理论课程首要的任务就是要讲清科学概念的内在逻辑以及科学原理的产生、演进的学理性过程。因此理论课程往往需要讲授一门科学中最基本、最重要同时有可能是最抽象、最艰深的知识体系。如果授课教师采取照本宣科的讲授式教学，即便辅之以实物、图片、多媒体课件的展示，往往也很难达到教学的要求和预期的效果。

针对理论课程的教学效果调查显示：当代学生对理论课程评价普遍不高，认为听课不如自己看书的占13%；认为有收获但很浪费时间的占比高达76%。究其原因无非是：一方面教师的教学投入不够，大部分只是参考了几本理论教材，简单消化后结合自己的体会就走上了讲台，没有从学生的角度思考教育教学的方式方法；另一方面随着网络课程资源的丰富，学生获取知识的途径广泛，加上大学生有一定的自学能力，所以眼高手低地认为理论学习自己无需听讲也可学会，上课无非是为了刷学分。然而通过对研究生新生的多年持续调研发现：新生的理论知识薄弱程度达到了触目惊心的地步，对基本的概念、原理处于肤浅的了解层面，对其内涵和学科逻辑架构的理解几乎全是茫然，更谈不上运用基础理论解决实际问题的思维能力了。试想如此的学生怎能从事高度创造性的科研创新？因此加强理论课程的学习是本科教学不得不高度重视的问题。

实践证明：在理论课程中引入虚拟仿真技术，对提升教学效果具有得天独厚无可替代的作用。

以往的理论课程中含有大量基本概念、原理的教学课时，教师讲授费时费力，学生却昏昏欲睡，不得要领。有些概念原理过于抽象，教师即便结合实例讲解，但由于实例的描述时间过长，又会冲淡教学的效果。实践证明在理论课程中应用三维仿真技术，利用其直观的视觉优势，能将抽象的概念形象化，静态的事物动态化，全方位精确展示结构功能，能够大大节约基础概念原理的讲授课时^[7]。例如在阐述“花药的发育过程”的理论课中，即便教师采取实物展示，辅之以精美照片，也很难讲清楚花药的发育过程，理论课变成了拖沓冗长的背书过程，师生都很疲倦，教学效果可想而知。如果采取三维仿真技术，模拟出花药的动态发育过程，教师只需辅之以精辟的旁白，学生对知识的理解和接受程度也会大大的提高，一时不理解的，课后还能借助其进行复习领悟。

采取虚拟仿真技术而节约的课时，教师就可以布置学生思考和研究基础理论在实际中应用，然后安排研讨课展示和评价学生的研究成果，实现师生的思维碰撞。从而彻底地改变以教师为主导，语言阐述为主要方式的旧有教学模式，形成新型的以学生为主体，面向问题研讨的教学模式。通过边学习、理解边应用、研讨，师生共同建构知识体系，这样的课堂不仅能吸引学生，使其全身心地投入到课堂学习之中，也能有效地减轻学生的认知负担，达成教学目标。

对于理论课程中涉及不可见的微观层面或不可及的宏观层面的知识，学生在学习过程中容易陷入没有真实体验的死记硬背或者只见树木不见森林的局面。讲授时采取虚拟仿真技术，将其细节、关键点构建出来，突出理论的本质特征，将复杂的理论知识具体形象化，建立可视的认知模型，能很好地辅助理论课程的讲授，有助于学生的理解和掌握。从而变教学的难点为教学的闪光点，构建成学生喜爱的理论课堂。

例如：动植物的组织器官结构和功能理论教学中，以往的教学是结合解剖图片或者实体解剖展示进行讲解，但是实体解剖时微小器官难以清晰观察甚至根本不能观察，幼嫩器官组织解剖时容易损伤，血液循环途径和气体交换等动态过程无从观察^[8-9]。一直以来都是教学的难点，教师讲起来云山雾罩，学生听起来似懂非懂。如果教学中运用逼真的三维仿真动画，就可清晰地展示教学所需的全部过程，教学的重点难点还能进行局部放大，动态展示，借助教学技术的改善，可以轻松克服教学的难点，提升教学效果。

