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[摘 要]该文以“涂料化学与工艺学实验”为案例，构建了基于虚拟仿真实验的混合教学模式，通过合理的教学设计将现实中高危、不可逆、周期长、难实现的实验环节在虚拟仿真实验中展现，结合线下教学的论证实验完成完整的教学过程。实践证明，该教学模式有利于培养学生的自主学习能力、探究学习能力以及创新和实践能力。
[关键词]虚拟仿真;混合式教学;海洋防污涂料;教学设计
[基金项目]2018年度南宁师范大学教改项目“校企合作模式下地方高校应用化学专业课程体系的构建与实践研究”（2018JGXO11）
[作者简介]李媛媛（1980—），女，黑龙江齐齐哈尔人，博士，南宁师范大学化学与材料学院讲师，主要从事颜料制备与改性、涂料与涂层研究;刘乐平（1980—），男，湖南邵阳人，博士，南宁师范大学化学与材料学院高级工程师，硕士生导师，主要从事碱激发材料的基础理论与应用研究;陈泉志（1986—），男，广西北流人，博士，南宁师范大学化学与材料学院助理研究员，主要从事材料表面处理与防护研究。
[中图分类号] 06-3 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）33-0213-03 [收稿日期] 2020-04-04
引言
根据《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》（教高〔2019〕8号）的精神，从2019年到2021年将认定万门左右国家级一流本科课程，其中6000门左右为线上线下混合式课程，1500门左右为虚拟仿真实验教学课程，1000门左右为国家级社会实践一流课程，这是教育改革不断深入的硕果展示，也是未来教育改革的发展方向[1]。
本着在高校培育建设基础上，注重创新型、复合型、应用型人才培养课程建设的指导思想，涂料化学与工艺学实验课程也进行了混合式教学模式的探索与实践。在该门课传统的实验教学当中，为了学生能在有限的时间和空间内安全完成实验，教师在实验内容的设计上艰难取舍，涂料行业的发展一日千里，涂料种类众多，而学生的实验操作内容却相对滞后、单一。此外，涂料配方设计实验一直为本科教学的难题，主要原因在于涂料配方涉及的系列试剂、树脂、助剂等品类多、难储存、价格昂贵、部分试剂受专利限制难以采购，此外，涂料配方设计实验不可逆、部分关键性能测试周期长并且无法在实验室环境下完成。
鉴于以上实验教学难题，按照“虚实结合、以虚补实”的原则，结合“高阶性、创新性、挑战度”（“两性一度”）的教学设计标准，课程中将涂料行业的热点“海洋防污涂料的工业生产与性能检测”开发为虚拟仿真实验单元。学生在沉浸式的虚拟实验环境中漫游并进行配方设计、涂料生产及检测，在如同游戏闯关般的任务驱动下不知不觉完成实验，提升了学习兴趣，学生接受度高，学习效果良好。
一、虚拟仿真实验教学
《中国教育现代化2035》的目标与任务是到2035年总体实现教育现代化，迈入教育强国行列，推动我国成为学习大国、人力资源强国和人才强国，而“智能教育”将是教育现代化的关键特征[2]。中共中央办公厅、国务院办公厅印发《加快推进教育现代化实施方案（2018—2022年）》，文件中就虚拟仿真实验教学项目的建设给出意见和建议，着力解决真实实验条件不具备或实际运行困难，涉及高危或极端环境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型综合训练等问题，并希望以此大力推进教育信息化，着力构建基于信息技术的新型教育教学模式、教育服务供给方式以及教育治理新模式[3-5]。在抗击新型冠状病毒的当下，国家虚拟仿真实验教学项目共享平台（实验空间）全天候开放，免费提供2000余门虚拟仿真实验课程资源，并提供在线实验教学支撑和教学考核管理，解决了高校实验课程的难题。由此可见，教育信息化不仅是教育改革的大方向，更是特殊时期应对教育难题的一把利剑。
（一）涂料化學与工艺学采用虚拟仿真教学的必要性
如上文所述，涂料配方设计一直是本科教学难题。与此同时，以海洋防污涂料生产及性能检测实验内容为例，其实验教学面临着以下难点：
第一，环境限制。评价海洋防污涂料性能优劣的几项重要测试，例如海洋涂料旋转冲刷测试以及防海洋生物污染测试，根据国家相关行业标准需在浅海区进行实海挂板实验。
第二，试验周期限制。海洋防污涂料的海洋挂板防污性能测试周期1—5年，旋转冲刷的最短周期为200小时，盐雾测试的最短周期为1个月。
