【论文选刊】郭丰 孙厚涛 郑春辉 杨清香：基于实验图谱的虚拟仿真实验建设与评价初探

作者简介：郭丰，哈尔滨工业大学机电工程学院高级工程师，工学博士；孙厚涛、郑春辉，哈尔滨工业大学机电工程学院高级工程师；杨清香，哈尔滨工业大学机电工程学院教授级高级工程师，工学博士。

基金项目：2021年度黑龙江省高等教育教学改革研究项目（一般研究项目）“基于大数据的机电类虚拟仿真实验教学平台建设与课程分析方法研究”（SJGY20210258）；2022年度黑龙江省高等教育教学改革研究项目（一般研究项目）“‘三位一体’人才培养理念下数字技术深度融合的机械基础实验类课程救学改革与实践研究”（SJGY20220020）；2022年度黑龙江省高等教育教学改革研究项目（一般研究项目）“面向新工科的机构创新设计综合实验平台建设与研究”（SJGY20220023）

原文刊载于《高等工程教育研究》2024年第五期76-82页。

一、引言

党的二十大报告提出，“坚持为党育人、为国育才，全面提高人才自主培养质量，着力造就拔尖创新人才，聚天下英才而用之”。创新能力是创新人才的核心竞争力，要求具备高水平实践能力和动手能力，能够将理论知识转化为实践成果，推动科技进步和社会发展。实验是创新能力培养过程的重要的环节。^[1] 目前，常见的实验教学问题主要包括师资知识更新延迟、实验课程内涵乏味、实验时间安排欠妥、实验评估标准失效等。随着新技术的不断发展，利用人工智能支持教育教学活动是未来教育发展的重要方向。

虚拟仿真是一种先进的以高性能计算机系统为支撑平台的计算机仿真技术，将虚拟仿真应用于实践教学对解决实验教学过程中的“高投入、高难度、高风险，难实施、难观摩、难再现”等难点与痛点问题具有重要意义。虚拟仿真实验旨在推动高校积极探索线上线下教学相结合，个性化、智能化、泛在化的实验教学新模式^[2]，支持利用高度仿真的虚拟实验环境和实验对象来模拟实验开展的全过程。知识图谱是人工智能应用的重要工具，为智能化在教育实践中的应用提供了重要数据和技术支撑。将知识图谱应用于教育领域逐步成为教学发展的新趋势^[3-5]，逐渐衍生了不同内涵的知识图谱，如交互事理图谱^[6]和实验能力图谱^[7]等。交互事理图谱融合了知识与事理逻辑，有助于教学复盘与教学改进；实验能力图谱主要用于描述学生应具备的实验能力及其影响因素，为提高学生实验能力水平提供了参考框架与工具。为了发挥虚拟仿真实验与知识图谱的融合优势，提高学生在实验教学中的主动性与独立性，本文在知识图谱的基础上叠加其他功能表述，提出了实验图谱的概念，并应用于虚拟仿真实验，支持开展实验教学的定制化建设与评价方法探索。

二、实验图谱的内涵研究

（一）实验图谱的概念分析

实验图谱是以知识图谱为基础的，一种服务于实验教学活动的知识模型。实验图谱与知识图谱在技术结构方面高度相似，由实验实体（即知识图谱中的实体）与实验关系（即知识图谱中的关系）构成。实验实体是在实验教学过程中的具体实践或实例与抽象知识概念，实验关系是上述实例与概念之间的联接关系。

实验图谱具有多尺度特征，宏观尺度涵盖了实验体系、实验课程与实验项目，表达了三者之间的拓扑关系。以“机械基础实验”实验体系为例，实验实体表示的是课程或项目的名称，如“机械基础实验（机械设计）”表示1门独立实验课程，且隶属于机械基础实验（体系），“轴系部件设计与分析实验”表示1个实验项目，且隶属于“机械基础实验（机械设计）”，宏观尺度下的机械基础实验图谱中实验课程与实验项目的拓扑关系如图1所示。

图 1  机械基础实验图谱实验课程与项目的拓扑关系

在微观尺度下，实验图谱关注的是具体的实验课程与实验项目。以某个实验项目为例，实验图谱由6个功能表述组成：画像聚类、能力牵引、方案比较、过程指导、结论推送与评价生成。实验图谱的功能模板如图2所示。

