基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)研究

杜彥敏

摘要：虛擬仿真技術(shù)可以有效地模擬現(xiàn)實(shí)世界，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生在專(zhuān)業(yè)課實(shí)驗(yàn)中的創(chuàng)新能力有很大的幫助，也可以顯著提升實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室相比較，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室擁有實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)越、實(shí)驗(yàn)成本低和實(shí)驗(yàn)安全性高等特點(diǎn)，因此虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在高校中的建設(shè)已經(jīng)勢(shì)在必行。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）15-0273-02

虛擬仿真技術(shù)也可以稱(chēng)為虛擬的現(xiàn)實(shí)技術(shù)或者是現(xiàn)實(shí)模擬技術(shù)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是通過(guò)虛擬的系統(tǒng)環(huán)境來(lái)模仿一個(gè)現(xiàn)實(shí)存在的系統(tǒng)技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)最典型的特征就是構(gòu)造一個(gè)系統(tǒng)完整統(tǒng)一的虛擬環(huán)境，并利用虛擬的環(huán)境集成和控制為數(shù)眾多的實(shí)體。由于虛擬仿真技術(shù)具有集成化、虛擬化和網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)，因此這種技術(shù)在很大程度上滿(mǎn)足了當(dāng)前仿真技術(shù)的未來(lái)發(fā)展要求。

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)概述

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成為在理論研究和實(shí)驗(yàn)研究之后的有一種新型的教學(xué)研究方法，它是以電子計(jì)算機(jī)為依托，通過(guò)相關(guān)的軟件技術(shù)，構(gòu)建出一個(gè)完整的邏輯結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)軟硬件相互結(jié)合的方法，再加上模塊化和層次化的設(shè)計(jì)思路，調(diào)整相關(guān)的硬件設(shè)備，構(gòu)成虛擬的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，最終實(shí)現(xiàn)個(gè)人電腦上運(yùn)行、自主研發(fā)和設(shè)計(jì)以及遠(yuǎn)程連接控制的教學(xué)實(shí)驗(yàn)方法。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的意義

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，是以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，使學(xué)生通過(guò)人機(jī)交互的方式在模擬的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、場(chǎng)景和軟件中模擬現(xiàn)實(shí)情況來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將虛擬仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)以及各個(gè)專(zhuān)業(yè)的理論專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行多維度的結(jié)合[1]。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室里，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作的整個(gè)過(guò)程，而且整個(gè)過(guò)程幾乎與現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)驗(yàn)室一模一樣，唯一的區(qū)別就是把之前用手的操作轉(zhuǎn)換成了鼠標(biāo)和鍵盤(pán)操作方式。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)過(guò)程不但增加了實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法，同時(shí)又加強(qiáng)了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的創(chuàng)新性能力的培養(yǎng)和對(duì)相關(guān)技能的掌握。

1.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的高度還原性。在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)前，實(shí)驗(yàn)教師應(yīng)當(dāng)先向上課學(xué)生講解上課所用虛擬軟件的運(yùn)行方式和具體的實(shí)驗(yàn)操作步驟。在通常情況下，實(shí)驗(yàn)課程主要通過(guò)相關(guān)文字、圖表、視頻和實(shí)體等方式來(lái)幫助學(xué)生了解教學(xué)過(guò)程，而這些均可以在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室中充分展現(xiàn)，在虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中學(xué)生可以從多個(gè)方面來(lái)了解一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)流程，進(jìn)而能夠迅速簡(jiǎn)潔地完成實(shí)驗(yàn)步驟，學(xué)生在一邊聽(tīng)老師講解的同時(shí)，也可以同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。老師講得輕松，學(xué)生學(xué)得有興趣，從而達(dá)到事半功倍的效果。

