本科實(shí)踐教學(xué)虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建

［摘要］實(shí)踐教學(xué)在本科工程教育中具有重要地位。實(shí)物實(shí)驗(yàn)是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，虛擬實(shí)驗(yàn)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的新的實(shí)驗(yàn)手段，二者之間存在很強(qiáng)的互補(bǔ)性和相互依存的關(guān)系。應(yīng)充分發(fā)揮實(shí)物實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，虛實(shí)結(jié)合，組建實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、3D虛擬實(shí)驗(yàn)室、虛擬實(shí)驗(yàn)管理平臺(tái)及手機(jī)客戶端，既有效解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的場(chǎng)地不足、設(shè)備缺乏、實(shí)驗(yàn)效果不佳等缺點(diǎn)，又可使學(xué)生得到身臨其境的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程體驗(yàn)，達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，提高實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量。

［關(guān)鍵詞］實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 本科實(shí)踐教學(xué) 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

［作者簡(jiǎn)介］郭楚文（1963- ），男，廣東汕頭人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院，教授，主要從事流體力學(xué)方面的教學(xué)與研究工作；王利軍（1981- ），男，河南焦作人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院，副教授，主要從事流體力學(xué)及其工程應(yīng)用研究工作；韓東太（1973- ），男，河南平頂山人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院，副教授，主要從事動(dòng)力工程測(cè)試技術(shù)方面的教學(xué)和研究工作。（江蘇 徐州 221116）

［中圖分類(lèi)號(hào)］G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A ［文章編號(hào)］1004-3985（2016）11-0099-03

根據(jù)教育部《關(guān)于實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的若干意見(jiàn)》（教高［2011］1號(hào)）文件精神，強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐能力、設(shè)計(jì)能力與創(chuàng)新能力是工程教育的核心，可見(jiàn)實(shí)踐教學(xué)在工程教育中具有重要的地位。

隨著多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式必然發(fā)生重大變革，在培養(yǎng)和提高學(xué)生動(dòng)手能力、觀察能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題能力等方面有著先天優(yōu)勢(shì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校教育改革的一個(gè)關(guān)鍵。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程普遍存在如下問(wèn)題：學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中基本為4～6人/臺(tái)，部分學(xué)生實(shí)際操作，部分學(xué)生參觀，難以達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的；同時(shí)，由于臺(tái)套數(shù)較少，有時(shí)候需要將一個(gè)班級(jí)分為兩部分來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，增加了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師的工作量。

利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)應(yīng)用研究始于20世紀(jì)90年代，虛擬現(xiàn)實(shí)教育隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展得到了廣泛應(yīng)用。為了解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的場(chǎng)地不足、設(shè)備缺乏、實(shí)驗(yàn)效果不佳等缺點(diǎn)，虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有可任意重復(fù)、無(wú)須實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、沒(méi)有器材消耗、實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確、不受時(shí)間和地點(diǎn)限制等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)可視化的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生就能夠進(jìn)行模擬訓(xùn)練，得到類(lèi)似于真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程的操作體驗(yàn)，為實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作積累經(jīng)驗(yàn)，有效縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。有些虛擬實(shí)驗(yàn)甚至可以直接替代實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

雖然虛擬實(shí)驗(yàn)在解決學(xué)生實(shí)驗(yàn)的時(shí)空限制、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地不足等方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，但在培養(yǎng)工科學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力方面明顯不如實(shí)物實(shí)驗(yàn)臺(tái)。因此，虛實(shí)結(jié)合是未來(lái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必由之路。本文主要探討虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合，提升本科實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

