虛擬仿真在農林院校基礎化學實驗教學中的應用思考

侯學會,王建玲

(河南牧業經濟學院,河南 鄭州 450046)

虛擬仿真(Virtual Reality)是指用一個系統模仿另一個真實系統的技術。“虛擬”與“現實”看似是含義相互矛盾的兩個詞，但是在當前科學技術高度發展的今天，它卻擁有新的含義。虛擬仿真技術依托計算機系統，實現虛擬世界的創建和體驗，包括再現現實世界，構想未知世界。這種技術在教學中得到了廣泛的探索和應用。

基礎化學是農林院校相關專業的必修專業課，其實驗教學是其中的重要組成部分。傳統實驗及實踐教學，出于條件、經濟、安全環保等方面的制約，使學生對實際生產中的裝置、模式缺乏體驗和認識。尤其是在安全生產方面學生更是無法獲得任何親臨現場的機會，這必將導致學生在安全生產方面的意識非常薄弱甚至缺失，不具備任何的應急處理能力。因此，在當前國家對環保和安全生產高度重視的嚴峻形勢下，對高等院校對化學生產相關專業的人才培養提出了新的更高要求[1]。 在這種新形勢下，高等院校對于一些高風險，高污染，高消耗的化學實驗通過仿真實驗的方式來實現對相關專業學生的訓練和體驗，從而對實現具備工業化生產技能的工程型人才培養。河南牧業經濟學院在化學相關專業基礎化學實驗虛擬仿真實驗教學的方法、手段等方面進行了初步的探索，實踐證明這種方法可以大大提高學生的動手能力、解決實際問題能力和應急處理能力。下面陳述一下我們的一點體會。

1 為什么要進行虛擬仿真實驗教學改革

2012年3月，教育部印發了《教育信息化十年發展規劃(2011～2020年)》，規劃要求開發整合各類優質教育教學資源，建立高等教育資源共建共享機制，建立優質數字教育資源和共建共享環境。2013年，教育部印發了《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》[2]。自此，虛擬仿真技術在高等院校教學工作中拉開了應用的序幕。隨著“5G”時代的到來，虛擬仿真技術在教學中的應用更加廣泛和深入。

社會經濟發展速度和水平高低與一個國家高等院校培養的畢業生的實踐能力息息相關。學生實踐能力的培養離不開各種現代信息技術和優質實驗資源。但是，當前高等教育存在的一個突出的問題是實驗實踐教學環節缺乏或內容滯后。傳統的實踐教學受到教學學時、場地、儀器、安全環保等問題的制約；另外，對于一些復雜的實驗，實驗原理和實驗過程無法觀測。而虛擬仿真實驗技術則不存在這些問題，達到了課堂教學的要求，成為教師有力的實驗教學工具，而且這種模式大大激發了學生的求知欲。虛擬仿真實驗技術使學生如同身臨其境般的融入到本來難以實現的實踐環境中去。這樣極大地誘發學生的學習興趣，促進了學生將所學的不同學科知識進行交叉，從而迸發出創造的思維火花。另外，在實驗教學中，虛實結合，利用虛擬仿真實驗技術可以解決部分成本高、危險性大、污染嚴重的實驗實訓環節，解決資源不足的難題[3]。當前，隨著相關部門的大力支持，虛擬仿真教學技術日臻成熟，很多高等院校已經積累了很多成功的經驗和共享化的作品，而對于一些專業性較強的院校尚需建立具有自己特色的虛擬仿真課程體系。

2 如何構建虛擬仿真實驗教學體系

2.1 把握虛擬仿真實驗內涵建設

明確建設思路，堅持高校人才培養緊跟社會發展需求，堅持密切把握行業發展新動向，在發展中體現特色的戰略。堅持將緊密人才培養與學校特色定位相結合。拓展實驗內容深度和廣度，重點解決真實實驗項目條件不具備或實際運行困難，涉及高危或極端環境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓練等問題。凸出虛擬仿真的優勢；擴展互動式、研究型、團隊式教學方法，推進探究式教學方法的普遍運用；采用多途徑、多方案、設計性實驗方法，凸顯學生綜合設計與創新思維能力培養的深度和廣度[4]。

2.2 積極開發與共享虛擬仿真實驗教學資源

虛擬仿真仿真軟件是虛擬仿真資料庫的重要組成部分。虛擬仿真實驗教學是信息化教育建設的重要內容，在實施虛擬仿真教學的過程中要堅持“規劃科學、資源共享、重點突出、效益最大、發展持續”的正確方向。目前，世界更都爭相發展5G通訊技術，我過在此方面處在領先地位，“5G+教育”時代應運而生，5G通訊技術數據容量劇增，傳輸速度大大提升，幾乎沒有傳輸時耗。所有這些特點使得我國現有教育教學資源共享化進程加快，及時是偏遠地區，先進的教學手段和前沿的教育資源也會瞬間獲得。因此，高質量的虛擬仿真教學資源的開發已經成為改變教育教學資源分布不均，師資力量差別較大等現狀的前提條件。只有高質量的虛擬仿真教學資源才能真正共享，所得的學生成績才能相互承認，教學效果才有可比性。