图 2  实验图谱的功能模板

（1）画像聚类。建立学生潜力的分类标准，通过实验前学生划类，分析学生接受新知识的行为习惯与情绪导向，支持教学活动中的精准施教。

（2）能力牵引。建立实验能力培养目标，明确实验项目需要培养的基础能力与创新能力，定位关键实验知识与操作技能。

（3）方案比较。建立实验方案基础模板，定义实验方案差异化分析标准，以方案实用性与创新性为导向，支持实验方案线上线下自主评价。

（4）过程指导。建立实验指导知识库，融贯理论性知识与实践性知识，以解决实际问题为宗旨，提升学生设计思考能力与动手实操能力。

（5）结论推送。建立结论触发条件库，提供基于特定实验操作步骤的实验知识推送关键词，支持实验过程中推送与实验完毕后推送。

（6）评价生成。建立实验过程评价标准，结合人工智能技术自主分析学生掌握实验知识的薄弱环节，支持实验完毕后的评价自动生成。

实验图谱将实验过程中的知识组织成结构化的系统，具有描述实验能力、实验方案、实验过程、实验结论与实验评价的综合效用。每个功能描述以知识为基本单元，通过包含实验实体与实验关系的三元组进行表达。三元组的形态为[实验实体；实验关系；实验实体］，如在“轴系部件设计与分析实验”的过程指导表述中，三元组[直齿轮；连接；主轴］表示直齿轮与主轴之间的关系为连接。

（二）实验图谱的架构分析

实验图谱的构建目标是支持学生实践能力素质的提升，因此架构设计综合考虑了新时代的创新人才培养目标。实验图谱由3层架构，分别为：理论层、实践层与创新层，如图3所示。

图 3  实验图谱的架构

（1）理论层以课内理论知识为基础，适当扩展到课外，包括课程级理论知识（与实验操作深度耦合）、跨学科理论知识（与跨学科思维深度融合）和前沿性理论知识（与先进领域持续碰撞）。

（2）实践层以实验活动为基础，突出实验知识的实用性，强调实验过程的体验性，以个人体验性知识^[8]为基础，辅之集体体验性知识，强化动手能力在实验教学过程中的地位。

（3）创新层以新应用知识为主，集成新方法知识，统筹实用思维与发散思维，支持学生打破传统旧例，尝试提出新的思想、理论、技术、方法等，尽量对接科技竞赛，达到创新创业训练目的。

由上可知，实验图谱以实验课程为基础，能够在课程本体而非课程体系层面打通“理论-实践-创新”的新时代创新人才培养路径。

（三）实验图谱的开放性研究

实验图谱的构建过程是一个不断迭代优化的过程，需要紧跟时代并探索前沿，保持一定的开放性。实验图谱的开放性主要包括资源类型开放性、构建途径开放性，以及使用通道开放性。

资源类型开放性将实验过程中所需实验知识作为资源类型核心。实验知识通常包括结构化知识、非结构化知识以及半结构化知识，能够覆盖文本、视频、音频等，一般通过接口的方式联结在实验图谱的功能描述中。丰富的实验图谱资源类型有助于实验指导教师梳理实验教学知识体系，明确知识点之间的关联关系和层次关系，便于设计出更加科学、系统的实验教学方案。

构建途径开放性将实验知识的丰富来源作为图谱内容的基础。实验图谱需要不断丰富和完善，构建过程往往以实验指导教师为主体，或依托虚拟教研室等第三方平台，集合高端师资的知识储备与技能储备，提高实验图谱可检验性与可实践性。通过交流与分享，教师之间相互学习启发，促进实验图谱实用效果的提升。

使用通道开放性将学生群体的实验体验作为实验图谱质量评价的重要指标。实验图谱能够为实验教学提供互动基础，支持指导教师利用知识图谱与学生交流和讨论，掌握学生的学习情况，便于及时提供指导和帮助。为保证实验图谱评价一致性，一般需接受第三方实验平台的应用与反馈。

实验图谱本质上是垂直于实验教学领域的知识图谱，合理的实验图谱设计将支持学生高质量自主完成实验。随着实验教学向综合性实验与设计性实验转化，基于人工智能技术并依托虚拟仿真实验平台建设的实验能够保证内容的前沿性与先进性，保障实验环节的顺利开展。为了便于理解实验图谱，本文提供了依托“轴系部件设计与分析实验”虚拟仿真实验构建的实验图谱，如图4所示，其中实心圆形与空心圆形图标标注的是概念，菱形图标标注的是知识实例，二者都是实验实体；方向箭头实线表示包含关系（如润滑方式包含油润滑与脂润滑），方向箭头虚线表示使用关系等（如油润滑使用橡胶圈密封）；空心圆形标注的概念表示该概念包括若干子概念或知识实例（由于篇幅关系不再展开细节）。