一、虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)及局限性

實(shí)物實(shí)驗(yàn)是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，是學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的重要環(huán)節(jié)。實(shí)物實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)實(shí)際動(dòng)手操作儀器設(shè)備、真實(shí)觀察實(shí)驗(yàn)物理現(xiàn)象，在視、聽(tīng)、感、觸等方面具有真實(shí)的體驗(yàn)，對(duì)提高學(xué)生觀察問(wèn)題、分析問(wèn)題能力的培養(yǎng)與提高具有重要作用。對(duì)于某些大型的綜合性實(shí)物實(shí)驗(yàn)，需要一個(gè)小組的學(xué)生相互配合才能完成，這對(duì)鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)、協(xié)作精神非常有意義。

雖然實(shí)物實(shí)驗(yàn)具有很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但也存在不少局限性。首先，實(shí)物實(shí)驗(yàn)的投資較大，且臺(tái)套數(shù)有限，有些儀器設(shè)備十分昂貴；其次，實(shí)物實(shí)驗(yàn)需要一定面積的實(shí)驗(yàn)室；再次，實(shí)物實(shí)驗(yàn)還受到實(shí)驗(yàn)時(shí)間的制約，即便是開(kāi)放性的實(shí)驗(yàn)室也存在一定的時(shí)間限制；最后，有些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象很難在實(shí)物實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行仔細(xì)觀測(cè)，如流體力學(xué)中的漩渦、紊流等現(xiàn)象。

虛擬實(shí)驗(yàn)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的新的實(shí)驗(yàn)手段，其主要優(yōu)點(diǎn)有：（1）成本相對(duì)較低，且功能齊全，無(wú)須購(gòu)置昂貴的儀器設(shè)備，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)材料消耗； （2）不受時(shí)間和空間的約束，學(xué)生可在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；（3）安全性好、可靠性高，由于所有操作都是在計(jì)算機(jī)上的模擬操作，避免了實(shí)物實(shí)驗(yàn)可能存在的危險(xiǎn)，如有些實(shí)驗(yàn)涉及易燃、易爆、有毒等物品；（4）將抽象的內(nèi)容形象化，更好地表現(xiàn)細(xì)節(jié)，便于學(xué)生觀測(cè)一些實(shí)物實(shí)驗(yàn)無(wú)法仔細(xì)觀測(cè)到的現(xiàn)象；（5）學(xué)生為實(shí)驗(yàn)的主體，可自主進(jìn)行綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并與計(jì)算機(jī)進(jìn)行很好的交互，充分調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性，變“要我學(xué)”為“我要學(xué)”。

與實(shí)物實(shí)驗(yàn)一樣，虛擬實(shí)驗(yàn)也存在一定的局限性。首先是沒(méi)有實(shí)物感，學(xué)生得不到實(shí)際操作儀器設(shè)備的感受，不利于實(shí)際動(dòng)手能力的培養(yǎng)；其次是虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)于“精確”，每次實(shí)驗(yàn)過(guò)程都一模一樣，難以實(shí)際模擬實(shí)物實(shí)驗(yàn)中存在的各種干擾因素和誤差，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題意識(shí)的培養(yǎng)不利。

根據(jù)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)物實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)之間存在很強(qiáng)的互補(bǔ)性，它們的優(yōu)點(diǎn)與局限性正好相反，片面強(qiáng)調(diào)實(shí)物實(shí)驗(yàn)或虛擬實(shí)驗(yàn)都無(wú)法達(dá)到提升本科實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的目的。

二、本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的虛實(shí)關(guān)系

虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)不僅具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，還是相互依存的關(guān)系。虛擬實(shí)驗(yàn)以真實(shí)實(shí)驗(yàn)原理為基礎(chǔ)，利用多媒體技術(shù)和現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬；真實(shí)實(shí)驗(yàn)需要以虛擬實(shí)驗(yàn)作為補(bǔ)充和拓展。只有充分發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，利用其互補(bǔ)性克服各自的局限性，才能使學(xué)生得到全面的鍛煉，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，達(dá)到提升本科實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的目的。