由于现在的分科教学模式，一门科学往往被割裂成多个单课程进行传授，学生往往学完后没有机会整合思考，再加上学科理论体系缜密，知识点间关系脉络复杂，初学者也不具备整合全学科知识的能力，因此也谈不上运用多学科知识解决实际问题了。如果在理论课程中建设公用的大型虚拟仿真平台，多学科教学基于同一平台，必将有利于学生学科知识的整合和领悟，实现知识技能的顺利迁移和应用，从而提高学生的科研素质，养成其实践创新能力。

例如：建设基于现实农场的虚拟仿真平台，就可以整合“作物育种学”“作物栽培学”“作物生理学”“设施农业”“农业生态”“农业系统工程”等等相关的学科知识，对于每个课程的教师来说只用了平台的一部分功能辅助教学，对于学生由于是基于同一平台进行学习，就能极其顺利地整合作物学相关的多学科知识，建立起完善的知识结构，并能在仿真平台上构建不同参数，实施不同模拟方案，反复操作感悟，加深理解。

目前高校的大多数实验教学流程是：教师讲解演示、学生模仿验证。漠视学生的主体地位，不顾及其个体差异，不能有针对性地进行创造性思维和能力的培养。随着虚拟仿真技术引入教学中，许多一线教师意识到虚拟仿真实验对改进实验教学的现状具有得天独厚的作用。近几年的研究文献以“虚实结合”、“能实不虚”、“以虚促实”为论述基调，对虚拟实验的作用阐述集中在真实实验不具备或难以完成的教学功能：比如涉及高危或极端的环境，不可及或不可逆的操作，高成本、高能耗，大型或综合训练等方面^[10-14]。很少涉及虚拟仿真实验对大学实验课程结构的改善作用。随着深入的考察和思考，我们认为虚拟仿真实验在实验课程重构中至少还存在以下几方面的功用：

实验课程中存在大量的没有智力价值，只停留在流程化操作的验证性实验内容，虽然这些都是实验技能技巧的实训内容，但是由于其只是基础性的，不能起到对实验主体的智力开发和提升的作用，而且这些实验内容在以后的创新型、综合性实验中均有涉及，容易造成课时的重复浪费。比如植物生产实验中的移液枪、灭菌锅、振荡器等的使用。如果利用虚拟实验平台的仿真度高、便于自学操作、可低成本重复的特征，进行模拟实验，学生也能很好地掌握实验的技能技巧，并且在进行创新型、综合性实验的时侯，对不熟练的操作也可回到虚拟平台进行二次模拟练习。实验教学的主要课时集中在高水平的创新性实验中，师生在创新性问题情境中进行思维碰撞、智力交融，对学生科学素养、科研能力的提升必能起到立竿见影的功效。

教学实践的结果显示，基础性实验教学中借助虚拟实验，学生不仅能很好地掌握实验的技能技巧，也能在综合性实验中有效的迁移和应用，更能节约大量的实验课时。这样在有限的实验教学课时内，就可以嵌入大量基于课题的研究性实验内容，最大程度地发挥实验教学所蕴含的激发智慧、提升育人功能。

对于实验教学中涉及微观的、大型复杂仪器使用的实验，如果采取教师先演示，学生模仿的教学模式，学生无法记忆繁复的实验程序及关键环节，往往课堂效果很差，实验失败率很高，很多动手能力欠佳的学生无法完成既定的实验任务，囿于课时的限制只能草草收场，参考甚至抄袭同伴的实验数据。在精密高值仪器的操作过程中，由于用于教学的数量有限，学生只能采取分组实验的方式，缺乏个体操作的机会，如果操作失误导致仪器的故障，往往很难及时维修，更进一步降低了实验教学的效果^[15]。如何提高实验的成功率，增加操作的完美度，完成既定的教学目标一直是实验教学的难点。