2.3 合理設置虛擬仿真實驗教學課程內容

①以學生為中心的實驗教學理念，根據培養對象的需求，設置的教學內容要充分調動學生積極和主動性，注重學生能力提升。②準確適宜的實驗教學內容，以問題、需求導向，本科教學人才培養為目標，體現必要性，適用性，堅持能實不虛。③創新多樣的教學方式方法利用各種可提升實驗教學效果的方式方法，比如研討式、探究式，倡導學生自主式、合作式、探究式學習。④先進可靠的實驗研發技術，結合學科特點和教學目標，選擇合適的研發技術。⑤虛擬仿真實驗教學項目應該是開放的，所建立的平臺和系統應該是穩定的、安全的。⑥敬業專業的實驗教學隊伍，完善實驗教學隊伍考核、獎勵、監督機制，鼓勵及支持教師參與。⑦在相關專業的培養方案中，不斷改進修正虛擬仿真實驗教學的評價體系，探索優質資源共享機制和學業成績相互承認的機制。⑧顯著示范的實驗教學效果，注重實際應用、教學效果、服務質量、持續更新， 提升學生的實踐創新能力。

2.4 正確把握項目建設方向

①堅持問題導向和需求導向；②符合培養計劃中既定的能力培養的目標；③把握好學生各種能力培養過程中傳統實驗教學方法中難以取得突破的環節；④教學內容應當具有獨立性，同時還應該適合開發性操作和實施；⑤加大探索性實驗分量，減少演示性實驗比例；⑥培養學生動手能力和創新意識。

3 虛擬仿真教學采用何種教學方式實施

虛擬仿真教學模式的總體原則是“虛實結合、能實不虛”，通過模擬的實驗環境和實驗對象，學生可以在開放、獨立、交叉的虛擬環境中開展效率高、安全性高而且低消耗、低污染的實驗，進而達到傳統教學中難以實現的教學效果；將實驗由被動模式變為主動模式；形成一個系統的、虛實結合、課內與課外、教與學為一體，具有基礎性、集成性、先進性的創新人才培養的化學類實驗教學新體系。

3.1 以探索研究式教學為主導

首先，通過平臺發布學習任務，要求學生通過平臺系統預習并熟悉教學內容，然后登陸系統通過軟件自主對實驗內容進行設計，并初步驗證，然后點擊標準操作進行對比糾錯修正，完成實驗步驟的正確操作，最終形成對工業化生產操作全面完整的認識，深刻理解工藝過程。通過這種模式的實施，培養學生主動學習的能動性。

3.2 以分組為主，統分結合的模式為主

在實驗情景的仿真設計中采用小組為實驗主體，討論與分組共存的操作方式，通過完成實驗任務，鍛煉學生的協作能力。當今時代不僅要求建設者具有很好的專業技能，同時要求成員間的協作意識和能力。因此，在實驗項目設置時，增加小組成員間的討論內容和不同小組之間的協作元素。

3.3 以學生推動實驗教學活動進程為主

命題的選擇充分體現學生為中心的思想理念，要求學生主動地預習，討論熟悉實驗內容，通過小組討論自主設計實驗步驟，通過系統軟件進行驗證和修正完善。通過完成這些任務激發了學生探索實驗機理的興趣，培養學生的團隊合作精神。

4 如何客觀評價虛擬仿真實驗教學效果

鑒于虛擬仿真技術的特點，其考核方式不同于傳統教學的考核方式。在教師教的方面主要包括以下幾點：①修改采用虛擬仿真實驗教學的相關專業的培養方案，使之相互適應。②制訂相關教學效果評價辦法，根據虛擬仿真實施過程中學生和教師的反饋情況，不斷修正相關教學評價方法；③采取切實有效的獎勵機制，推動教師探索虛擬仿真技術推廣和共享的績效評價辦法；④基于虛擬仿真技術平臺的資源共享下，各資源共享高校成員之間，實現相關實驗教學項目成績相互認可協議。

在學生利用虛擬仿真資源的學習效果的評價主要從以下幾個方面變革。①對學生的學習效果的評價時間不再固定在期末課程結束后進行，既然某課程的虛擬實驗課程授課內容，學生可以在該學年內的任何時段，通過自己的移動終端進行學習，那么學生可以在學年開課后的任何時間根據個人掌握的程度進行申請考核，如此有利于學生充分利用學習時間。②虛擬仿真課程的考核模式自由化，在開發虛擬教學資源時，設置多種考核模塊，考核內容不局限于相同的試卷或操作項目，不固定時間和地點進行考核。使考核內容多樣化，設置理論，創新、設計、應急處理等考核內容。③在共享虛擬仿真資源的系統內，學生的考核成績給共享單位應當給與承認，這樣有利于各共享單位對所開發資源的深度利用、有利于共享教學資源質量和水平的快速提升。

5 結論

虛擬仿真技術在高等院校教學中的應用將使實驗實訓教學的示教、訓練和考核方式更為科學、有趣、簡便易行。虛擬實驗的直觀不抽象、互動不被動、構想早驗證等特點可以大大提升學生的學習興趣！虛擬實驗的 綠色、安全、可共享 等特點有利于大規模改善學校的教學環境。