2.高安全性和高創(chuàng)新性。在傳統(tǒng)的真實(shí)實(shí)驗(yàn)中，尤其是一些不可逆的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)的安全性是實(shí)驗(yàn)課的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，學(xué)生必須依照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作，不可以違反規(guī)定，否則極有可能會(huì)產(chǎn)生很?chē)?yán)重的后果。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題，無(wú)論在虛擬環(huán)境中如何操作都不會(huì)出現(xiàn)安全性問(wèn)題。在保障學(xué)生安全的情況下可以更好地發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，學(xué)生可以多次任意嘗試實(shí)驗(yàn)操作，加強(qiáng)自己對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的理解，進(jìn)而提升學(xué)生的創(chuàng)新性，激發(fā)學(xué)生的潛能，為國(guó)家培養(yǎng)出更多的創(chuàng)新性人才。

3.緩解實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的不足?，F(xiàn)實(shí)中的實(shí)驗(yàn)室常常因?yàn)閷?shí)驗(yàn)器材缺乏或者實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地不足等各方面的因素導(dǎo)致學(xué)生只能分組輪流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)緩慢，教學(xué)效果差。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)完全解決了這些問(wèn)題，在虛擬環(huán)境下，每一位學(xué)生可以在老師的指導(dǎo)下自主嘗試各種實(shí)驗(yàn)，如同在真實(shí)環(huán)境中一樣，加強(qiáng)對(duì)學(xué)科知識(shí)的掌握。在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中充分利用虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，極大程度上完美模擬大型實(shí)驗(yàn)設(shè)施和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的同時(shí)，學(xué)生也利用人機(jī)交互的方法在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)利用虛擬的實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地以及配套的實(shí)驗(yàn)軟件達(dá)到一種同現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中一樣的實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c實(shí)驗(yàn)操作，從而解決了在客觀世界無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的教學(xué)缺陷，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)互動(dòng)、充分利用教學(xué)資源以及網(wǎng)絡(luò)教育一體化的教學(xué)目的[2]。

4.多學(xué)科交叉，覆蓋面廣。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)統(tǒng)一布局、多學(xué)科交叉、分層次、有重點(diǎn)，可以滿(mǎn)足對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)理論的認(rèn)知、專(zhuān)業(yè)技術(shù)的掌握和實(shí)際設(shè)計(jì)與綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)的要求。在基礎(chǔ)的理論上課當(dāng)中，通過(guò)虛擬仿真教學(xué)技術(shù)，有效地提高了實(shí)驗(yàn)授課的便捷性和創(chuàng)新性；在專(zhuān)業(yè)學(xué)科和教學(xué)實(shí)踐中，通過(guò)虛擬仿真教學(xué)技術(shù)和配套的專(zhuān)業(yè)軟件，也顯示出虛擬仿真的高效性；在綜合創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面，通過(guò)虛擬仿真教學(xué)技術(shù)舉辦的各種創(chuàng)新性比賽，也給學(xué)生提供了一個(gè)提升自我研究能力和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的競(jìng)技平臺(tái)。在給高校大學(xué)生提供學(xué)習(xí)資源的同時(shí)，這些教學(xué)資源也可以給研究生進(jìn)行科研提供很大的幫助，極大地調(diào)動(dòng)他們的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)其具體問(wèn)題具體分析的能力以及思考問(wèn)題的思維模式。最后，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)還可以進(jìn)行聯(lián)合辦學(xué)和整合高校資源，主要用于學(xué)生的培訓(xùn)、校企合作、培養(yǎng)就業(yè)目標(biāo)，逐步提高教學(xué)效果和科研效果[3]。

三、管理類(lèi)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)

根據(jù)現(xiàn)實(shí)的教學(xué)計(jì)劃，在建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心時(shí)應(yīng)進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)與規(guī)劃，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性。

1.建設(shè)良好的高校網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)好的校園網(wǎng)絡(luò)是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室能不能正常運(yùn)行的關(guān)鍵所在，利用校園網(wǎng)絡(luò)將虛擬實(shí)驗(yàn)室的各個(gè)設(shè)備相互連接起來(lái)，才能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、分析和遠(yuǎn)程控制操作等，因此，虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)要以良好的校園網(wǎng)絡(luò)為依托。就現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足需求，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全覆蓋已經(jīng)成為現(xiàn)代高校建設(shè)的新趨勢(shì)，同時(shí)在有條件的情況下還可以建立VPN以實(shí)現(xiàn)校外的教師和學(xué)生能夠訪(fǎng)問(wèn)校內(nèi)。只有在良好的校園網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的前提下，實(shí)驗(yàn)所用的教學(xué)資源才能充分利用，從而使得教師、學(xué)生和其他科研人員能在隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)和學(xué)術(shù)研究工作，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的效用。