如果在这类实验教学的课前要求学生在虚拟平台上进行预习闯关，合格后再进行真实的实验，就可以很好地保证实验教学的质量。因为虚拟实验可以在课前进行反复多次的闯关练习，有利于学生克服操作失误，仪器损坏，拙于动手的心理障碍，使学生更敢于主动地进行实验操作，利用平台的交互功能还可以不断提示指导学生的操作，能够将原本动手能力差异很大的学生提升到同一层次，教师只需利用平台的反馈模块收集学生操作的基本情况，认清教学的难点，对于共性问题、关键环节进行课堂分析讲解，同时学生课前对实验的整体流程有了很好的认识，教师无需对整个实验进行介绍，可以放手让学生进行实体操作，教师就有了更多的时间精力进行课堂巡查，针对实验能力参差不齐的学生进行面对面的个性化指导。

每门实验课程的设计者往往都会安排一些扩展性实验内容，但实际教学中选做的扩展性实验多半是不会做的实验，究其原因不是因为扩展性实验不重要，而是因为实验的课时、空间受到多方面因素的制约，实施起来困难重重。结果课程设计者寄希望于提高学生科学素养的实验设计，往往停留在课程架构中，无法在实际教学中贯彻和实施。另外科技的发展日新月异，科研仪器的更新换代也极其频繁，教学型实验室很难与时俱进地配备先进的科研仪器，造成学生所学非所用，走上工作科研岗位还需重新学习先进仪器的操作方法，造成时间精力的浪费。

由于虚拟实验平台具有时空无限扩展的可能，实验教学中就可将扩展性实验移植到虚拟平台上，学生结合真实实验的实体体验，在虚拟仿真环境下进行实验操作和实施。甚至还能进一步结合所学的专业知识设计和实践创新型实验内容，从而提高其科研能力。各种新型的科研仪器也能低成本地镶嵌进虚拟仿真平台，让学生了解和操作，开拓学生的视野。这些都非有限的真实实验教学时空所能承载的，可见虚拟实验在深度锻炼学生实验技能，培养其科研素养方面具有无可替代的作用和效能。

本科教学体系中一个重要的环节就是考察实习课，同时也是教学质量最堪忧的课程，既缺乏理论知识的指导，又缺乏实习现场的有效交流互动。更由于季节、天气、作物生长周期、基地生产调整等等诸多不可控因素的影响，很难有效地实现实践教学的目标。大部分时候都是几名教师带领一大队学生走马观花式的沿实习基地浏览一圈，除了车程上的疲倦和漫无目的的茫然，几乎谈不上什么收获。如何提高这类课程的实效，一直是困扰本科教学的一大难点。结合多年的教学实践，尝试了多种改革措施之后，我们认识到建设实习基地的虚拟仿真平台对考察实习课程具有正向的促进作用。

首先，精选了具有代表性的实习基地，采取原地取景，构建实景虚拟仿真门户，要求虚拟平台上的行走路径以及周边的景观、示范苗圃、生产情况等都是按照实习基地实体比例进行排布，力求虚拟情景与实际情景无缝对接，立体切合。其次，结合实习基地的真实情形，提炼整合教育教学素材，大量地配建三维仿真、资料链接、实习提示等内容，让学生在进入基地实习前，运行虚拟仿真平台，通过互动反馈模块就能了解实习基地的整体情况。最后，学生在运行虚拟仿真平台过程中必然会对理论知识的运用、生产实际等方面产生各种问题，教师通过后台运作可以收集这些疑问作为现场讲解的重点，同时学生也可结合虚拟实践的体验，在实地考察时对生产基地的实际运作状况进行深入的了解。

这样的实践课程实施方案相较于以前课前无指导、课中乏讲解、课后无总结的流程式实习考察课，其课堂效率与效果的提升是巨大的，明显的。

同样的道理，虚拟仿真实验平台对综合创新型课程也有很好的促进改良作用。以往的实施办法是学生结合自己的专业知识，参考相关的文献进行综合创新实验的方案设计，由于缺乏预实验环节，等到课题实施阶段往往不断暴露出实验方案的不足之处，几次反复滞钝，很容易滋生受挫畏难的消极情绪，使得可能是很好的创新点子由于不能顺利实施，难以发挥实际的教育价值。借助虚拟仿真平台的扩展性模块，学生可以在平台上事先进行方案的预演，并在过程中不断矫正、修改、完善实验方案，最后定稿成最优方案。然后进行真实的实验，确保了方案的顺利实现，取得与预期相符的成果。

