赵海波 刘焕卫 高兴奎 郝文刚

烟台大学海洋学院 山东烟台 264005

0 引言

实验教学是培养高水平应用型人才的重要环节，是高等教育教学的重要组成部分[1]。近年来，随着信息技术的快速发展，面向专业实验教学的仿真实验系统不断出现，并在教学中得到了应用。虚拟仿真教学有效克服了学生实验设备台套数少、实验空间不足等现实问题，保障了实验教学任务的顺利实施。在疫情防控期间，线上学习过程中虚拟仿真实验更是代替了线下实验，改变了传统实验教学模式。

虚拟仿真实验是依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库、三维建模和网络通信等技术[2]，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，通过学生与虚拟系统实时交互开展实验，以完成教学大纲所要求的教学任务。在国内，虚拟仿真实验作为高等教育信息化的重要组成部分，得到了国家的大力支持。近年来，《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》《教育信息化十年发展规划（2011—2020）》《加快推进教育现代化实施方案（2018—2022年）》《中国教育现代化2035》等文件先后出台，推动了信息技术与高等教育的深度融合。基于信息技术的新型教育教学模式逐渐形成，初步实现了数字教育资源共建共享。2017年，教育部发布了《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》，启动建设虚拟仿真实验教学项目。2018年，教育部发布《关于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知》《教育部关于公布2018年国家精品在线开放课程认定结果的通知》等文件，提出梳理课程教学内容，打造具有高阶性、创新性和挑战度（“两性一度”）的金课，在全国高校中掀起了金课建设热潮。2019年，开始虚拟仿真实验教学一流课程建设和认定工作，推动虚拟仿真实验教学项目向具有高阶性、创新性和挑战性特征的“金课”发展[3]。虚拟仿真实验教学正在快速推广应用。

金课是虚拟仿真实验教学的建设方向，采取措施使其达到“两性一度”标准是提高教学质量、培养合格人才的必然要求。许多研究人员对此开展了大量探索和实践。赵东芹等[4]按照OBE 理念，采用过程性评价与终结性评价相结合的课程评价模式，采用探索式、论文式、答辩式、辩论式等多种过程评价方式，考查学生知识整合、信息技术应用、组织交流、团队合作、自主学习以及解决复杂问题的能力。李莉等[5]提出增加课程挑战度的两个途径，一是任课教师要进一步优化课程内容、课程教学设计，二是采用过程性与终结性、理论与实践、方法与案例有机结合的多维全过程考核方式。莫德赟等[6]采用在线学习、过程性考核和期末考核相结合的方式对学生能力进行检验。杨斌等[7]在课程考核中以考核学生能力培养目标的达成为主要目的，以检查学生对各知识点的掌握程度和应用能力为重要内容，优化设计考核内容、多角度考查应用能力。传统实验教学考核基本采用比较简单的固定方式，主要考查学生实验考勤、实验预习、实验操作过程和实验报告四部分，而实验报告成绩通常占较大比例，导致学生过于重视实验报告的撰写，忽视实验能力的锻炼和提升[8]。有实验教学一线人员对此进行了改进。王香芬等[9]开展了线上线下混合式实验教学，将考核评价贯穿于实验课程全过程，线上线下实验考核各有侧重，线上注重学习效果，线下考核实操效果，课程的指标考核包含了线上学习、预习实验报告、学习测试、实验操作、实验作业、拓展探究、学习互动与效果等内容，有效激发了学生在实验环节的能动性和创新性。韦乃球等[10]进一步提出以能力考核为主线，建立了教师评价与学生评价相结合、线上与线下评价相结合、过程评价与结果评价相结合的多元合理评价体系。

上述研究对包括虚拟仿真实验在内的金课建设提出了许多切实可行的措施，建立了多元化教学效果评价体系，实现了公正公平地评定学生课业成绩[11]，但是这些评价多是从课程考核结果和学生收获方面给出的，对金课建设的“两性一度”评价缺少定量评价方法和应用的研究。这种评价方式只关注课程教学效果的评价，对课程的高阶性、创新性和挑战度评价不足。虚拟仿真实验能够单独完成一门课程教学大纲规定的实验内容，可以在高水平人才培养任务中发挥重要作用，能达成的效果不仅与学生使用因素有关，还与资源的设计、使用保障等因素相关，当然，更与这些因素对“两性一度”的支撑程度有关。为此，本文基于“两性一度”金课原则，以本专业现有虚拟仿真实验课程为例，从资源建设、教学效果、创新能力培养方面，应用模糊层次分析法对其开展定量评价，为金课建设提供定量指导。

1 实验课程评价

1.1 课程评价方法

虚拟仿真实验课程评价需要考虑的因素较多，是一个系统性和综合性多目标评价问题。解决该问题需借助科学的方法。模糊层次分析法是运用模糊系统基本理论，针对具体评价对象建立分层评价指标体系，综合运算得到总体评价[12]。其基本步骤包括[13]：