第三，实验原材料限制。涂料的组分多种多样，药品库难以涵盖全部试剂（部分试剂受专利保护，市面上难以购买），其中部分危险化学品的保存亦存在安全隐患。
第四，不可逆性。涂料从配方设计到实验验证的周期长（数天—几个月），且该过程不可逆，每次配方调整都需要进行大量的重复性实验。
（二）虚拟仿真实验教学设计
实验设计上本着以学生为中心的教学理念，让学生在漫游环境中学习，并以问题驱动、交互练习、分组合作等学习方法展开，最后通过反思与评价巩固、提升学习效果。具体实验教学内容设计如下：
1.沉浸式环境漫游。学生在虚拟的涂料工厂进行漫游，直观形象、立体生动地体验、感知与领略涂料车间物理环境的空间布局和结构，掌握仪器、设备设施的配备规范，学习仪器设备的操作方法;实海检测模块，学生漫游海岛检测站并乘船出海，在虚拟浮筏上进行挂板操作。
2.问题驱动式学习。实验过程中，教师设置问题闯关，学生正确回答问题才能进入下一步操作，在此过程中学生通过查阅资料，回顾前学知识进行作答，从而巩固旧知，学习新知。
3.交互式练习。系统设置有错误提示、正确操作提示和自动评价的功能，学生在进行虚拟实验操作时通过人机交互的方式，实现边操作、边学习、边调整，错误和不足之处及时得到改正和补充。
4.合作探究式学习。在涂料配方的设计和生产环节，学生分小组完成教师布置的任务需要团队合作，分析问题并解决问题。 5.反思式評价。虚拟仿真平台能够自动生成可追溯实验过程的记录，便于学生及时了解与掌握学习的进程，进行自我纠错与反思。
实验操作结束后，系统会自动生成实验报告，通过在线或下载填写实验报告，学生可以反思自己的全部操作，并针对自己对知识点的掌握的情况做出评价，学生也可以根据评价结果和兴趣，反复进行虚拟仿真实验，进而提高学习效果。
（三）虚拟仿真资源开发
在虚拟仿真实验建设当中，教师进行实地考察和脚本设计，选取实际工业生产、海洋涂料旋转冲刷测试、浅海挂板防生物污损测试、盐雾腐蚀测试等场景，软件工程师采用Unity3D、3D Studio Max、Maya、Visual Studio等软件，综合应用多媒体、三维建模、人机交互、虚拟现实、实时反馈游戏互动机制等技术，构建了海洋防污涂料从配方设计、工业生产到性能检测的全过程虚拟现实场景。主要场景个别画面如图1—图3所示。
二、基于虚拟仿真实验的混合式教学模式
在涂料化学与工艺学实验授课过程中，实验室教学当中难以实现的配方设计、海洋防污性能检测、工厂实训部分可通过虚拟实验完成，虚拟实验当中设计出的涂料配方又可在实验室操作中得以验证，真正做到了“虚实结合、以虚补实”。
（一）混合式教学设计
根据“涂料化学与工艺学实验”教学大纲要求，实验课程分为三个层次，第一次是基础实验操作与实验室性能检测，第二层次是工业实操与性能检测，第三层次是与科研相关的拓展性、创新性实验。在混合式教学当中第一个层次在线下实验室教学中完成，第二、三个层次需通过虚拟仿真实验资源的持续更新和拓展实现，结合以上三个层次让混合式教学实现良性可持续发展，如图4所示。
（二）混合式教学实践
自“涂料化学与工艺学”混合式教学开展以来，共有450余名学生完成了该虚拟仿真实验，虚实结合的教学方式深受学生喜爱。学生通过虚拟仿真线上教学开阔了视野，对接了实际生产，并接触到科研前沿，增强了专业自信和自豪感。部分学生拓展了实验内容，在国家级和省级大创项目中获得不俗成绩，在中国“互联网 ”大学生创新创业大赛广西赛区选拔赛，获得金奖3项、银奖6项、铜奖3项，在第四届中国“互联网 ”大学生创新创业大赛全国赛中获得铜奖1项。与此同时，“海洋防污涂料生产及性能检测虚拟仿真实验”获批广西壮族自治区虚拟仿真项目，“涂料化学与工艺学实验”课程被评为南宁师范大学一流课程，广西壮族自治区一流课程。
三、结语
基于虚拟仿真实验下的“涂料化学与工艺学实验”混合式教学，以学生为中心，基于成果导向的教育模式（OBE），解决了单纯线下教学的短板，使学生在专业学习的过程中提高了动手能力、获得了实训机会、拓宽了思路、提高了主观能动性、增强了团队合作意识，在教学平台的反馈当中得到了一致好评，切实提高了学习效率和学习成绩。
参考文献
[1]中华人民共和国教育部.教育部关于一流本科课程建设的实施意见[教高〔2019〕8号].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/ 201910/t20191031_406269.html.2019-10-24.
