王晓敏?高志强?闫晋文

摘 要：我国高校材料学科虚拟仿真实验教学工作还处于起步阶段。本文分析了我国涉及材料学科的国家级虚拟仿真实验教学中心和示范性虚拟仿真实验教学项目的建设现状，归纳了材料类虚拟仿真实验教学课程特点。同时分析了材料类虚拟仿真实验教学工作中存在的问题，即虚拟仿真教学资源开发工作滞后于材料学科发展以及各高校教学的差异化需求，导致虚拟仿真实验教学课程还不能满足材料学科发展的需要。应当围绕虚拟仿真实验教学中心和虚拟仿真实验教学项目建设内容，以问题和需求为导向，根据高校自身特点，加强产学合作，加快当地经济急需专业的虚拟仿真实验教学资源建设，完善教学考核评价制度，引导虚拟仿真实验教学在全国范围内均衡发展。

关键词：虚拟仿真;实验教学;信息化建设;材料学科;教学资源

虚拟仿真实验教学是我国高等教育信息化建设的重要内容[1-12]。2013年教育部高等教育司印发了《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》（教高司函〔2013〕94号），标志着虚拟仿真实验教学中心建设工作正式启动[13-15]。随后我国在2013年、2014年和2015年先后批准建立了共300个国家级虚拟仿真实验教学中心，有效推动了高校实验教学改革和创新工作[16]。为了快速实现优质实验教学资源的开放共享和高效集约应用，2017年教育部办公厅印发了《教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》（教高厅〔2017〕4号），规划自2017年至2020年分批认定1000个示范性虚拟仿真教学项目，形成高等教育信息化实验教学项目示范新体系[17]。为贯彻落实教育部关于高等教育信息化建设工作会议精神，我国在2018年（教高函〔2018〕6号）、2019年（教高函〔2019〕6号）和2020年（教高函〔2020〕8号）分别认定了105、296和327个国家虚拟仿真实验教学项目。至此，我国虚拟仿真实验教学工作已经由“中心建设”为主的初级普及阶段，转换为以“项目建设”为主的全面实施阶段，建设目标由“局部应用共享”发展为“大规模在线开发共享”。虚拟仿真实验教学建设方式和建设目标的转变反映了我国对高校实验教学自身内涵发展的迫切需求，对推进高校实验教学优质资源的建设与应用有重要意义[18]。

在我国已经建设的300个国家级虚拟仿真实验教学中心中[1，19]，材料类的教学中心有5个，占总数的1.67%;而在目前认定的三批次共728个国家虚拟仿真实验教学项目中，没有将材料专业作为大类进行独立规划，而是将材料类的虚拟仿真实验教学项目划归至机械大类之内。根据教育部关于2017—2020年示范性虚拟仿真实验教学项目的建设规划（教高厅〔2017〕4号），在2020年材料类将作为示范性虚拟仿真实验教学项目分类之一，拟认定20个材料类国家虚拟仿真实验项目，该数量占年度总数（350个）的5.71%。这一方面反映出材料类虚拟仿真实验教学形式逐渐受到重视，另一方面也能够看出材料学科虚拟仿真实验教学工作还处于起步阶段。

一、材料类国家级虚拟仿真实验教学中心的建设现状

根据《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》的精神（教技〔2012〕5号），教育部自2013年开始，连续三年分别批准建设了100个国家级虚拟仿真实验教学中心，其中的5个材料类国家级虚拟仿真实验教学中心名单如表1所示。这5个材料类国家级虚拟仿真实验教学中心分布于4所高校之中，4个中心建设于“双一流”建设高校，并且3个中心位于首都北京。

另外，这4所高校中的3所为教育部直属高校，并且2所高校位于京津地区，1所高校位于珠江三角洲地区。以上分析结果表明，一方面位于北京市的教育部直属“双一流”建设高校在虚拟仿真实验教学中心建设工作中起到了模范带头作用，另一方面反映出获批的国家级虚拟仿真实验教学中心汇聚于优质教育资源集中或经济发达地区。國家级虚拟仿真实验教学中心的集聚现象，与高校接受先进教学理念的紧迫性和资金投入量有较大关系[20-21]。然而，这种平台建设发展不均衡现象与建设虚拟仿真实验教学中心的“共享优质实验教学资源”的核心思想相悖。但是，集中建设具有示范和引领作用的虚拟仿真实验教学中心对持续推进我国高校实验教学信息化改革还是起到了不可忽视的作用。