图 4  “轴系部件设计与分析实验”虚拟仿真实验的实验图谱

三、面向实验图谱的虚拟仿真定制化实验教学

（一）定制化实验教学的理论依据

定制化教学是一种以教学大纲为基础，考虑学生群体特征，融入定制化教学元素或教学内容的教学方法，目标是实现精准施教。进入人工智能时代后，利用“互联网+”与人工智能技术能够实现更加便捷的定制化教学。如谢幼如等^[9]认为个性定制化课堂将借助教育大数据、量化自我、学习分析等智能技术构建学生模型，对标学习目标定制个人专属学习方案。如吴玉杰^[10]提出了进行基于互联网资源整合的高校定制化教学模式，探索了定制化教学系统设计与可行性的工具策略。将定制化教学与实验教学融合后，便形成了定制化实验教学。定制化实验教学的研究主要依托的三方面理论如下：

（1）个性化教育理论。该理论强调学生学习过程的个体差异性。个性化教育是一个复杂的系统工程，制度的制定要平衡共性发展和个性发展、学习自主选择权和规范管理之间的关系。^[11] 因此，实验教学过程需要满足差异化实验需求。

（2）建构主义学习理论。该理论认为知识需要在具体情境中习得和应用，并通过学习者互动获得对知识的深层次建构和理解。“互联网+”时代的混合式学习是建构主义的典型实践^[12]，由此得到启发：在实验教学过程中定制适合的学习情境对提升知识掌握能力具有重要价值。

（3）多元智能理论。该理论认为应为学生提供发展的多元途径，以此实现对知识的真正理解。在考虑学生个体差异性的基础上，建立以学生个体为中心的、智能本位的质性评估^[13]，对学生潜能的发展有重要促进作用。若能结合学生群体特征来拓展优化评估体系，则能进一步够提高学生在实验教学环节中的主动性。

（二）面向学质画像的虚拟仿真定制化教学

个性化教学是通过个性化教学手段满足学生个性化学习，并促进个体人格健康发展的教学活动。^[14] 为清晰勾勒学生的个性化学习特征，提取学生的一般特征、心理特征、初始技能、学习风格等基础数据，设定合理的数据边界，采用聚类分析等科学方法对数据进行研究，能够实现针对学生学习潜力的类别归纳，构建学生群体画像。在学生群体画像中体现的学习潜力在本文中被定义为学质。由于学质是通过画像技术进行表达的，因此描述学习潜力的学生群体画像在本文中被定义为学质画像。学质画像描述的不是某个具体学生的学习特征，而是具有相似关系的同类学生的学习特征。典型的学质画像形成过程如图5所示。

图 5  学质画像形成过程

将学质画像与虚拟仿真实验教学项目融合，以“互联网+”与人工智能技术为支撑，以学质画像为导向，以虚拟仿真实验为实验本体，在虚拟仿真实验设计过程中体现实验内容的模块化、单元化与可替换性，凸显实验内容的情境化差异。通过对实验内容、实验过程与实验方法的优化组合，支持实验自主推荐或学生自主选择，逐步形成面向学质画像的虚拟仿真定制化实验教学模式。本质上，该教学模式是一种平衡策略，在个性化学习与群体性学习之间建立的平衡点，对于实验教学过程中的因材施教与效率提升有重要意义。

（三）融合实验图谱的定制化实验学习方案推送

融合实验图谱的高质量学质画像，挖掘学生的学习动机、学习策略、学习情绪、学习过程与合作交流特征，有助于构建具有针对性的学习者模型。通过衔接实体实验与虚拟仿真实验，在实验内容模块化与单元化的基础上，形成离散化、阶段化的实验方案选择集，建立合理的实验方案构建模型，支持多实验方案优选。

当学习者模型与实验方案构建模型构建完毕后，在虚拟仿真实验中计算学习者特征，关联实验方案构建模型，建立合理多模态定制化实验学习方案，支持实验前、实验中与实验后的自主学习行为。实验学习方案富含文字、视频、音频的多模态信息，通过知识推送引擎及时推送至学习端，有助于学生多维度、多层次的理解掌握实验内容。定制化实验学习方案推送模型构建如图6所示。

