高校虛擬仿真實驗室的建設與改革研究

王慧　白紅英　馬麗

[摘 要] 作為高等教育信息化的重要組成部分，虛擬仿真實驗室是多學科多專業與現代信息技術相互融合的必然產物。在其蓬勃發展的過程中，存在共享程度低、師資隊伍薄弱、跨專業融合程度不足、實驗教程未普及以及利用率較低等特點。對此，進一步提出了整改建議：組建虛擬仿真實驗教學聯盟實現資源共享，領頭人牽頭制定虛擬仿真實驗教學系統及教程，鼓勵建設綜合性虛擬仿真實驗室，組建監督隊伍完善監督機制，制定政策、建立激勵機制、促進隊伍建設。

[關鍵詞] 虛擬仿真實驗室；示范；實驗教學；資源共享

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 07. 089

[中圖分類號] G647；TP391.9 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2019）07- 0216- 03

0 引 言

綜合多媒體技術、大數據技術、人機交互、傳感器技術、三維建模技術以及云計算等多種技術手段于一身的虛擬仿真實驗室，在高校的教學實驗過程中能達到以“虛”代“實”，學生由被動學習變主動學習的效果，實驗教學效果也得到了顯著地提高 [1]。以信息技術應用為本質特征的虛擬仿真實驗教學，適應了信息時代高等教育開放辦學、資源共享的變革要求，為學生開展探究性學習、自主實驗和創新實踐提供了先進手段、開放平臺和優質資源，在提高人才培養質量的同時，也為實驗教學改革和實驗室建設增添了活力和動力[2]。虛擬仿真技術在實踐教學中的應用，打破了傳統實物實驗室在時間和空間上的局限性，同時有效地解決了高校實驗經費、設備、場地不足的問題，在提高高校實踐教學質量、改進實踐教學模式和增強學生自主學習意識方面具有重要的意義。虛擬仿真實驗室的建設受到各大高校的高度重視，其發展也面臨著一些新問題和新挑戰。

1 高校虛擬仿真實驗室的建設意義

虛擬仿真實驗室，以多種現代技術為依托，通過仿真各種大型儀器設備，設計各種實驗場景和實驗步驟，使學生在虛擬場景中通過人機交互的方式按照各種步驟開展實驗，達到教師指定的各種實驗項目的目的。虛擬仿真實驗室是虛擬仿真技術、計算機技術和其他多學科專業理論知識深度融合的結晶。

在國內，正興起一股建設虛擬仿真實驗室的熱潮。北京大學利用沉浸式系統，結合G-Motion光學位置追蹤系統，構建了沉浸式虛擬現實展示交互實驗室。清華大學通過搭建一面墻虛擬現實投影系統和多人異地協同設計工具構建了成形制造模擬仿真三維虛擬現實實驗室，應用于材料的快速成型與虛擬制造。上海交通大學建設的虛擬現實創新教育實驗中心打造了集教學、實訓、實踐、科研于一體的大型創新教育實驗中心。南京理工大學通過樓上實物實驗室樓下虛擬實驗室模式實現了 “虛實相結合”，虛擬仿真技術進入課堂、融入教材，提高學生的全數字化設計水平。

在高校，一個成功的虛擬仿真實驗室能積極促進科研人員、教師以及學生廉價質優、團隊合作、主動進行學習交流和創新開發，虛擬仿真實驗室成為了大家獲得知識技能的重要場所[3]。特別是在技術飛速發展的今天，虛擬仿真實驗室的建設將推動高等院校教育教學改革、科研人員主動創新、學生自主實驗的快速變化[4]。虛擬仿真實驗室是學科專業與信息技術深度融合的產物，在高校，應用虛擬仿真技術建設實驗室是實驗室建設方面發展的趨勢，是推動高校實驗教學改革與創新的重要方向[5]。

虛擬實驗室的建設解決了難以進行真實實驗或者因資金缺乏不能建設實體實驗室的情況，虛擬實驗室解決了高危或極端環境作業、高投入高成本以及對操作成功率要求極高等問題。虛擬仿真實驗具有較明顯的教學效果，學生在實驗過程中興趣濃厚，自組織和實踐能力顯著增強；教師在授課過程中減少了重復介紹實驗過程和步驟，而且在虛擬實驗的設計和制作過程中一定程度上提高了其科研能力，受益面極廣。

2 國內高校虛擬仿真實驗室建設特點和存在問題

在中國制造2025重點領域技術路線圖中，虛擬現實被列為智能制造核心信息設備的關鍵技術之一[6]。虛擬現實技術在實驗室中的成功應用產生了各種虛擬仿真實驗室，如模擬機械加工虛擬仿真實驗室、全國景區旅游虛擬仿真實驗室、醫學內科手術仿真實驗室等，這些實驗室極大地提升了全國高校實驗教學水平。通過大量調研和實地考察，有些院校的虛擬仿真實驗室正如火如荼地蓬勃發展著，學生和老師的參與程度達到了80%以上，但有些高校的虛擬仿真實驗室實際利用率非常低。本文總結了全國高校的虛擬仿真實驗室普遍存在的問題。