随着本科招生的规模越来越大，“十三五”期间高等教育毛入学率将由“十二五”的36%升高到40%，高等教育已经不可避免地走上大众普及教育的路径^[16]。于是越来越多的抱怨之声出现在了大学的课堂上，教师说扩招进来了大批的缺乏学习兴趣的学生，课堂教学的有效逐年降低，学生说大学教师一成不变的照本宣科，误人子弟。平心而论，大学课堂教学效率低下的现状固然有多方面的成因，但是最主要的一点还是培养一名优秀的知识传授者绝非是一朝一夕的事，随着热心教学的老教师逐渐退出本科课堂，新教师科研压力大，各种不合理的考评制度疲于应付，很难尽心于课堂教学艺术的提高，教学质量的断层滑坡几乎是不可避免的。

自从虚拟仿真技术在大学课堂中广泛运用和实践以来，我们发现利用虚拟仿真技术致力于优质教学资源的建设和积累，以教学资源的标准化建设为基础，推动本科教学过程的高质化，对于改善和提升本科教学质量是一种可行的有效方案。具体的经验和措施介绍如下：

第一，遴选教学的重点难点，采取集体备课形式，集中优势力量，交流研讨最佳的教学流程，并利用虚拟仿真技术，融合集体智慧，固化在虚拟仿真平台上。实现用技术的手段改变教学内容的呈现方式，从而促进学生的学习方式相应的改变，由原来的“接受型学习”改变成主体地位更突出的“探究型学习”，实现大学课堂由“讲授型”模式向师生共同基于虚拟平台的“探究型”模式转变。如此就能彻底地改善教师教学艺术欠佳，学生主体地位丧失的教学现状，大学课堂教学的质量必能得到整体的提高。

第二，从教一生的名师积累了许多宝贵的教学资源，其中尤以教学情境的创设、教学思路的展开最为关键，随着经验丰富的老教师淡出教学一线，如何留存这些难能可贵的资源就显得非常重要。以往的教学管理中主要是注重教学梯队的建设，借助老教师在团队中口传心授教学技艺，由于新教师个体的差异，这种教学艺术的传、帮、带效果往往差强人意。现在我们可以在建设虚拟仿真平台的伊始，就关注名师的教学经验，在名师指导和参与下，将其教学艺术的核心镶嵌到虚拟仿真平台的程序运作之中。这种借助教育技术手段保留固化优质教学资源的方式是最可靠最便捷的，并能被反复提取利用，实践中还能不断修改完善，从而保证了教学水准的稳步提升。

第三，在现今的知识爆炸时代，科学的进步往往是日新月异的，理论课程必需不断吸纳整合最新的科研成果，才能体现科学知识的时代感。如果将最先进的科研成果作为构建虚拟仿真平台的素材，展示科研成果的孕育、实施的最精彩瞬间，累积成为大学教学取之不尽的优秀案例库，不仅能深化学生对理论知识的认识程度，也能在第一时间感受科研一线的成果，形成理论与实际的立体深度融合，有利于课程教学的高质、高效实施。

第四，教学质量的提升还需根植于对学情状态的准确把握上，教师如果闭门造车地思考构建教学流程，预设教学重点和难点，常常是隔靴搔痒、南辕北辙。虚拟仿真技术平台有一个最重要的功能，就是能够实时跟踪记录学生学习的情况，并能统计输出汇总的结果。这样的无一遗漏的学情统计报表，本身就是重要的教学资源，由于其采样是全员的，相较于以前用问卷调查、个体访谈的方式了解学情，更科学更可靠。基于这样的精准学情之上的课堂教学必然更贴合学生的实际需求，更准确地针对学生能力的提高，也就更能吸引学生，让学生学有所获^[17]。

综上所述，我们不难看出虚拟仿真技术在大学课堂的全方位立体介入，不仅能使本科教学的信息化水平得到很大提升，也能促进本科教学质量的稳步提高。当然实践中还需进一步加强虚拟仿真技术与教学的深度融合，以便打磨重建出一种符合现代信息化教学理念的，真正服务于“学生学”的新型本科教学体系。最终促使课堂教学的重心落实到对学生正确思维方式的培养上，实现本科教学由注重知识传授向注重智力培育的教学本义的转变。