图 6  定制化实验学习方案推送模型构建

（四）构建自适应教学模式的定制化全时段学习

自适应是指系统可根据环境和条件变化，自动调整自身行为和性能，以最优方式适应新环境的模式。基于自适应模式，李秀坤等^[15]提出了自适应任务驱动实验教学模式，使得教学设计能够依据学生理论基础、兴趣和学生实时状态进行动态调整，以达到向最优教学逼近的目的。自适应实验教学的本质是实验教学内容与实验教学参与者（即学生）的适配，是因材施教的一条实现路径。

虚拟仿真实验教学中的自适应包括实验内容自适应与实验时间自适应。实验内容自适应依赖于实验图谱、学质画像以及自适应任务驱动实验教学模式。通过实验反馈分析学生掌握实验知识的潜在薄弱点，重点强化对应实验内容的学习。利用线上实验资源优势，合理评估不同实验知识学习所需时间，结合MOOC、SPOC等多元化教学方式，基于学生主观能动性完成实验时间的自适应安排，实现利用最优时间完成高质量学习的目的。实验时间自适应能够规避在规定时间内开展实验的硬性要求，实现定制化全时段学习，提高学习时间的灵活性。

四、面向实验图谱的虚拟仿真实验评价方法

（一）基于阶段行为的虚拟仿真实验目标达成度

课程目标达成度考查学生是否达到预期学习目标，用于评价课程目标达成度的数据主要来源于作业、测验、考试、观察及自我评价等，评价对象往往是全体学生。实验教学往往以实验观察与实验报告作为目标达成度计算的数据来源，但达成度的细分力度尚不完善，杨启超等^[16]针对线上开展实验课开展了基于阶段性目标达成的实验教学改革探索，通过阶段性目标达成提升了学生的获得感。虚拟仿真实验具有天然的全阶段监控优势，在实验图谱的过程指导功能描述完成实验阶段的定义后，通过对学生自主选择的实验阶段进行处理，精确提取实验阶段中的行为数据，支持基于阶段行为的虚拟仿真实验目标达成度计算。

一般情况下，目标达成度计算过程未考虑不同目标达成点的关联联系，且达成点权重是离散的。虚拟仿真实验达成度综合考虑达成点权重的动态变化，将实验阶段行为的因果关系（某种关联关系或分布关系）代入计算，综合评估实验完成时间与实验完成质量，鼓励学生又快又好的完成实验。综上，基于阶段行为的虚拟仿真实验目标达成度计算公式形如式（1）所示。

其中：ω_o，ω_t分别代表阶段行为达成度总权重，阶段时间达成度总权重；O_i、T_i代表第i个阶段完成后的行为达成度分数与时间达成度分数；u_i(o)、v_i(t)为服从某种关联关系或分布关系的阶段行为或阶段时间权重，体现的是因果关系。

（二）基于实验图谱的多层次实验评价指标

由实验图谱的功能描述及图4的案例可知，评价生成是实验图谱的重要功能，且评价类别主要覆盖三方面：实验理论评价、实验操作评价与实验创新评价。

实验理论评价包括知识预习情况的评价、查新能力的评价；实验操作评价主要针对实验操作规范性、实验操作准确性、实验操作熟练度、实验安全意识与实验态度等的评价；实验创新评价则关注实验设计的创新性、实验方法的创新性、实验结果的创新性和实验应用的创新性。针对上述三个方面，虚拟仿真实验建立需要建立多层次实验评价指标，评价指标结构如图7所示。

图 7  多层次实验评价指标

针对实验理论知识的评价主要通过课前或课间的调查问卷完成；针对实验操作的评价主要通过教师观察、系统分析与提问交流等方式完成；针对实验创新的评价主要通过指导教师评审、实验同学评议等方式，对于明显高于平均水平的成果，还需引入学术评价机制。综上，通过多层次评价指标的构建与实施，能够对实验过程进行更加丰富的考察，实现对学生参与虚拟仿真实验教学环节情况的立体化评价。

