虛擬仿真實驗平臺在實驗教學中的應用現狀＊

關松磊

在國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略的引導下，教育部于2013年3月頒布《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011～2020年）》，分別制定了基礎教育、職業(yè)教育、高等教育、繼續(xù)教育和教育管理信息化發(fā)展水平框架。虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設的重要內容，也是近年來我國在高等院校實驗教學中主要推進的項目。根據2013年教育部《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》精神，將利用10年的時間連續(xù)資助開展1000個國家級虛擬仿真實驗教學中心建設，遴選和開發(fā)1500套虛擬仿真實訓實驗系統。[1]從2013-2015年，已經建成了300個國家級的虛擬仿真實驗中心，涉及理工、農林醫(yī)藥、人文社科各個學科方向，普及至中央部級院校、省屬院校、軍隊院校等各級各類高校，惠及東、中、西部各地區(qū)的高校。[2][3]

一、虛擬仿真實驗平臺的建設和應用

虛擬仿真實驗平臺（Thevirtualsimulationlaboratory）作為學生實驗技能培養(yǎng)的輔助手段，可以與實際操作相結合、相補充，虛實結合，在虛擬操作平臺可以進行各類實驗操作，[4]可以同時操縱多臺儀器，將來可能會顛覆傳統的教學理念和教學模式，成為新時代教學改革的主要方向之一。300個國家級虛擬仿真實驗中心，從學科分布來看，理工類占優(yōu)勢，達70%左右，而農林醫(yī)藥學科和人文社科類數量較少，說明理工類學科更適合開展虛擬仿真實驗。從學校來看，中央部屬院校占的比例較大，省屬院校的比例在逐年增加，說明國家前期投入中央部署院校較多，以后逐步向地方院校傾斜。從地區(qū)分布來看，東部11個省份所占的比例明顯優(yōu)于中部和西部，說明東部院校普遍更加注重教學改革和教學創(chuàng)新，重視虛擬仿真教學。（見表1）

（一）虛擬仿真實驗在生物學實驗中的應用

生物學是一門實驗科學，實驗項目多、種類復雜、實驗要求高，虛擬仿真實驗室的建設迫在眉睫。生物學實驗教學資源的信息化建設體現了虛擬現實技術與實驗教學的深度融合，在2013—2015年評估建設的300個國家級虛擬仿真實驗中心中，有11個生物類的國家級虛擬仿真實驗中心，代表了生物類虛擬仿真實驗室的最高水平。虛擬實驗中心可以延伸實驗教學的時間和空間，克服生物學實驗中共聚焦顯微鏡、流式細胞儀等儀器貴重、標本資源短缺的困難，大大提升了實驗效果。[5]如華中師范大學利用虛擬平臺開發(fā)了6個模塊、75個項目的虛擬實驗，包括分子生物學實驗、生物形態(tài)學實驗、動物生理及人體解剖學實驗、師范生實驗教學技能訓練模塊、儀器設備培訓模塊、動植物野外實習模塊，大大提高了學生的動手和創(chuàng)新能力，促進了實踐教學的改革。[6]王甜等[7]總結反思了生物類虛擬仿真實驗中心建設過程的問題與對策，從指導思想到教學資源建設、軟件共享等層面，提出了相應的共享平臺、共享機制等對策，為更好地建設實驗平臺設計了良好的思路。

表12013—2015年300個國家級虛擬仿真實驗教學中心的分布情況

（二）虛擬仿真實驗在理工學科實驗中的應用

虛擬仿真實驗在理工學實驗中的應用范圍和應用價值最大。理工學本科實驗包括的學科種類和項目很復雜，諸如土木工程、機械工程、化學工程、建筑工程、自動化、化學、物理、電子等，這類實驗和實訓項目往往需要大型的實習基地和實驗設備，屬于高成本、高消耗的項目。如，東南大學國家級機電綜合虛擬實驗教學中心依托十多個機電類專業(yè)的學科優(yōu)勢，開設基礎課程40多門和綜合實踐項目200多項，涵蓋機械、電子、信息，自動化等專業(yè)領域，形成了分層次、模塊化的虛擬仿真與訓練課程體系，為高水平本科生培養(yǎng)和創(chuàng)新能力塑造打下了堅實基礎。[8]另外，如機車、大型船舶、飛機的操作等涉及高危和極端環(huán)境，都需要虛擬仿真的幫助。清華大學材料科學與工程虛擬仿真實驗教學中心開設了高危、高成本、高污染、極端條件下的材料制備分析及加工的虛擬仿真課程30門，組建了專用的教學實驗室，3D立體顯示平臺，15萬億/s計算集群及多種材料加工分析軟件，并且還自主開發(fā)了鑄造過程模擬軟件，建立了安全可靠、綠色節(jié)約的教學平臺，加速了教學模式創(chuàng)新和科技成果轉化，成了培養(yǎng)高素質人才的教學平臺。[9]另外，隨著招生規(guī)模的擴大，學校的教學設備和實習場地往往不足，還有一些實驗，如機械模具設計等，本身就需要在計算機軟件的輔助下完成。

