高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)推動教學(xué)變革的研究

錢明珠 汪小寶

摘要：社會在發(fā)展，技術(shù)在革新，促使教育教學(xué)改革的步伐從未停止，其中課堂教學(xué)的改革、教學(xué)方式的變革最為突出。尤其到了信息化時代，各種高新技術(shù)的突破，更為教學(xué)改革如虎添翼，使以前教學(xué)難以突破的教學(xué)難點(diǎn)通過技術(shù)手段加以解決。本文以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)來探討教學(xué)改革新策略、管理機(jī)制等，以及對虛擬仿真教學(xué)平臺建設(shè)若干建議和對未來發(fā)展的展望。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室;互聯(lián)網(wǎng)+教育;智慧+教育;沉浸式教學(xué);成果導(dǎo)向教育模式

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）32-0162-03

隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)的日益成熟，催生出許多新型應(yīng)用，如智能教育、智慧城市、智慧社區(qū)等，尤其是智慧教育。《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計劃》中強(qiáng)調(diào)要把智能教育工作融入教育現(xiàn)代化建設(shè)這個大局之中，以支撐服務(wù)總體實(shí)現(xiàn)教育現(xiàn)代化為目標(biāo)謀劃智能教育更快發(fā)展。《中國教育現(xiàn)代化2035》文件也指出要加快信息化教育變革。教育繼“互聯(lián)網(wǎng)+教育”變革之后，又迎來新一輪“智慧+教育”的變革。新型教育變革首先要建立智能化校園，統(tǒng)籌建設(shè)一體化智能化教室、管理與服務(wù)平臺。利用現(xiàn)代技術(shù)加快推動人才培養(yǎng)模式改革，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化教育與個性化培養(yǎng)的有機(jī)結(jié)合。為了更好實(shí)現(xiàn)“數(shù)字教育資源共建共享”和社會構(gòu)建與情境再造的教學(xué)效果，同時虛擬實(shí)現(xiàn)以及其他支撐技術(shù)不斷成熟，高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為現(xiàn)代智能教育改革中的一個熱門改革方向。

1高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的前景

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫、三維建模和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合，促使學(xué)生變被動到主動學(xué)習(xí)，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。虛擬仿真教學(xué)就是借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室為載體，將學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合，實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)過程。

隨著虛擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)的不斷完善，建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的熱潮不斷在升級，北京大學(xué)構(gòu)建了沉浸式虛擬交互式實(shí)驗(yàn)室。清華大學(xué)構(gòu)建了形成制造模擬仿真三維虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室，上海交大也建設(shè)了虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)新教育實(shí)驗(yàn)中心。各高校都在相繼投入經(jīng)費(fèi)建設(shè)相關(guān)專業(yè)的虛擬仿真中心，助力現(xiàn)代智能實(shí)驗(yàn)發(fā)展。

目前，計算機(jī)類虛擬實(shí)驗(yàn)建設(shè)比較經(jīng)典有西安交通大學(xué)的Proteus硬件仿真實(shí)驗(yàn)，清華大學(xué)的網(wǎng)絡(luò)安防實(shí)驗(yàn)教學(xué)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的無人機(jī)群組協(xié)同作業(yè)空管平臺等。這些教學(xué)平臺按照虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)任務(wù)建設(shè)翻，投入使用后虛擬實(shí)驗(yàn)室成為教師、學(xué)生獲得知識技能，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重要場所。在技術(shù)飛速發(fā)展的今天，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)將會進(jìn)一步推動高校教育教學(xué)的改革、科研人員主動創(chuàng)新、學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的快速變化。

虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的教學(xué)效果十分明顯。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中能夠打破環(huán)境、實(shí)物的壁壘，模擬真實(shí)場景進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，興趣感強(qiáng)、效率高，能極大促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平提高，達(dá)到教與學(xué)的雙贏。

2高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)推動教學(xué)策略改革

傳統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)室采用純軟件仿真進(jìn)行系統(tǒng)模擬，存在觀察不直觀、實(shí)踐效果不佳等不足。現(xiàn)代虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室結(jié)合更多現(xiàn)代高科技實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合，互為補(bǔ)充，為沉浸式教學(xué)和沉浸式學(xué)習(xí)提供可能。沉浸式教學(xué)主要是借助于虛擬現(xiàn)實(shí)，消除了時間與空間造成的認(rèn)知阻斷，學(xué)生可以回到需要的環(huán)境中，更好地認(rèn)知和學(xué)習(xí)。沉浸式學(xué)習(xí)就是指通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為學(xué)習(xí)者提供一個仿真的學(xué)習(xí)環(huán)境，借助虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)習(xí)者通過高度參與互動、演練而提升技能。隨著虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的陸續(xù)建成，沉浸式教學(xué)和沉浸式學(xué)習(xí)逐步成為現(xiàn)代教育教學(xué)新方法。