1.虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)是互補(bǔ)的關(guān)系。虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)往往是實(shí)物實(shí)驗(yàn)的局限性，而虛擬實(shí)驗(yàn)的局限性恰好又是實(shí)物實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，反之亦然。例如，對(duì)于某些難以用肉眼觀察的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，利用虛擬實(shí)驗(yàn)就可以得到清晰、生動(dòng)的表現(xiàn)；對(duì)于一些基礎(chǔ)性的操作訓(xùn)練，則必須采用實(shí)物實(shí)驗(yàn)；對(duì)于貴重儀器設(shè)備，由于臺(tái)套數(shù)有限，直接進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)可以大大降低成本，也可利用虛擬實(shí)驗(yàn)使學(xué)生先熟悉實(shí)驗(yàn)過(guò)程，減少在實(shí)物實(shí)驗(yàn)中的失誤，并避免損壞儀器。

2.容易實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)盡量采取實(shí)物實(shí)驗(yàn)。雖然虛擬實(shí)驗(yàn)具有實(shí)物實(shí)驗(yàn)所不具備的諸多優(yōu)點(diǎn)，但是不能陷入“為了虛擬實(shí)驗(yàn)而虛擬實(shí)驗(yàn)”的誤區(qū)，能“實(shí)”勿“虛”。例如，本科基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)絕大部分只需要簡(jiǎn)單的儀器設(shè)備，操作并不復(fù)雜，利用真實(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)很容易完成，就沒(méi)必要用虛擬實(shí)驗(yàn)；常見(jiàn)儀表的調(diào)試與使用、基本的測(cè)試原理與技術(shù)等，最好用實(shí)物實(shí)驗(yàn)，以提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，使其掌握基本的實(shí)踐技能與方法。

3.虛擬實(shí)驗(yàn)無(wú)法完全替代實(shí)物實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)是為了解決實(shí)驗(yàn)器材、資金投入、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地等問(wèn)題而發(fā)展起來(lái)的新型實(shí)驗(yàn)手段，它只是實(shí)物實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充和拓展，不能本末倒置，不能用虛擬實(shí)驗(yàn)完全替代實(shí)物實(shí)驗(yàn)。離開(kāi)實(shí)物實(shí)驗(yàn)，學(xué)生將得不到實(shí)際動(dòng)手能力的鍛煉，對(duì)將來(lái)工作中遇到的各類(lèi)儀器設(shè)備沒(méi)有感性認(rèn)識(shí)。同時(shí)，實(shí)物實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不可控因素非常多，包括設(shè)備故障、測(cè)量誤差、人為失誤等，學(xué)生親自動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，其實(shí)就是一次簡(jiǎn)單的探索與發(fā)現(xiàn)過(guò)程，無(wú)論實(shí)驗(yàn)結(jié)果如何，學(xué)生均可得到動(dòng)手操作能力的鍛煉及分析問(wèn)題和解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)。

三、虛實(shí)結(jié)合本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建

本科實(shí)驗(yàn)體系一般可分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)三種，針對(duì)不同類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)，可以采取完全實(shí)物實(shí)驗(yàn)、完全虛擬實(shí)驗(yàn)以及虛擬實(shí)驗(yàn)為輔實(shí)物實(shí)驗(yàn)為主的方式進(jìn)行。虛實(shí)結(jié)合本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)主要由三部分構(gòu)成：（1）一定臺(tái)套數(shù)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；（2）基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的3D虛擬實(shí)驗(yàn)室；（3）虛擬實(shí)驗(yàn)管理平臺(tái)及手機(jī)客戶端。

基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的主要目的是讓學(xué)生學(xué)會(huì)一種實(shí)驗(yàn)技術(shù)或者一種實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的使用方法，如學(xué)會(huì)流量、壓力的測(cè)量，掌握微壓計(jì)、皮托管的操作方法等。這類(lèi)實(shí)驗(yàn)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，同時(shí)對(duì)實(shí)際動(dòng)手能力要求較高，因此一般均采取實(shí)物實(shí)驗(yàn)，以使學(xué)生得到實(shí)際操作的訓(xùn)練?；A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)中還有部分是演示性實(shí)驗(yàn)，目的是讓學(xué)生了解一些物理現(xiàn)象，如流線、漩渦等。這類(lèi)演示性實(shí)驗(yàn)有時(shí)需要借助虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)才能更好地呈現(xiàn)出物理現(xiàn)象的細(xì)節(jié)，使學(xué)生有更深刻的理解。