1）分析系统各因素及评价目标，建立两层模糊层次分析结构；

2）根据同一层次元素对上一层准则的重要程度两两对比建立判断矩阵；

3）检验判断矩阵的一致性，得到权重矩阵；

4）根据各因素评价结果得到隶属度矩阵，合成计算得到综合评价结果。

模糊层次分析法不但能很好地描述定性问题，适合于定性指标的分析计算，实现定性与定量指标的同等考量，还通过将评价指标分成不同的类别和层次，体现各指标对方案的影响程度，实现各指标的综合整体效益最大化、最优化，给出综合评判结果。

1.2 课程评价要素

虚拟仿真实验作为一种新的实验教学形态，实验需要完成的内容及仿真展现和实施形式非常重要。另外，虚拟仿真实验是依托网络和计算机系统载体进行的，使用过程中必须保障顺畅安全。这些因素都应在进行“两性一度”评价时予以考虑。因此，虚拟仿真实验课程的评价，不应仅仅从学生使用角度考虑，还应考虑实验资源设计、开发及其实施保障情况。评价因素的选择需结合虚拟仿真实验设计、功能、应用及参与者使用效果、获得的能力、评价进行。以下结合本专业现有制冷压缩机拆装虚拟仿真实验项目来分析虚拟仿真实验课程的评价因素。

能源与动力工程专业“制冷压缩机拆装虚拟仿真实验”是山东省首批一流课程建设项目。该实验项目服务制冷压缩机拆装实验课程，完成教学大纲规定的教学任务，并在国内多所高校得到了应用。

在虚拟仿真实验课程设计过程中，按照自上而下设计原则，依据专业培养目标、课程支撑毕业要求情况，确定课程目标，设计实验项目，进一步根据实验项目明确对象和实验内容，确定实验教学项目数及需要的学时数，在此基础上提出仿真实验的设计要求和实现方式。参与人员包括实验课任课教师和实验管理人员。设计过程中教师需要审核实验项目综合性，判断与最新前沿科研成果、产业新业态、新模式结合程度。根据能源与动力工程专业培养目标，确定“制冷压缩机拆装虚拟仿真实验”支撑的毕业要求是能够针对特定需求，完成单元（部件）的设计与组装。课程目标为通过压缩机拆装实训，培养学生的专业实验技能，加深对活塞式制冷压缩机和螺杆式制冷压缩机等理论的理解，掌握活塞式制冷压缩机和螺杆式制冷压缩机拆装顺序、各零部件结构特点及作用，并初步具备工程实践能力。实验项目确定为2 个，分别是活塞式制冷压缩机拆卸与组装实训、螺杆式制冷压缩机拆卸与组装实训，共计32 学时。制冷压缩机虚拟仿真实验内容具有较强的综合性，与压缩机动态仿真的前沿科研成果紧密结合，所面向活塞、螺杆压缩机是当前制冷行业主流产品，与产业新业态、新模式结合程度较高。根据上述设计过程的分析得到的虚拟仿真课程评价要素有实验教学项目数，课程属性（学分、学时、必修、选修等），实验项目综合性、互动性，与最新最前沿科研成果结合程度，与产业新业态新模式结合程度，以及获取与掌握知识能力，发现问题、分析问题、解决问题能力等。

依据虚拟仿真实验设计要求，确定软件应包含学习、练习和考核三种模式，并能随时记录操作情况。由虚拟仿真实验设计开发人员开发软件，采用3D 仿真动画技术开发，综合运用Unity3d、Maya、VisioStudio、Pro/Enigineer、Photoshop 等开发工具，完成项目单场景模型总面数1.2 M，主要指标包括贴图分辨率512×512，每帧渲染次数25，动作反馈时间1/25 s，分辨率1 920×1 080。该软件还包括一个采用JAVA 语言开发的管理平台，使用了Eclipse 开发工具和MySQL5.5+数据库。软件开发人员在开发过程中要充分考虑仿真系统运行存在的网络安全隐患与风险，并能依据使用过程中出现的问题不断持续改进。开发过程得到的课程评价要素有网络安全隐患与风险、软件开发（框架、开发工具等）、应用便利性、数据支持情况与持续改进等。

仿真软件开发完成后，教师和管理人员开始指导学生开展虚拟仿真教学。该软件可以自动实时检测判定实验者的实验完成情况，具体包括实验完成度、操作正确性、实验时间是否符合要求等，教师在后台检查学生实验报告撰写的规范性和完整性，并要求学生完成项目汇报，提供基于该项目的竞赛获奖情况。制冷压缩机拆装虚拟仿真软件有学习模式、练习模式和考核模式，符合学生发现问题、分析问题、解决问题的学习探索逻辑，实现了探究性、个性化学习，真正实施了“以学生为中心”的理念，有助于创新能力的培养。这样，使用过程得到的课程评价要素有实验完成情况（完成度、正确性、实验时间、方法创新性）、实验报告撰写情况（规范性和完整性）、项目完成情况（项目报告和项目汇报）等。

