構建虛擬實驗系統 推進實驗教學創新

近幾年，隨著高校不斷擴招、實驗教學壓力不斷增加，傳統實驗教學的弊端逐漸顯現出來。首先，傳統的實驗教學主要依賴昂貴的實驗設備，前期投入大、后期維護費用高，實驗開展受時間、空間、人力、物力等條件限制；其次，教師指導難以到位，有限的教師很難在有限的時間內顧及到每個學生，設計性和探究性較強的實驗更是很難開展；最后，教學目標難以落實，目前學生主要依據實驗指導書進行驗證性實驗，有些實驗操作訓練不足，學生動手能力、設計能力和創新能力很難得到提高。

針對傳統實驗教學中存在的成本高、教學方法單一、知識學習和實驗動手操作相互分離、學生缺乏主動性和創造性等問題，北京郵電大學文福安教授提出了開放式虛擬實驗教學系統的解決方案。在國家科技支撐計劃項目的支持下，北京郵電大學和北京潤尼爾網絡科技有限公司通力合作，開發出了能夠配合教學并在網上開展的基于B/S架構的虛擬實驗教學系統，對我國實驗教學的改革具有重要意義。

分工有序 各司其責

虛擬實驗教學系統是一種運用虛擬現實技術模擬現實實驗的計算機教學軟件。它采用多媒體技術在計算機上建立虛擬實驗室環境，提供分立的可自主操作的虛擬實驗儀器，使學生在互聯網上通過接近現實的人機交互界面完成實驗，同時提供網絡實驗教學的一體化管理功能。

文福安介紹說：“虛擬實驗教學系統分為虛擬實驗平臺、虛擬實驗教學管理、輔助教學三個部分，可以支持跨學科的多門課程。通過這個系統，學生既可以動手操作實驗，也可以學習相關理論知識，還能方便地與教師、同學交流。系統對學生的學習過程提供引導、控制、管理和幫助。”

那么，學生在學習中具體是怎樣操作的呢？文福安給我們做了演示。學生點擊某實驗任務，就會出現相應的實驗要求和報告表格。學生可以在器材欄中選擇實驗需要的器材和設備，自己動手連接、調節，使用它們在實驗區進行實驗。文福安比喻說：“虛擬實驗室就像一個沒有圍墻的現實實驗室。”除實驗任務外，系統允許學生根據平臺上提供的器材自由搭建任意合理的實驗系統，這一點是其區別于一般實驗教學課件的重要特征。

文福安還介紹說：“在實驗之前，學生可以先學習與本次實驗相關的預備知識，實驗過程中如果遇到困難可以看指導、看課件或者問老師，實驗完成后提交實驗結果和報告，實驗后還可以進行復習。教師負責搭建典型實驗或調取實驗案例，給學生制定預習計劃、布置實驗任務，提供實驗指導和幫助，在實驗結束后查看學生的實驗結果，對實驗報告進行批改，給出實驗成績和評價。”

要開展虛擬實驗教學，還需要網上實驗教學管理功能。在文福安及其團隊開發的虛擬實驗教學管理系統中，老師和學生可以通過答疑交流系統，采用語言、文字和圖形圖像進行實時的或非實時的互動交流。教師從中可以得到及時的實驗教學反饋信息，以便調整實驗教學的進度和深度。與國際上同類學科的仿真軟件相比，虛擬實驗教學系統具有面向教學、易于管理等特點。

突破關鍵技術 成功應用推廣

面對虛擬實驗教學系統取得的成功，文福安及其團隊的每一個人心里都很欣慰，可是在成功背后，他們付出的艱辛是常人想象不到的。他說：“想要做出一套能夠模擬接近現實實驗室環境的虛擬實驗教學系統，那么虛擬的實驗儀器設備的物理特性就必須與現實的器材相一致，同時還要具備很強的交互性、實時反饋特性以及較高的智能化特性。”突破這些關鍵技術是不小的挑戰。

文福安說：“構建這套虛擬實驗教學系統需要運用到的關鍵技術包括：仿真技術、Web應用技術、設計模式和圖形繪制的優化，虛擬實驗教學系統對其中任何一種技術都要求精益求精。”

虛擬實驗系統在應用推廣上可謂是捷報頻傳，而北郵自然就是文福安的第一塊“試驗田”。2006年底，在北郵網絡教育學院河南工程碩士班進行了應用，86名學生參加了首次教學體驗，取得了理想效果，推廣第一站完美收官。2008年秋季學期在北郵網絡教育學院“計算機網絡”、“Linux操作系統”等多門課程上成功應用；2009年秋季學期在大連理工大學繼續教育學院“電路分析”等課程應用中贏得贊賞。

目前虛擬實驗教學系統支持的課程已經涵蓋了計算機網絡、Linux操作系統、模擬電路、電路分析、高頻電子線路、數字電路、信號與系統、通信原理等多門課程。使用虛擬實驗系統的教學站點多達264個，覆蓋了北京、石家莊、大連、上海、廣州和貴州、廣西、山西等地的多個城市。系統應用于北京郵電大學、大連理工大學、中國石油大學、武漢理工大學、解放軍理工大學等20余所院校。文福安及其研究團隊也獲得多項獎勵證書，《科技日報》、《科學中國人》等媒體紛紛對此進行了專題報道。

完善技術 推進教育創新下一浪潮

實踐教學是國家實施素質教育和高等教育質量工程、全面提高教育質量的重要內容。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》中提到要在2010年至2020年間加快教育信息化進程，加強優質教育資源開發與應用，加強網絡教學資源體系建設，引進國際優質化數字教學資源，開放網絡學習課程，建立數字圖書館和虛擬實驗室的規劃。虛擬實教學也已經得到了全國實驗室建設指導委員會等相關單位的高度重視。2008年，“虛擬實驗教學環境關鍵技術研究與應用推廣示范”項目被確定為“十一五”國家科技支撐計劃重點項目。

盡管虛擬實驗室的發展得到了國家相關措施的支持，在各地推廣中也取得了相當不錯的成績，但文福安教授認為當前虛擬實驗教學系統仍然存在有待進一步完善的地方，并指出如何在教學中更好地發揮虛擬實驗的作用、如何把實驗動手和知識學習有機融合、如何增強學生的學習興趣和信心、如何將實驗教育和實際應用相結合、如何減少教師和管理人員的工作量、如何通過信息技術規范實驗教學的管理等問題將逐步研究并解決，實驗增強的教學環境將是團隊下一步的研究方向。

開放式的虛擬實驗教學系統突破了時間、空間和設備數量的限制，培養了學生的創新意識、創新能力和動手操作能力；同時還具有實驗過程中易獲得相關學科知識，實驗結果便于保存，實驗教學過程容易控制，實驗教學指導更有效、容易與其他教學相結合等優勢。文福安激動地說：“這將會是教育創新的下一個浪潮。”提起對虛擬實驗教學系統未來的展望，文福安希望學生進入實驗室的門檻更低、得到的指導更快捷；期待未來實驗教學管理更加規范，實驗教學的效果評價更加科學。

在文福安心中還有一個遠大的設想，那就是攜手各大高校共同探討實驗教學新模式，他希望在學校精品課程建設中把虛擬實驗教學系統作為“利器”，把虛擬實驗教學的方法作為實踐教學教改項目的基礎，在開放實驗室建設中采用先進的Web信息管理技術，提升管理水平；在國家級、省級示范中心建設和重點實驗室建設中采用虛擬實驗教學系統完善實驗教學體系，共同協作，快速推進高校實驗教學改革。