2.1協(xié)調(diào)主體和主導(dǎo)之間的關(guān)系，重點(diǎn)突出科學(xué)管理加強(qiáng)環(huán)境建設(shè)

以學(xué)生為主體，以社會市場需求為導(dǎo)向，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生工程從業(yè)能力，著力培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新應(yīng)用意識。以教師和環(huán)境為主導(dǎo)，以沉浸式教學(xué)方法為前提，重點(diǎn)培養(yǎng)教師的管理能力，加強(qiáng)環(huán)境建設(shè)，為學(xué)生的沉浸式學(xué)習(xí)提供堅實(shí)保障。加強(qiáng)教師主導(dǎo)對學(xué)生主體的引導(dǎo)作用，學(xué)生促進(jìn)教師完善教學(xué)管理和設(shè)計，激勵教師不斷探索理論知識和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最佳結(jié)合方式，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

2.2加大實(shí)踐教學(xué)體系設(shè)計力度，更好實(shí)現(xiàn)沉浸式教學(xué)模式

實(shí)踐是理論的延續(xù)和拓展，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的安排既要兼顧理論知識的深度，又要兼顧學(xué)生的綜合能力，更要適合沉浸式教學(xué)的需要，因此，急需加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)體系設(shè)計。在遵守基本實(shí)驗(yàn)體系的基礎(chǔ)上，增加虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。以“理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相輔助，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研創(chuàng)新有機(jī)轉(zhuǎn)化，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與市場需求相融合，實(shí)體實(shí)驗(yàn)與沉浸式體驗(yàn)相結(jié)合”為設(shè)計目標(biāo)，設(shè)計虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系，探尋多層次研究型、開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式（如圖1）。借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)講授演示格局，引導(dǎo)學(xué)生向自主思考、探索方向轉(zhuǎn)變;打破傳統(tǒng)的簡單模擬操作向設(shè)計創(chuàng)新設(shè)計操作方向轉(zhuǎn)變;打破傳統(tǒng)簡單理論驗(yàn)證向運(yùn)用理論方向轉(zhuǎn)變。凸顯沉浸式教學(xué)的優(yōu)勢，增加綜合型和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的比重。學(xué)生按照分組互相合作完成沉浸式研究和學(xué)習(xí)，獲得直觀、真實(shí)的感覺和體會。接下來進(jìn)行創(chuàng)新型設(shè)計和操作，通過虛實(shí)結(jié)合，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐對理論知識深入理解，進(jìn)一步提高學(xué)生綜合應(yīng)用能力。

2.3不斷完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源的建設(shè)，加強(qiáng)成果導(dǎo)向教育模式的推進(jìn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)應(yīng)遵循由基礎(chǔ)理論知識運(yùn)用到專業(yè)應(yīng)用能力培養(yǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)綜合創(chuàng)新能力鍛煉的“進(jìn)階式”發(fā)展思路，圍繞專業(yè)課程及課程群之間的聯(lián)系逐步構(gòu)建。確保虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)遵守“能實(shí)不虛，虛為實(shí)補(bǔ)”的基本準(zhǔn)則，重點(diǎn)加強(qiáng)基礎(chǔ)型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)、專業(yè)型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)和綜合型虛擬仿真資源建設(shè)。突出在復(fù)雜性高、專業(yè)性強(qiáng)、危險性大的實(shí)體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中加強(qiáng)建設(shè)。同時注重科研成果轉(zhuǎn)換推動虛擬實(shí)驗(yàn)資源的建設(shè)，并促進(jìn)成果導(dǎo)向教育模式在虛擬仿真平臺上的應(yīng)用。

3高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)推動保障機(jī)制的完善

以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開放共享和充分使用為目標(biāo)，系統(tǒng)制定并有效實(shí)施保障虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教師工作績效考核、實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心維護(hù)與可持續(xù)發(fā)展等政策措施，建立有利于激勵學(xué)生學(xué)習(xí)和提高學(xué)生創(chuàng)新能力的教學(xué)效果考核、評價和反饋機(jī)制。

3.1逐步完善工作績效考核機(jī)制

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求高，難度大，資源建設(shè)工作量大，周期長。制定切實(shí)可行的績效考評體系和獎勵政策，促進(jìn)不同專業(yè)教師之間相互交流溝通，共同完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)和完善工作研。對參與工作的教師按其工作情況進(jìn)行績效考核，并進(jìn)行相應(yīng)的科研獎勵。遵守多勞多得、多出成果多得，激勵教師創(chuàng)新工作。