二、材料类国家虚拟仿真实验教学项目的建设现状

为了使虚拟仿真实验教学在全国得到均衡发展，以支撑高等教育教学质量的全面提高，我国在加强虚拟仿真实验教学平台建设的同时，又开展了实验教学项目建设工作[22-23]，并且在2017年教育部印发的《教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》（教高厅〔2017〕4号）中，明确提出优先支持向中西部高校，特别是西部地区高校定向在线开放的虚拟仿真实验教学项目。

目前我国已经认定了2017年度（首批）来自全国91所高校的105个国家虚拟仿真实验教学项目（教高函〔2018〕6号）、2018年度来自186所高校的296个国家虚拟仿真实验教学项目（教高函〔2019〕6号）和2019年度来自193所高校的327个国家虚拟仿真实验教学项目（教高函〔2020〕8号）。表2列出了2017、2018和2019年度的国家虚拟仿真实验教学项目的认定详情。由表2可以看出，2017年度认定的首批实验教学项目被划分为8大类，2018年度认定的项目类型增加至23类，增加了将近2倍，2019年度认定的项目数量又增加4类。根据教高厅〔2017〕4号文件中的规划，2020年度的认定学科分类为27类，认定项目总数将增加至350个。每年的认定实验教学项目分类和内容是根据全国高校实验教学需求和实验教学项目建设情况等因素做适当调整后的结果。

尽管在目前公布的《虚拟仿真实验教学项目建设指南》中，将材料类的实验教学项目归纳到机械大类之中，然而，由于学科交叉的原因，其他大类中也有部分涉及材料的项目。根据表3、表4和表5分别列出的2017、2018和2019年度涉及材料的虚拟仿真实验教学项目名单可知，2017年度认定的项目包括来自4所高校的4个项目，2018年度认定的来自13所高校的14个项目，2019年度认定的来自16所高校的16个项目。图1给出了2017、2018和2019年度材料实验教学项目的占比情况，同时与2020年拟认定材料类实验教学项目的占比进行了对比，可以看出近3年来我国对材料类虚拟仿真实验教学项目的支持力度逐渐加大。

值得注意的是，目前认定的3个年度涉及材料的虚拟仿真实验教学项目分布于全国19个省市自治区，除了京津地区、长江三角洲和珠江三角洲地区等经济发达地区之外，还有湖南、湖北、陕西、山西和甘肃等中西部地区，并且中西部地区的项目超过三分之一（图2）。同时，认定项目分布于31所高校之中（部分高校多次获批项目），由图3给出的3个年度认定项目所在高校隶属关系和办学层次分布可知，省属高校和普通高校也占有不小的份额。以上分析结果进一步说明了国家虚拟仿真实验教学项目建设充分考虑了不同区域和不同层次高校对实验教学项目运行的需求，提高了地方高校参与实验教学项目信息化建设的积极性。

由此可见，国家虚拟仿真实验教学项目建设在不降低立项门槛水平的前提下，倾向于以学科建设水平为评价依据，而不以学校整体实力为依据，避免了地方省市的普通高校在与北京名牌高校的竞争中毫无优势的尴尬局面，有利于虚拟仿真实验教学新模式的快速普及。建设目标更加明确，建设内容更加精准，建设方式更加灵活，有利于地方高校在某一优势学科建立一些地方经济急需的虚拟仿真实验教学项目，以更好地支持当地经济的发展。

三、材料类虚拟仿真实验课程的特点

根据《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》（教技〔2012〕5号）、《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》（教高司函〔2013〕94号）及《教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》（教高厅〔2017〕4号），虚拟仿真实验教学理念是以全面提高学生的创新精神和实践能力为宗旨，以搭建信息化实验教学平台和共享优质实验教学资源为目标，建立实验教学、科研实践和创新创业3个教学实验硬件平台，通过授课教学、科学研究、实践实训和技能考核四种方式，提升高等教育实验教学质量和实践育人水平。就材料学科领域而言，根据专业设置或研究领域可以将材料类虚拟仿真实验教学课程划分为基础理论、材料设计、材料加工、材料器件和材料应用等五大类型。图4归纳了材料类虚拟仿真实验教学课程的设置思路。

根据国家虚拟仿真实验项目建设的目标，实验教学内容坚持以问题为导向，重点解决真实环境实验条件不具备或运行困难的教学实验，包括比较危险、极端环境、高消耗、高成本、不可逆操作及大型综合训练等实验内容;同时坚持以需求为导向，紧密结合高校发展方向和专业特色，紧密结合当地经济发展对急需专业人才的需求及产业发展的最新成果，因此目前认定的实验教学项目内容丰富，各具特色[24-26]。基于以上原因，不少高校除了在材料科学与工程、材料加工工程、无机非金属材料、高分子材料、复合材料与工程、冶金工程等材料学科传统专业开设虚拟仿真实验课程之外，近年来还开设了包括新能源材料、纳米材料及先进材料等在内的新兴材料虚拟仿真实验教学课程。