[2]中共中央办公厅、国务院办公厅.加快推进教育现代化实施方案（2018—2022年）.https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1626331028578067281
[关键词]虚拟仿真;混合式教学;海洋防污涂料;教学设计
[基金项目]2018年度南宁师范大学教改项目“校企合作模式下地方高校应用化学专业课程体系的构建与实践研究”（2018JGXO11）
[作者简介]李媛媛（1980—），女，黑龙江齐齐哈尔人，博士，南宁师范大学化学与材料学院讲师，主要从事颜料制备与改性、涂料与涂层研究;刘乐平（1980—），男，湖南邵阳人，博士，南宁师范大学化学与材料学院高级工程师，硕士生导师，主要从事碱激发材料的基础理论与应用研究;陈泉志（1986—），男，广西北流人，博士，南宁师范大学化学与材料学院助理研究员，主要从事材料表面处理与防护研究。
[中图分类号] 06-3 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）33-0213-03 [收稿日期] 2020-04-04
引言
根据《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》（教高〔2019〕8号）的精神，从2019年到2021年将认定万门左右国家级一流本科课程，其中6000门左右为线上线下混合式课程，1500门左右为虚拟仿真实验教学课程，1000门左右为国家级社会实践一流课程，这是教育改革不断深入的硕果展示，也是未来教育改革的发展方向[1]。
本着在高校培育建设基础上，注重创新型、复合型、应用型人才培养课程建设的指导思想，涂料化学与工艺学实验课程也进行了混合式教学模式的探索与实践。在该门课传统的实验教学当中，为了学生能在有限的时间和空间内安全完成实验，教师在实验内容的设计上艰难取舍，涂料行业的发展一日千里，涂料种类众多，而学生的实验操作内容却相对滞后、单一。此外，涂料配方设计实验一直为本科教学的难题，主要原因在于涂料配方涉及的系列试剂、树脂、助剂等品类多、难储存、价格昂贵、部分试剂受专利限制难以采购，此外，涂料配方设计实验不可逆、部分关键性能测试周期长并且无法在实验室环境下完成。
鉴于以上实验教学难题，按照“虚实结合、以虚补实”的原则，结合“高阶性、创新性、挑战度”（“两性一度”）的教学设计标准，课程中将涂料行业的热点“海洋防污涂料的工业生产与性能检测”开发为虚拟仿真实验单元。学生在沉浸式的虚拟实验环境中漫游并进行配方设计、涂料生产及检测，在如同游戏闯关般的任务驱动下不知不觉完成实验，提升了学习兴趣，学生接受度高，学习效果良好。
一、虚拟仿真实验教学
《中国教育现代化2035》的目标与任务是到2035年总体实现教育现代化，迈入教育强国行列，推动我国成为学习大国、人力资源强国和人才强国，而“智能教育”将是教育现代化的关键特征[2]。中共中央办公厅、国务院办公厅印发《加快推进教育现代化实施方案（2018—2022年）》，文件中就虚拟仿真实验教学项目的建设给出意见和建议，着力解决真实实验条件不具备或实际运行困难，涉及高危或极端环境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型综合训练等问题，并希望以此大力推进教育信息化，着力构建基于信息技术的新型教育教学模式、教育服务供给方式以及教育治理新模式[3-5]。在抗击新型冠状病毒的当下，国家虚拟仿真实验教学项目共享平台（实验空间）全天候开放，免费提供2000余门虚拟仿真实验课程资源，并提供在线实验教学支撑和教学考核管理，解决了高校实验课程的难题。由此可见，教育信息化不仅是教育改革的大方向，更是特殊时期应对教育难题的一把利剑。
（一）涂料化學与工艺学采用虚拟仿真教学的必要性
如上文所述，涂料配方设计一直是本科教学难题。与此同时，以海洋防污涂料生产及性能检测实验内容为例，其实验教学面临着以下难点：
第一，环境限制。评价海洋防污涂料性能优劣的几项重要测试，例如海洋涂料旋转冲刷测试以及防海洋生物污染测试，根据国家相关行业标准需在浅海区进行实海挂板实验。
第二，试验周期限制。海洋防污涂料的海洋挂板防污性能测试周期1—5年，旋转冲刷的最短周期为200小时，盐雾测试的最短周期为1个月。
第三，实验原材料限制。涂料的组分多种多样，药品库难以涵盖全部试剂（部分试剂受专利保护，市面上难以购买），其中部分危险化学品的保存亦存在安全隐患。