2.1 各大院校虛擬仿真實驗室的教學資源整合與開放共享程度普遍較低

當前各大高校越來越注重實踐教育在本科教學中的重要地位，尤其是教育部發布本科高校向應用型轉變的指導意見以來，各個高校紛紛開始增建實驗室，加大對學生實驗教育的培養，虛擬仿真實驗室應運而生。然而目前大部分高校的虛擬仿真實驗室彼此封閉、煙囪式的發展。對軟硬件供應商的依賴程度較大，與周邊院校的合作共享開放程度較低。在相同專業領域中，各個院校針對自己的專業所創作的虛擬仿真實驗項目整體內容一致。如果能形成一種開放共享資源模式，則可避免不必要的重復勞動，還可以實現優勢互補。

2.2 虛擬仿真實驗室開展實驗所使用教材的普及程度較低

目前，在虛擬仿真實驗教程這塊兒沒有國家統編的教程。大多高校以虛擬仿真實驗軟件供應商所提供的設備手冊作為實驗指導書[7]。然而，設備手冊不能完全滿足實驗教學的需求，學校應根據所設專業的特點，組織編寫更實用的虛擬仿真實驗指導書。指導書中，對于軟件供應商提供的實驗項目，要結合自己的實際授課背景，進行相應的增刪改，優化實驗步驟，擴展實驗項目。重點在實驗的教學體系、實驗基本原理、實驗方法以及大型設備的構造原理和注意事項方面進行詳細的描述。

2.3 虛擬仿真實驗室跨專業融合程度較低

虛擬仿真技術集多學科知識于一身，在各個學科都能得到很好的利用。例如在計算機領域、機械工程領域、旅游管理領域以及現在開始應用的手術培訓、導航、心理治療和康復訓練等領域都可以得到很好的綜合利用[8]。目前大部分院校為了打造特色專業，虛擬仿真實驗室的建設只是針對單點專業進行的。據統計，全國現有理工類的虛擬仿真實驗室大約占比為70%，文科類的則應沒有得到重視而少之又少[9]。甚至有些院校由于資金實力雄厚，為多個重點理工學科分別建設虛擬仿真實驗室，造成了軟硬件資源的浪費，也不利于多種信息技術的整合。

2.4 虛擬仿真實驗室的利用率情況

一些高校的虛擬仿真實驗室前期投入了大量的建設經費，但是落成后資源利用率并不高，形成了嚴重的資源浪費。有調查顯示，年使用在600學時以上的虛擬仿真實驗室僅占27%，隨著新技術的更新迭代，相應的軟硬件設施的折舊率很高，從而造成了資源的浪費[5]。通過走訪調研，發現有一類虛擬仿真實驗室在建設初期的目標制定得比較高，但是在實際運行過程中，由于各種原因導致老師們對實驗室教學的期望值逐漸降低，甚至有些實驗室逐漸變成了雞肋，形成“僵尸型”實驗室。還有些院校，由于得到政府有關部門的大力支持，虛擬仿真實驗室的建設成為了“門面工程”，有的甚至成為政府有關部門召開會議的專用場所，而實際在教學中的利用率并不高。

2.5 師資隊伍建設問題

由于受傳統教學實驗方式的影響，利用虛擬仿真技術進行的“虛”實驗在年齡較大的教師群體中并未得到認可。需要在各個高校形成一支以年輕人為主的跨學科多專業融合的虛擬仿真實驗師資隊伍。

3 高校虛擬仿真實驗室建設改革建議

教育部根據《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》在“十二五”期間開展了國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設工作，隨后在教高廳〔2017〕4號文件中提出了在2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知，旨在推進信息技術與高等教育實驗教學的深度融合，不斷加強高等教育實驗教學優質資源建設與應用[10]。對于現存的高校虛擬仿真實驗室建設和應用中的諸多問題，本文提出了以下的一些建議。

3.1 組建聯盟實現虛擬仿真實驗室資源開放與共享

全國高校的虛擬仿真實驗室組成一個聯盟，建立統一的交流機制。建立平臺門戶系統，科技部、高教部是平臺的宏觀管理部門，負責制定平臺發展規劃、管理政策和標準規范，并組織開展平臺運行服務評價考核工作。提出積極的鼓勵政策，打破院校保護主義，鼓勵各個院校將虛擬仿真實驗室的教學資源在平臺上實現共享，優勢互補，實現全國各省各自治區虛擬仿真實驗教學水平均衡發展，提高我國虛擬現實技術在高等教育中的整體發展水平。