（三）虛擬仿真實驗在醫(yī)藥學實驗中的應用

醫(yī)學實驗的對象往往是動物或微生物，實驗操作難度大，結果難以控制，學生由于缺乏實際的操作經驗，實驗失敗率很高，嚴重挫傷了其參與實驗的積極性。利用虛擬仿真實驗平臺，可以讓學生在真實實驗之前進行預演，不僅可以提高實驗的成功率，還可以增加學生對實驗的興趣。2013—2015年，教育部高教司共評估組建了近30個醫(yī)學類的國家級虛擬仿真實驗教學中心，各省醫(yī)學類虛擬仿真教學中心也紛紛建立，大大促進了醫(yī)學院校的實驗室建設和實踐教學水平。門秀麗等[10]在病理生理學實驗中分3個階段推進虛擬仿真實驗，制作了實驗教學模塊。通過座談、問卷調查、期末考試等方式進行了結果考核，發(fā)現，實施1年后，實驗班的考試成績明顯優(yōu)于對照班，說明虛擬仿真實驗模塊確實提高了實踐學習的效果。田星等[11]在藥劑學實驗教學的GMP虛擬仿真實訓中應用了虛擬實驗平臺，采用了仿真軟件模擬GMP的要求，對生產設備和生產場景進行模擬，完成藥品的生產工藝流程，彌補了現實中GMP實訓場地和設備的短缺。

（四）虛擬仿真實驗在農林類實驗中的應用

300個國家級虛擬仿真實驗教學中心中，農林院校和專業(yè)所占的比例較低，一共組織建設了14個實驗室，多數集中在森林、農業(yè)機械、園林、野生動物等極端環(huán)境或需要大型設備的專業(yè)。2013年，中南林業(yè)科技大學的森林防火虛擬仿真實驗教學中心成為首批國家級虛擬仿真實驗教學中心，為森林防火應急行動和快速滅火支援模擬訓練提供了良好的平臺。華中農業(yè)大學的李潤聲等[12]以機械類課程中的制缽機的動畫制作為案例，結果發(fā)現，學生接受度很高，成績明顯提高，證明虛擬仿真平臺在農業(yè)機械教學中可以發(fā)揮重要作用。南京農業(yè)大學在微生物學實驗中進行虛擬仿真教學的探索，構建了基礎微生物學和應用微生物學兩大教學模塊，同時將污水生物處理技術、食用菌資源等該校的科研成果也轉化為仿真教學資源，既發(fā)揮了自身的特色優(yōu)勢，又豐富了實驗教學的內容，提升了學生參與動手實踐的興趣。[13]此外，周彥珍等[14]提出了建設中國農業(yè)科教虛擬仿真實訓系統的構想，并形成了比較可行的構建思路和建設方案。利用農業(yè)科教虛擬仿真實驗平臺系統，將推動農業(yè)領域相關實驗水平的提高。

（五）虛擬仿真實驗平臺在其他領域的應用

300個虛擬仿真實驗中心，學科門類非常廣泛，除了理工科類、農林類、生物學類、醫(yī)藥類以外，還有人文社科類。涉及的院校除了綜合類大學、理工類大學、農林醫(yī)藥類大學，還有師范類、民族類、軍隊院校、體育、藝術、政法等。例如，在2013年首次獲批的國家級虛擬仿真實驗教學中心就包括了武警學院消防虛擬仿真實驗教學中心，有效地提高了武警院校消防實戰(zhàn)演練的水平。2015年中國美術學院跨媒體藝術虛擬仿真實驗教學中心也成為國家級虛擬仿真實驗教學中心，是國內藝術教育最先進、最新銳的實驗教學平臺。李虹[15]介紹了經濟管理類科目構建國家級虛擬仿真實驗中心的經驗，構建了“互聯網+云計算+大數據”，搭建了具有“O2O協同+流程仿真”特色的實驗→實訓→實戰(zhàn)→研究一體化教學平臺，拓展經濟管理虛擬仿真實驗教學空間。

二、虛擬仿真平臺建設中的不足

（一）虛實結合程度把握不準確

教育部曾明確要求，虛擬仿真實驗教學中心要充分體現虛實結合、相互補充、能實不虛的原則。不可以盲目追求信息化教學和虛擬操作，將在實際操作中很成功的實驗項目都放在虛擬平臺上操作，能讓學生親自動手操作的項目一定要大力主張親自動手。這是在虛擬仿真實驗平臺教學資源建設中存在的主要問題之一[2]。張晴晴等[16]分析了在中藥提取與分離中采用虛擬仿真教學的問題，指出虛擬仿真實驗操作確實有利于學生的規(guī)范操作，提高了實驗成功率，但是，中藥的提取和分離的實驗會受到諸多因素的影響，對影響因素的考察也是提取工藝的主要部分，虛擬的實驗難以培養(yǎng)學生真正的動手能力和解決實際問題的能力。哈爾濱工程大學虛擬實驗中心根據實驗項目和類型進行虛實比例的設置，沒有“一刀切”，船海虛擬仿真中心遵循五個虛實結合原則，很好地解決了船舶和航海專業(yè)虛實結合的問題，學生既可以通過虛擬軟件進行三維模型設計和艦船操縱，又可以將設計方案導入成型機打印出三維零件，再將零件組裝成作品，還可以下廠實習，形成了教學改革的新特色。[17]。