3.2逐步完善可持續(xù)發(fā)展的政策措施

按照教育部文件精神，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心充分體現(xiàn)“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的原則，不能盲目追逐信息化教學(xué)和虛擬化建設(shè)，而摒棄傳統(tǒng)成功的教學(xué)（實(shí)驗(yàn)）項(xiàng)目。建立健全虛擬仿真建設(shè)項(xiàng)目的審核機(jī)制，著力發(fā)展現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成教學(xué)過程課程實(shí)現(xiàn)虛擬教學(xué)。通過政策扶持，加大虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的開放力度，推動優(yōu)質(zhì)資源充分利用。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)和使用是一個長期的過程，為此，需要健全專業(yè)教學(xué)和管理隊伍。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人應(yīng)當(dāng)兼?zhèn)浣虒W(xué)水平與實(shí)驗(yàn)水平，構(gòu)建合理的人才隊伍，制定切實(shí)可行的獎勵和鼓勵機(jī)制，才能保障虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心長期穩(wěn)定發(fā)展。

3.3逐步完善學(xué)生的考評機(jī)制

培養(yǎng)社會認(rèn)可的學(xué)生就需要用社會或企業(yè)認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行考核評價。高校要與企業(yè)合作，聯(lián)合制定學(xué)生考評指標(biāo)，并分配到教學(xué)的各個環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)更能體現(xiàn)學(xué)生實(shí)踐能力，應(yīng)加大實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的考核比重，主要根據(jù)學(xué)生基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)完成情況和實(shí)驗(yàn)報告撰寫情況以及綜合項(xiàng)目完成情況進(jìn)行評判。實(shí)驗(yàn)完成情況的評價主要包括：完成度、正確性、花費(fèi)時間、方法的創(chuàng)新性;實(shí)驗(yàn)報告撰寫情況的評價包括：規(guī)范性和完整性。綜合項(xiàng)目完成情況考核包括：項(xiàng)目報告和項(xiàng)目匯報。逐步建立、完善學(xué)生實(shí)踐檔案制㈣，根據(jù)學(xué)生實(shí)踐檔案可以輔助競賽選拔，人才推薦等相關(guān)工作，大大加強(qiáng)學(xué)生管理工作。

4高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建議

對于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)，教育部已經(jīng)出臺多項(xiàng)政策進(jìn)行指導(dǎo)和規(guī)劃。并制定嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)“基礎(chǔ)性、先進(jìn)性、共享性、持續(xù)性、競爭性”。在遵守教育標(biāo)準(zhǔn)同時加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1.堅持以本校自身特點(diǎn)為基礎(chǔ)，深入踏實(shí)、穩(wěn)步建設(shè)。首先要建設(shè)好自身優(yōu)勢專業(yè)，進(jìn)而建設(shè)優(yōu)勢專業(yè)的虛擬仿真教學(xué)平臺，構(gòu)建優(yōu)勢虛擬教學(xué)資源，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的提升。2.推動教學(xué)資源開放共享，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)投入大，可以聯(lián)合多校或多專業(yè)共同建設(shè)、共享使用。3.加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源庫建設(shè)。在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心指標(biāo)體系中對實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的權(quán)重有明確規(guī)定不低于60%。而沉浸式教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)存在一定差異，原有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源存在“兼容性”不足。構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源庫是建設(shè)的核心工作，必須持續(xù)發(fā)展和建設(shè)。4.加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)師資隊伍建設(shè)。建設(shè)教學(xué)、科研、技術(shù)人員結(jié)合，核心骨干人員相對穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)合理的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊，形成一支教育理念先進(jìn)，學(xué)術(shù)水平高，教學(xué)科研能力強(qiáng)，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富，勇于創(chuàng)新的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)和管理隊伍，為今后引導(dǎo)學(xué)生開拓創(chuàng)新提供堅實(shí)基礎(chǔ)。

5結(jié)束語

從教育部提出“教育信息化”理念以來，全國各地的高校紛紛響應(yīng)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心陸續(xù)建設(shè)。教學(xué)方面也取得一定成果，尤其是在真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成教學(xué)實(shí)訓(xùn)中發(fā)揮巨大作用。隨著虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的逐漸普及，沉浸式教學(xué)將成為一種普遍的教學(xué)手段，必將引起現(xiàn)代教育教學(xué)的一場大變革。