué)內(nèi)容堅持以問題為導(dǎo)向，重點解決真實環(huán)境實驗條件不具備或運行困難的教學(xué)實驗，包括比較危險、極端環(huán)境、高消耗、高成本、不可逆操作及大型綜合訓(xùn)練等實驗內(nèi)容;同時堅持以需求為導(dǎo)向，緊密結(jié)合高校發(fā)展方向和專業(yè)特色，緊密結(jié)合當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展對急需專業(yè)人才的需求及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最新成果，因此目前認定的實驗教學(xué)項目內(nèi)容豐富，各具特色[24-26]?；谝陨显?，不少高校除了在材料科學(xué)與工程、材料加工工程、無機非金屬材料、高分子材料、復(fù)合材料與工程、冶金工程等材料學(xué)科傳統(tǒng)專業(yè)開設(shè)虛擬仿真實驗課程之外，近年來還開設(shè)了包括新能源材料、納米材料及先進材料等在內(nèi)的新興材料虛擬仿真實驗教學(xué)課程。

利用虛擬仿真技術(shù)與高校實驗教學(xué)相結(jié)合，增強了實驗的交互性、沉浸感和臨場感，因此不僅能夠激發(fā)學(xué)生對新知識探索的興趣，而且還會加深學(xué)生對知識點的理解[27-30]。同時，老師授課過程中結(jié)合圖形或動畫，豐富了課程內(nèi)容，減輕了講授負擔，提高了教學(xué)質(zhì)量。另外，開設(shè)虛擬仿真實踐實訓(xùn)課程，較好地解決了學(xué)生實習(xí)基地不足、內(nèi)容針對性不強或動手機會過少等實習(xí)問題。就材料測試/表征方面的虛擬仿真實驗課程而言，老師可以給學(xué)生反復(fù)演示完整的實驗過程，還可以結(jié)合模型講解儀器構(gòu)造及其工作原理，學(xué)生也能夠在虛擬環(huán)境中仿真操作，這不僅克服了學(xué)校大型儀器數(shù)量不足等難題，而且解決了學(xué)生實踐機會較少，對設(shè)備構(gòu)造及測試原理掌握困難等問題[31]。

四、材料類虛擬仿真實驗教學(xué)中存在的問題

虛擬仿真實驗課堂是培養(yǎng)人才和服務(wù)科研的全新實踐教學(xué)平臺，然而目前開發(fā)的課程還不能滿足材料學(xué)科發(fā)展的需要，主要體現(xiàn)于課程內(nèi)容不成體系、評價方法不健全、產(chǎn)學(xué)銜接不緊密。這種局面除了與材料學(xué)科實驗教學(xué)信息化建設(shè)起步較晚有關(guān)之外，還與虛擬仿真實驗教學(xué)資源的開發(fā)滯后于材料學(xué)科的發(fā)展，以及高校對實驗教學(xué)需求各不相同有較大關(guān)系。

為此，教育部一方面鼓勵高校根據(jù)自身專業(yè)特點和學(xué)科建設(shè)強項，集中優(yōu)勢資源，自主開發(fā)具有知識產(chǎn)權(quán)的虛擬仿真實驗教學(xué)資源;另一方面出臺政策支持產(chǎn)教深度融合，促進教育鏈和人才鏈與產(chǎn)業(yè)鏈和創(chuàng)新鏈的有機銜接，并通過產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目，用產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的模式，讓企業(yè)與學(xué)校合作開發(fā)專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)資源，共建教學(xué)內(nèi)容和課程體系[32]。

同時，教育部也提出要持續(xù)改進虛擬仿真實驗教學(xué)考核評價體系，建立高校教學(xué)成果互認和學(xué)分轉(zhuǎn)換機制，引導(dǎo)國內(nèi)高校虛擬仿真實驗教學(xué)得到均衡發(fā)展[33]。另外，根據(jù)2020年2月印發(fā)的《教育部關(guān)于公布2019年度普通高等學(xué)校本科專業(yè)備案和審批結(jié)果的通知》（教高函

〔2020〕2號），國內(nèi)有4所本科院校將在2019年度增設(shè)“虛擬現(xiàn)實技術(shù)”本科專業(yè)。虛擬仿真技術(shù)作為標準課程進入教學(xué)大綱，將有效推動虛擬仿真實驗教學(xué)在高校中的普及，也反映了社會發(fā)展對虛擬仿真技術(shù)人才的迫切需求。根據(jù)以上分析，采取多元化的模式，加快優(yōu)質(zhì)虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè);加強校企合作，促進教學(xué)與產(chǎn)業(yè)緊密銜接，消除產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展和循序漸進施教之間的矛盾;完善教學(xué)評價制度，差異化地考核不同區(qū)域、不同類型高校、不同特色專業(yè)的教學(xué)成果是材料類虛擬仿真實驗教學(xué)改革中亟待解決的問題。

綜上所述，盡管國內(nèi)材料學(xué)科虛擬仿真實驗教學(xué)工作還處于起步階段，但是在高校實驗教學(xué)改革和信息化建設(shè)中備受重視。我國材料學(xué)科虛擬仿真實驗教學(xué)改革政策保障有力，社會驅(qū)動力強大，發(fā)展前景光明。我國優(yōu)先支持向中西部高校定向在線開放的虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)，有利于虛擬仿真實驗教學(xué)在全國高校中均衡發(fā)展。以問題和需求為導(dǎo)向，材料學(xué)科虛擬仿真實驗教學(xué)課程已經(jīng)初具規(guī)模，教學(xué)體系已顯雛形。虛擬仿真教學(xué)課程開發(fā)滯后于材料學(xué)科發(fā)展以及高校實驗教學(xué)需求的差異化，導(dǎo)致實驗教學(xué)課程還不能滿足材料學(xué)科發(fā)展的需要。以多元化模式建設(shè)實驗教學(xué)資源，加強校企合作，不斷豐富教學(xué)內(nèi)容和完善課程體系，并且健全考核評價制度，引導(dǎo)材料學(xué)科虛擬仿真實驗教學(xué)健康發(fā)展，是目前材料類虛擬仿真實驗教學(xué)工作中的重點內(nèi)容。

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[本文系2017年山西省高等學(xué)校教學(xué)改革創(chuàng)新重點項目“基于雙一流建設(shè)下的本科生創(chuàng)新能力探究”（編號J2017018）的階段性研究成果]

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