利用虚拟仿真技术与高校实验教学相结合，增强了实验的交互性、沉浸感和临场感，因此不仅能够激发学生对新知识探索的兴趣，而且还会加深学生对知识点的理解[27-30]。同时，老师授课过程中结合图形或动画，丰富了课程内容，减轻了讲授负担，提高了教学质量。另外，开设虚拟仿真实践实训课程，较好地解决了学生实习基地不足、内容针对性不强或动手机会过少等实习问题。就材料测试/表征方面的虚拟仿真实验课程而言，老师可以给学生反复演示完整的实验过程，还可以结合模型讲解仪器构造及其工作原理，学生也能够在虚拟环境中仿真操作，这不仅克服了学校大型仪器数量不足等难题，而且解决了学生实践机会较少，对设备构造及测试原理掌握困难等问题[31]。

四、材料类虚拟仿真实验教学中存在的问题

虚拟仿真实验课堂是培养人才和服务科研的全新实践教学平台，然而目前开发的课程还不能满足材料学科发展的需要，主要体现于课程内容不成体系、评价方法不健全、产学衔接不紧密。这种局面除了与材料学科实验教学信息化建设起步较晚有关之外，还与虚拟仿真实验教学资源的开发滞后于材料学科的发展，以及高校对实验教学需求各不相同有较大关系。

为此，教育部一方面鼓励高校根据自身专业特点和学科建设强项，集中优势资源，自主开发具有知识产权的虚拟仿真实验教学资源;另一方面出台政策支持产教深度融合，促进教育链和人才链与产业链和创新链的有机衔接，并通过产学合作协同育人项目，用产学研用相结合的模式，让企业与学校合作开发专业虚拟仿真实验教学资源，共建教学内容和课程体系[32]。

同时，教育部也提出要持续改进虚拟仿真实验教学考核评价体系，建立高校教学成果互认和学分转换机制，引导国内高校虚拟仿真实验教学得到均衡发展[33]。另外，根据2020年2月印发的《教育部关于公布2019年度普通高等学校本科专业备案和审批结果的通知》（教高函

〔2020〕2号），国内有4所本科院校将在2019年度增设“虚拟现实技术”本科专业。虚拟仿真技术作为标准课程进入教学大纲，将有效推动虚拟仿真实验教学在高校中的普及，也反映了社会发展对虚拟仿真技术人才的迫切需求。根据以上分析，采取多元化的模式，加快优质虚拟仿真实验教学资源建设;加强校企合作，促进教学与产业紧密衔接，消除产业快速发展和循序渐进施教之间的矛盾;完善教学评价制度，差异化地考核不同区域、不同类型高校、不同特色专业的教学成果是材料类虚拟仿真实验教学改革中亟待解决的问题。

综上所述，尽管国内材料学科虚拟仿真实验教学工作还处于起步阶段，但是在高校实验教学改革和信息化建设中备受重视。我国材料学科虚拟仿真实验教学改革政策保障有力，社会驱动力强大，发展前景光明。我国优先支持向中西部高校定向在线开放的虚拟仿真实验教学项目建设，有利于虚拟仿真实验教学在全国高校中均衡发展。以问题和需求为导向，材料学科虚拟仿真实验教学课程已经初具规模，教学体系已显雏形。虚拟仿真教学课程开发滞后于材料学科发展以及高校实验教学需求的差异化，导致实验教学课程还不能满足材料学科發展的需要。以多元化模式建设实验教学资源，加强校企合作，不断丰富教学内容和完善课程体系，并且健全考核评价制度，引导材料学科虚拟仿真实验教学健康发展，是目前材料类虚拟仿真实验教学工作中的重点内容。

参考文献：

[1] 蔡慧英，陈明选. 智能时代数字教育资源建设与发展研究[J].现代远距离教育，2019，183（3）：74-81.

[2] 张波，方祖华，叶宏.新工科人工智能教育型人才培养模式研究[J].现代教育技术，2019（8）：113-119.

[3] 兰国帅，郭倩，魏家财，等. 5G+智能技术：构筑“智能+”时代的智能教育新生态系统[J].远程教育杂志，2019（3）：3-16.

[4] 田阳，万青青，陈鹏，等.多空间融合视域下学习环境及学习情境探究[J].中国电化教育，2020（3）：123-130.

[5] 徐进. 2013年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作小结及2014年申报建议[J].实验室研究与探索，2014，33（8）：1-5.