綜合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，利用各類(lèi)儀器設(shè)備設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行實(shí)際操作，因此，必須將實(shí)物實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，才能達(dá)到實(shí)踐教學(xué)目的。可以采取的虛實(shí)結(jié)合方式包括實(shí)中有虛和虛中有實(shí)等，視實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜程度進(jìn)行合理組合。

實(shí)中有虛的方式是先讓學(xué)生通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)熟悉實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)原理，掌握實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)，然后進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)。其優(yōu)點(diǎn)是可以避免學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的操作失誤，這種方式對(duì)諸如燃燒、高溫高壓等危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)特別適合。

虛中有實(shí)的方式是讓學(xué)生先進(jìn)行部分實(shí)物實(shí)驗(yàn)，在真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中建立對(duì)復(fù)雜實(shí)驗(yàn)的感性認(rèn)識(shí)，并在實(shí)物實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)疑難問(wèn)題，然后再進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。這種方式特別適合復(fù)雜程度較高的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過(guò)局部的實(shí)物實(shí)驗(yàn)積累經(jīng)驗(yàn)并發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，最后通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)搭建整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的虛擬實(shí)驗(yàn)一般由四部分組成：實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)演示、實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)考核。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)以文字內(nèi)容為主，主要包含實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)原理。實(shí)驗(yàn)演示以動(dòng)畫(huà)或錄像為主，詳細(xì)介紹每個(gè)實(shí)驗(yàn)的步驟，讓學(xué)生在正式的虛擬實(shí)驗(yàn)之前可對(duì)操作過(guò)程提前學(xué)習(xí)，進(jìn)度可重復(fù)、回放，從而使學(xué)生能夠?qū)崿F(xiàn)“一對(duì)一”的學(xué)習(xí)效果，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的自主性和積極性。實(shí)驗(yàn)操作是讓學(xué)生根據(jù)演示的內(nèi)容，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬操作，每個(gè)學(xué)生都可根據(jù)自己的操作過(guò)程得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，避免了實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于臺(tái)套數(shù)限制而造成的學(xué)生抄襲問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析主要以文字為主，包括對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行描述、實(shí)驗(yàn)中常見(jiàn)問(wèn)題、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理等內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)考核主要考查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的掌握情況，在考核的過(guò)程中，只有當(dāng)學(xué)生操作的步驟及方法正確時(shí)，才能進(jìn)入下一步實(shí)驗(yàn)，而成績(jī)判定的主要依據(jù)是學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中步驟及操作錯(cuò)誤的次數(shù)。

為充分發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，必須開(kāi)發(fā)相應(yīng)的手機(jī)客戶端，使學(xué)生可以隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。需要強(qiáng)調(diào)的是，虛擬系統(tǒng)應(yīng)具有良好的開(kāi)放共享性，還應(yīng)具備考核功能，能夠評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)知識(shí)內(nèi)容的掌握。

實(shí)踐教學(xué)是工程教育中非常重要的環(huán)節(jié)，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，可充分發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)各自的優(yōu)勢(shì)，既有效解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的場(chǎng)地不足、設(shè)備缺乏、實(shí)驗(yàn)效果不佳等缺點(diǎn)，又可使學(xué)生得到身臨其境的實(shí)踐教學(xué)過(guò)程體驗(yàn)，達(dá)到更好的實(shí)踐教學(xué)效果，提高實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量。構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將是未來(lái)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的發(fā)展方向，具有良好的發(fā)展前景。

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