第四，不可逆性。涂料从配方设计到实验验证的周期长（数天—几个月），且该过程不可逆，每次配方调整都需要进行大量的重复性实验。
（二）虚拟仿真实验教学设计
实验设计上本着以学生为中心的教学理念，让学生在漫游环境中学习，并以问题驱动、交互练习、分组合作等学习方法展开，最后通过反思与评价巩固、提升学习效果。具体实验教学内容设计如下：
1.沉浸式环境漫游。学生在虚拟的涂料工厂进行漫游，直观形象、立体生动地体验、感知与领略涂料车间物理环境的空间布局和结构，掌握仪器、设备设施的配备规范，学习仪器设备的操作方法;实海检测模块，学生漫游海岛检测站并乘船出海，在虚拟浮筏上进行挂板操作。
2.问题驱动式学习。实验过程中，教师设置问题闯关，学生正确回答问题才能进入下一步操作，在此过程中学生通过查阅资料，回顾前学知识进行作答，从而巩固旧知，学习新知。
3.交互式练习。系统设置有错误提示、正确操作提示和自动评价的功能，学生在进行虚拟实验操作时通过人机交互的方式，实现边操作、边学习、边调整，错误和不足之处及时得到改正和补充。
4.合作探究式学习。在涂料配方的设计和生产环节，学生分小组完成教师布置的任务需要团队合作，分析问题并解决问题。 5.反思式評价。虚拟仿真平台能够自动生成可追溯实验过程的记录，便于学生及时了解与掌握学习的进程，进行自我纠错与反思。
实验操作结束后，系统会自动生成实验报告，通过在线或下载填写实验报告，学生可以反思自己的全部操作，并针对自己对知识点的掌握的情况做出评价，学生也可以根据评价结果和兴趣，反复进行虚拟仿真实验，进而提高学习效果。
（三）虚拟仿真资源开发
在虚拟仿真实验建设当中，教师进行实地考察和脚本设计，选取实际工业生产、海洋涂料旋转冲刷测试、浅海挂板防生物污损测试、盐雾腐蚀测试等场景，软件工程师采用Unity3D、3D Studio Max、Maya、Visual Studio等软件，综合应用多媒体、三维建模、人机交互、虚拟现实、实时反馈游戏互动机制等技术，构建了海洋防污涂料从配方设计、工业生产到性能检测的全过程虚拟现实场景。主要场景个别画面如图1—图3所示。
二、基于虚拟仿真实验的混合式教学模式
在涂料化学与工艺学实验授课过程中，实验室教学当中难以实现的配方设计、海洋防污性能检测、工厂实训部分可通过虚拟实验完成，虚拟实验当中设计出的涂料配方又可在实验室操作中得以验证，真正做到了“虚实结合、以虚补实”。
（一）混合式教学设计
根据“涂料化学与工艺学实验”教学大纲要求，实验课程分为三个层次，第一次是基础实验操作与实验室性能检测，第二层次是工业实操与性能检测，第三层次是与科研相关的拓展性、创新性实验。在混合式教学当中第一个层次在线下实验室教学中完成，第二、三个层次需通过虚拟仿真实验资源的持续更新和拓展实现，结合以上三个层次让混合式教学实现良性可持续发展，如图4所示。
（二）混合式教学实践
自“涂料化学与工艺学”混合式教学开展以来，共有450余名学生完成了该虚拟仿真实验，虚实结合的教学方式深受学生喜爱。学生通过虚拟仿真线上教学开阔了视野，对接了实际生产，并接触到科研前沿，增强了专业自信和自豪感。部分学生拓展了实验内容，在国家级和省级大创项目中获得不俗成绩，在中国“互联网 ”大学生创新创业大赛广西赛区选拔赛，获得金奖3项、银奖6项、铜奖3项，在第四届中国“互联网 ”大学生创新创业大赛全国赛中获得铜奖1项。与此同时，“海洋防污涂料生产及性能检测虚拟仿真实验”获批广西壮族自治区虚拟仿真项目，“涂料化学与工艺学实验”课程被评为南宁师范大学一流课程，广西壮族自治区一流课程。
三、结语
基于虚拟仿真实验下的“涂料化学与工艺学实验”混合式教学，以学生为中心，基于成果导向的教育模式（OBE），解决了单纯线下教学的短板，使学生在专业学习的过程中提高了动手能力、获得了实训机会、拓宽了思路、提高了主观能动性、增强了团队合作意识，在教学平台的反馈当中得到了一致好评，切实提高了学习效率和学习成绩。
参考文献
[1]中华人民共和国教育部.教育部关于一流本科课程建设的实施意见[教高〔2019〕8号].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/ 201910/t20191031_406269.html.2019-10-24.
[2]中共中央办公厅、国务院办公厅.加快推进教育现代化实施方案（2018—2022年）.https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1626331028578067281