（二）實驗室開放共享程度不足

推進優(yōu)質的實驗教學資源共享是高校人才培養(yǎng)的內在需求，也是增強高校國際競爭力的必然要求。虛擬實驗中心發(fā)揮的作用不僅僅是將教學信息化、虛擬化，還承載著優(yōu)質教學資源共享的作用。所以在虛擬仿真實驗中心申報時，共享的部分也是考察評估的一個主要內容。

虛擬實驗中心的資源共享包括信息共享、教學資源共享、大型設備共享。使虛擬實驗中心只能發(fā)揮有限的作用，沒有實現建設的初衷。應當進一步探索共享的機制和模式，例如，建立區(qū)域共享平臺、大型儀器有償服務機制、教學資源有償使用機制等，努力拓寬共享的渠道與范圍。北京交通大學交通運輸國家級虛擬仿真實驗教學中心對共享模式進行了探索，提出了特色化、立體化、信息化的開放共享模式，根據自身特色建設了鐵路運輸、交通工程、城市軌道交通3個虛擬仿真實驗平臺，開放對象包括中小學生、大學生、科研人員、社會團體等，采用固定時間開放、預約開放、靈活開放、遠程共享的立體開放模式，不僅教學場館開放，教學資源也實現信息化開放，探索了一條全面的開放之路。[18]胡今鴻等[19]對178所高校的虛擬仿真實驗教學資源開放共享研究調查問卷進行了分析，提出了資源共享面臨的實際困難，認為要實現平臺的共享，必須建立科學的管理體系，需要有頂層管理平臺、區(qū)域內政策平臺保障和基礎應用平臺的支持，還要有完善的運行機制，尤其要有評價機制和獎勵機制。各高校應當互相學習借鑒，從內容，方法、模式上全面探索共享開發(fā)的模式。

（三）亟待建設專業(yè)的教學和管理隊伍

合理的人才隊伍是虛擬仿真實驗平臺建設和發(fā)展的前提條件。無論是教學資源的建設、學生的管理，還是共享開放的實現，都需要有專業(yè)的人才來支撐。總體來講，虛擬仿真實驗教學平臺的師資和管理人員處于嚴重缺乏的狀態(tài)，并且年齡老化，難以適應目前高水平的工作要求。虛擬仿真實驗室的負責人應當教學水平與科研水平兼?zhèn)洹20]應對現有的實驗教學人員進行虛擬仿真教學的培訓，并選拔年輕的骨干教師充實實驗隊伍，根據崗位特點，引入計算機、軟件、生物信息學等專門的技術人才，尤其是虛擬平臺的日常軟硬件維護和管理人才。構建合理的人才隊伍才能使實驗室能夠長期有序地建設和可持續(xù)發(fā)展，各高校應對虛擬仿真實驗平臺的人才隊伍有頂層設計構想，構建合理的人才隊伍，引入不同層次的專門人才，對教師和實驗室管理人員有獎勵和鼓勵機制，實現實驗室長久的發(fā)展目標。

除以上的主要問題外，已經建設的虛擬仿真實驗中心還存在著諸多問題，如實驗項目偏少、校企合作不深入、平臺管理制度不到位、網頁建設和宣傳力度不足、學校的資金投入不足等。這均會影響虛擬仿真實驗教學的效果，尤其會影響學生使用虛擬實驗平臺的效果。根本的解決辦法是增加資金投入、加強日常的管理、積極拓展新的實驗項目，切實提高學生參與實驗的積極性和主動性。

三、總結與展望

從教育部提出“教育信息化”理念以來，全國各大院校紛紛建立了各級各類的虛擬仿真實驗教學中心，各具特色，并且都取得了可喜的成果，極大地提升了實踐教學的效果，尤其是在一些高危、材料昂貴、應急、技能要求高的實驗訓練中發(fā)揮了巨大的作用。盡管在虛擬仿真中心的建設和運行中也存在各種問題和不足，相信在國家教育部門的監(jiān)管下，在省級教育主管部門及各大院校的普遍重視和正確指導下，在學生和廣大教師的共同努力下，存在的不足會逐漸完善和解決。隨著虛擬仿真實驗教學平臺的逐漸普及，虛擬實踐教學將成為一種普遍的教學手段，尤其是在大數據和人工智能迅速發(fā)展的背景下，虛擬仿真實驗教學在實踐教學中必將發(fā)揮更大的作用。虛擬仿真模擬教學是時代發(fā)展的趨勢，必將引起一場現代教育理念和教學方式新的變革。