虚拟仿真实验的实施地点可以是专业教室、计算机房、网络或学生单机，实施过程中，需要指导老师现场或线上监督与指导，实验管理人员需要随时保障虚拟仿真实验设备正常，网络通畅。这里包括的课程评价要素有设备保障情况、互联互通、后台管理等。

根据评价内容及“两性一度”的标准要求，上述要素可进一步分为实验资源、教学效果和创新能力培养三个方面。根据参与人员情况，还可将上述要素分为实验者、教师、管理者、技术服务人员四个维度。评价要素及归类如图1所示。

图1 虚拟仿真实验教学体系

1.3 实验课程综合评价层次

得到实验课程评价要素后，根据模糊层次分析原理，建立虚拟仿真实验课程评价体系（图1）。该体系包括两个层次，第一层次包括仿真资源评价U1、教学效果评价U2以及学生创新能力培养评价U3。第二层次分别从实验者、教师、管理者、技术服务等不同维度选取关键的、可测评的评价参数分别组成第一层次评价指标的二级指标。

其中，仿真资源评价U1包括：实验者维度中的实验教学项目数U11；教师维度中的课程属性U12、实验项目综合性U13、互动性U14、“以学生为中心”的理念贯彻实施U15；实验管理人员维度中的设备保障情况U16、互联互通U17、后台管理U18；开发人员维度中的网络安全隐患与风险U19、软件开发U110、应用便利性U111、数据支持情况与持续改进U112。

教学效果评价U2包括：实验者维度中的实验完成情况U21、实验报告撰写情况U22、项目完成情况U23；教师维度中的获取与掌握知识能力以及发现问题、分析问题、解决问题能力U24。

学生创新能力培养评价U3包括：实验者维度中的方法创新性U31、学生获奖数U32；教师维度中的与最新最前沿科研成果结合程度U33、与产业新业态新模式结合程度U34、学生整体创新能力U35。

2 实验课程综合评价计算

2.1 确定权重矩阵

通过分析第一层次元素之间的重要程度得到判断矩阵，经一致性检验后进一步得到第一层次指标U={U1,U2,U3}的权重矩阵为：

A=[0.16 0.30 0.54]

根据第二层次元素之间的相互重要程度得到第二层次的判断矩阵，经一致性检验后进一步得到其权重矩阵分别如下：

仿真资源评价U1的权重矩阵为：

U1=[0.037 0.063 0.05 0.05 0.15 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 0.11 0.13]

教学效果评价U2的权重矩阵为：

U2=[0.10 0.29 0.18 0.43]

学生创新能力培养评价U3的权重矩阵为：

U3=[0.07 0.12 0.21 0.21 0.36]

2.2 确定评价指标模糊隶属度

定义各指标的评价矩阵为V=[不及格 及格 中良好 优秀]，由10 位专家组成“制冷压缩机拆装虚拟仿真实验”课程评价小组，给出上述二级指标的评价值，评价值分定量和定性两种情况。对定量评价如实验项目数、获奖数等用数字，隶属度函数采用三角函数[13]；对定性评价采用等级评定给出，如实验项目综合性、互动性等，隶属度函数采用梯形函数[13]。将评价小组的评价结果汇总后取平均值，代入模糊隶属度函数求得指标模糊隶属度矩阵。

其中，仿真资源评价U1的隶属度矩阵为：

教学效果评价U2的隶属度矩阵为：

学生创新能力培养评价U3的隶属度矩阵为：

由上述结果得到二级指标的评价矩阵

Bi=Ui×Ri，其中i=1，2，3。

仿真资源、教学效果、学生创新能力培养评价的评价矩阵分别为：

从上述二级指标的评价矩阵可以看出，该指标对V评价矩阵各元素的隶属情况。根据最大化隶属度原则[13]，“制冷压缩机拆装虚拟仿真实验”课程的仿真资源、教学效果、学生创新能力培养的评价隶属度分别为0.86，1和0.879，均属于良好等级。但是创新能力培养情况对及格和中等的隶属度分别为0.109 和0.012，说明该课程对创新能力培养的贡献仍有待提高。

在二级评价指标矩阵基础上，可进一步得到该课程的模糊综合评价结果为：

A=U×R=U×[B1;B2;B3]=[0 0.059 0.007 0.912 0.023].

其中各数值表示该课程对V评价矩阵各元素的隶属程度。根据最大化隶属度原则，得到“制冷压缩机拆装虚拟仿真实验”课程属于良好等级的概率为0.912，可判断该课程达到良好等级。

3 结束语

针对虚拟仿真实验金课课程缺少定量评价问题，本文以“两性一度”原则为依据，深入分析得到课程评价的影响因素，应用模糊层次分析方法提出并建立由虚拟仿真资源、教学效果及学生创新能力培养三个评价指标组成的虚拟仿真实验课程评价方案，对虚拟仿真实验教学资源、效果、创新能力培养进行了综合评价，为实验课程金课建设以及有效地开展虚拟仿真实验教学提供了指导和借鉴。