2.改變實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)應(yīng)虛實(shí)結(jié)合、相輔相成，形成互補(bǔ)形式。普通的實(shí)驗(yàn)室由于受到實(shí)驗(yàn)條件限制，所以在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容上顯得極為單一，學(xué)生不需要思考問(wèn)題，只需按照實(shí)驗(yàn)步驟一步一步地來(lái)就好，逐漸失去了自我思考問(wèn)題的能力和創(chuàng)新性。然而在虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中則大不相同，教師可以靈活設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生也可以在實(shí)驗(yàn)要求下，自己思考實(shí)驗(yàn)需求，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，然后再進(jìn)行分析對(duì)比。在整個(gè)過(guò)程中學(xué)生都處于不斷思考的過(guò)程中，不僅掌握了學(xué)科知識(shí)還極大程度地調(diào)動(dòng)了學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)新性。在以真實(shí)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的前提下，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可以共享網(wǎng)絡(luò)資源和遠(yuǎn)程控制虛擬實(shí)驗(yàn)，提高虛擬仿真教學(xué)資源利用率。

3.加強(qiáng)教學(xué)資源整合。充分利用實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)資源，是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重中之重，也是創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的前提條件。實(shí)驗(yàn)設(shè)備和技術(shù)必須根據(jù)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)方案不斷升級(jí)，主系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)以及教學(xué)軟件要有良好的可擴(kuò)展性，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)資源合并、重新部署實(shí)驗(yàn)室的結(jié)構(gòu)布局和實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程，最大程度上優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室教學(xué)資源。學(xué)生能夠在虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行學(xué)科實(shí)驗(yàn)，獲得所要的實(shí)驗(yàn)成果。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)不僅可以在上課時(shí)進(jìn)行教學(xué)，同時(shí)當(dāng)學(xué)生下課后，也能夠利用個(gè)人電腦、平板手機(jī)等智能設(shè)備在良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下通過(guò)登陸平臺(tái)賬號(hào)，在課下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)練習(xí)，熟練掌握實(shí)驗(yàn)流程和學(xué)科知識(shí)。

4.建設(shè)完善師資團(tuán)隊(duì)。合理的教學(xué)團(tuán)隊(duì)年齡層次可以使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)久不衰，并使實(shí)驗(yàn)室始終充滿(mǎn)活力和創(chuàng)新能力，高端的實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該各自發(fā)揮其長(zhǎng)處，結(jié)合高端科學(xué)技術(shù)，以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)為基礎(chǔ)，開(kāi)展出越來(lái)越多的精品實(shí)驗(yàn)課程。想要使得學(xué)生具有較高的實(shí)踐性和創(chuàng)新性，一個(gè)高水平的實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)是必須的，可以有計(jì)劃地對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行培訓(xùn)，并使其定期到各個(gè)高校進(jìn)行交流訪(fǎng)問(wèn)學(xué)習(xí)。除此之外，我們應(yīng)該鼓勵(lì)一部分教師的優(yōu)秀科研成果能夠轉(zhuǎn)變?yōu)榫返膶?shí)驗(yàn)課程，特別是創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)課程。

以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為基礎(chǔ)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，它不僅是評(píng)判一個(gè)高校教學(xué)信息化和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的重要依據(jù)，同時(shí)也是專(zhuān)業(yè)知識(shí)和高端科技相互結(jié)合的成果。通過(guò)建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心可以有效地提高教學(xué)資源利用率，提高學(xué)生的求知欲和創(chuàng)新能力。當(dāng)然在建設(shè)過(guò)程當(dāng)中，我們也要逐步分析其中存在的問(wèn)題，逐步完善建設(shè)思路和管理需求。

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