[6] 胡凯，郑兴福，陈如松，等.江苏高校实验教学示范中心共享平台建设与实践[J].实验室研究与探索，2014，33（8）：144-147.

[7] 刘加彬，祖强，魏永军，等.江苏省实验教学与实践教育中心建设探讨[J].实验室研究与探索，2016，33（2）：133-142.

[8] 李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，32（11）：5-8.

[9] 孙淳.国家级虚拟仿真实验教学中心分布特点与立项建议[J].实验科学与技术，2019，17（2）：146-151.

[10] 杜玉宝，孙淑强，亓文涛.虚拟仿真实验教学信息化平台的建设与思考[J].中国现代教育装备，2016，249：26-28.

[11] 宁曦，陈省平，谢晓倩，等.虚拟仿真实验在海洋科学实验教学中的应用[J].教育现代化，2018，14：160-163.

[12] 王森，李平. 2014年國家级虚拟仿真实验教学中心分析[J].实验室研究与探索，2014，35（4）：82-86.

[13] 贠冰，孙建林，熊小涛，等. 材料虚拟仿真实验中心建设及共享的思考与实践[J].实验技术与管理，2018，35（10）：197-199.

[14] 刘秀清，葛文庆，焦学健，等.国家级虚拟仿真实验教学中心建设与管理[J].实验技术与管理，2018，35（11）：225-233.

[15] 卢艳丽，董文强，王永欣，等.材料类专业虚拟仿真实验教学中心的建设与实践[J].实验室研究与探索，2018，37（11）：153-157.

[16] 刘加彬，熊宏齐，孙岳明，等.江苏省高校实验教学示范中心运行和发展机制的探索[J].实验室研究与探索，2015，34（12）：140-143.

[17] 刘海波，沈晶，王革思，等.工程教育视域下的虚拟仿真实验教学资源平台建设[J].实验技术与管理，2019，36（12）：19-22.

[18] 祖强，魏永军.国家级示范性虚拟仿真实验教学项目申报策略探讨[J].实验技术与管理，2018，35（9）：236-238.

[19] 李顺，王震，温柳，等.虚拟仿真实验教学中心的发展现状探析[J].科教文汇，2019，459：77-78.

[20] 李鲁闽，陈凯.新工科背景下虚拟仿真实验在化工专业教学中的应用[J].广东化工，2019，46（14）：213-214.

[21] 祖强，魏永军.国家级虚拟仿真实验教学中心建设现状探析[J].实验技术与管理，2015，32（11）：156-158.

[22] 王卫国，胡今鸿，刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索，2015，34（5）：214-219.

[23] 王士凡，堵锡华，董黎明，等.高分子材料与工程专业虚拟仿真实验教学的探索[J].教育现代化，2019，42：132-133.

[24] 熊宏齐.国家虚拟仿真实验教学项目的新时代教学特征[J].实验技术与管理，2019，36（9）：1-4.

[25] 李亮亮，赵玉珍，李正操，等.材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心的建设[J].实验技术与管理，2014，31（2）：5-8.

[26] 吴金栋，任光辉，黄东键，等.基于虚拟仿真技术开展实践教学改革的研究与实践[J].实验室研究与探索，2018，37（5）：240-244.

[27] 白强，肖海连，杜芳林，等.虚拟仿真技术在材料科学与工程实验教学体系中的应用[J].青岛科技大学学报（自然科学版），2018，39（1）：163-164.

[28] 李艳霞，顾轶卓，李敏，等.复合材料固化工艺评价与优化虚拟仿真实验[J].实验技术与管理，2019，36（12）：170-173.

[29] 罗晓东，尹立孟，王青峡，等.基于虚拟仿真技术的实验教学平台设计[J].实验室研究与探索，2016，35（4）：104-107.

[30] 耿志挺，陈学军. 材料力学虚拟仿真实验系统的设计与开发[J].实验室研究与探索，2019，38（5）：98-101.

[31] 林珊，陈翠霞，罗小林，等.材料现代分析技术虚拟仿真实验教学思考[J].化学工程与装备，2018，10：280-283.

[32] 李立国. 高等教育内涵式发展下的高水平人才培养体系建设：逻辑框架与作用机制[J].清华大学教育研究，2020（6）：10–19.

[33] 熊宏齐.“双一流”建设中高校实验技术队伍持续发展之思考[J].实验技术与管理，2018，35（9）：7-10.

[本文系2017年山西省高等学校教学改革创新重点项目“基于双一流建设下的本科生创新能力探究”（编号J2017018）的阶段性研究成果]

[责任编辑：余大品]