國家級示范性虛擬仿真實驗室應輻射周邊地區及其他偏遠地區院校，起到帶頭引領作用，并實現資源共享。例如北京、上海、南京等城市的軟硬件資源和人力技術資源相對較為集中，實驗室的師資力量也是較為雄厚的，開展的虛擬實驗項目較多。而內蒙古自治區目前沒有一所國家級示范性虛擬仿真實驗室，在今年內蒙古醫科大學才著手開始申報工作。如果全國高校的虛擬仿真實驗室在示范性實驗室的帶領下能結成一個聯盟，實現資源共享，并輻射其他地區院校，則會整體提高我國高校在虛擬仿真實驗室這方面的發展水平。

3.2 規劃制定虛擬仿真實驗室教學教材

由國家級示范性虛擬仿真實驗室做牽頭人，制定統一的實驗教學體系，撰寫統一的實驗教材或指導書，形成統一的要求，進一步普及所使用的教材。各個院校可以根據實際授課情況進行部分內容的修改，但是整體教學體系保持不變。

虛擬仿真實驗室實驗內容保障參差不齊，國家級示范性虛擬仿真實驗室帶頭人應帶領其他院校的相關實驗室管理人員根據所屬學科專業制定統一的實驗教學體系，撰寫統一的實驗教材或指導書，形成統一的要求，進一步普及所使用的教材。形成統一的實驗資料有助于揚長避短，進一步發揮專業特長，提高實驗效果。

3.3 融合多個學科構建綜合性虛擬仿真實驗室

鼓勵高校提高信息技術整合力度，搭建綜合性的虛擬仿真實驗室，避免虛擬仿真實驗室結構單一，功能單一，利用率較低情況的發生。鼓勵教師將人工智能技術、大數據等技術創新性融合于虛擬仿真實驗室中，實現虛擬現實技術由現在的“3I”變為“4I” （第4I是指“智能”）， 提高虛擬仿真實驗室的創新力度。

各個高校虛擬仿真實驗室應實現跨專業融合，形成多個學科共用綜合性虛擬仿真實驗室，節約資源，避免重復建設，合理制定開放手段，提高實驗室利用率。

3.4 建立持續有效地虛擬仿真實驗室的監督機制

組建虛擬仿真實驗室建設以及應用監督隊伍，制定詳細的監督機制。對已建成的虛擬仿真實驗室和正在規劃籌建的虛擬仿真實驗室展開定期考核工作。主要針對的有：虛擬仿真實驗室利用率情況；虛擬仿真實驗開設情況；虛擬仿真實驗的內容制作及實驗內容更新情況。

建立虛擬仿真實驗室監督隊伍，完善監督機制，形成定期考核制度，督促“僵尸型”虛擬仿真實驗室的改革創新，給“門面工程型”虛擬仿真實驗室的建設施加壓力。

3.5 建設敬業而且專業的虛擬教學隊伍

制定政策、建立激勵機制，促進隊伍建設。設立實驗技術成果獎，調動實驗人員技術創新的積極性，鼓勵實驗技術的研究和開發；擺脫虛擬仿真實驗內容制作完全依賴購買狀況，鼓勵虛擬仿真實驗教學內容自制、實驗內容升級改造或者實驗內容的延伸拓展，設立各種獎項激勵學生和教師對虛擬仿真實驗室的興趣，激發學生和教師在這方面的創造性發揮。

重視實驗教學隊伍建設，圍繞虛擬仿真實驗教學項目建設運行，鼓勵多學科各個專業的青年教師主動參與，鼓勵理論知識豐富能力過硬的教師積極從事虛擬仿真實驗項目的設計與制作。建立完整的虛擬仿真實驗教學隊伍考核監督機制，獎勵利用虛擬仿真實驗室進行研發和實踐教學實驗的教師，最終促進形成一支敬業專業的虛擬仿真教學團隊。

4 結 語

隨著信息技術在虛擬仿真實驗室中的不斷深入，虛擬仿真實驗室的建設進入了白熱化階段。建立制度健全的監督考核機制有助于消除“僵尸型”和“門面型”虛擬仿真實驗室。建立虛擬仿真實驗室教學資源共享平臺能夠充分發揮示范性虛擬仿真實驗室的帶頭作用，引領全國高校高質量發展虛擬仿真實驗教學。完善教學體制，制定統一的虛擬仿真實驗教學指導用書，編制相關實驗教程，形成標準的考核機制。采取激勵措施，建設一支高水平的虛擬仿真實驗教學人員，為虛擬仿真實驗室的長期發展奠定堅實的基礎。

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