（三）基于实验图谱的创新能力评价方法

培养大学生创新能力是新时代育人体系的重要目标，李彦龙等^[17]认为目前大学生创新能力培养存在的问题主要体现在：缺乏创新思维、缺乏团队协作意识，以及创新训练与教学过程结合不够紧密等问题。因此，需要合理的创新能力评价来解决问题。实验图谱支持实验创新能力的评价。由实验图谱的架构可知，创新层中包括新应用与新方法，牵引学生能够通过相应实验提升创新能力。虚拟仿真实验通过营造积极的实验情境，在保证开放性的技术支持下，鼓励对学生的自由发挥与独特想法进行定性互评或盲评，引导学生的团队协作意识。在实验图谱中明确可对接的创新实验课、创新实践课以及创新创业课，鼓励学生在虚拟仿真实验教学过程中进行探索，利用对接课程的教学效果评价体系间接评价本实验，提高解决实际应用问题的创新能力。在定性互评或盲评的过程中，主要围绕学生在虚拟仿真实验中体现的新应用、新方法（实验图谱为引导）、新思考、新成果等，采用开放问卷方式完成并接受质疑讨论。

五、虚拟仿真实验建设未来探索

（一）生成式人工智能在虚拟仿真实验的应用

生成式人工智能（GAI）是利用复杂的算法、模型和规则，在大规模数据上完成训练与学习后，能够创造新原创内容的人工智能技术，国外代表性产品包括OpenAI推出的ChatGPT与Sora等，国内代表性产品包括百度推出的文心一言与科大讯飞推出的讯飞星火等。GAI依据合适的引导词输入创造文本、图片、声音、视频等多种类型的原创内容。

在虚拟仿真实验未来建设中，可以利用GAI参与虚拟仿真数字空间的实验环境、实验对象，甚至实验操作的高仿真度生成，为学生提供高于传统虚拟仿真实验的真实感与体验感；在GAI的协作下，学生可以快速实现实验任务定位、实验任务拆解等，提高虚拟仿真实验的学习效率；通过与数字空间中的虚拟角色进行实时对话，使实验过程更加生动、有趣，提高学习兴趣度和参与度，支持更便捷的获取实验知识。但是，GAI在实验教学中也存在风险，如生成性信息污染争议与生成性价值观投射争议等^[18]，需要后来者继续研究。

（二）孪生实验模式对虚拟仿真实验的优化

孪生实验^[19]是一种基于虚拟现实技术与数字孪生技术构建的，介于传动虚拟仿真实验与数字孪生镜像空间的新型实验形态。孪生实验对于实验过程中的行为具有较强的控制能力，体现为基于实体实验行为的数字化孪生。

通过抽离实验图谱中的过程指导功能描述，能够比较过程指导中的实验行为与孪生实验模式提取的实验行为所存在的差异性。在追踪差异性的基础上构建面向学质画像的实验操作线、面向学生个体的实验操作线，建立上述操作线与标准实验操作基线的偏离度计算方法，支持清晰定位知识欠缺环节。基于孪生实验模式构建的标准操作基线能够支持学质分类标准的完善，支持实验图谱的完善，支持虚拟仿真实验设计的优化。

（三）元宇宙视域下虚拟仿真实验的发展

元宇宙（Metaverse）构建了一个由多虚拟空间构成的虚幻世界，支持不同的用户、组织或企业创建和管理，将元宇宙与教育结合则形成了教育元宇宙雏形。教育元宇宙既承接了虚拟现实、人工智能等技术优势，又适应了数字孪生、全息技术等新型技术的发展趋势，呈现出沉浸式学习体验、高度技术融合和趣味化等显著特征。^[20]

在元宇宙视域下，虚拟仿真实验能够为学生打造具身形态，允许学生以具身形态参与到实验教学环节中。通过尝试打通不同虚拟仿真实验的数字空间壁垒，采用脑机接口等超前技术，使得具身形象贯穿于学科内外所有相关实验。不断探索培养学生在具身形态下主动获取信息的能力，助力学生创新精神品质养成。

六、结束语

实验图谱是知识图谱在虚拟仿真实验教学中的典型应用，支持虚拟仿真实验的定制化教学。实验图谱对于虚拟仿真实验评价具有参考意义，能够促进实验教学效果的提升。哈尔滨工业大学机电工程学院高端装备制造国家级虚拟仿真实验教学中心将实验图谱应用于机械基础实验教学中，初步通过了实践检验，为探索机械工程一流本科人才的实践育人体系完善提供了借鉴。

责任编辑：黄小青

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