新工科背景下虛擬仿真實驗教學在人才培養中的應用

容強　張思卿

摘 要：新工科改變了傳統以技術劃分專業的模式，取而代之的是依照行業特性和應用需求設置專業，設計與行業需求所適應的專業教學體系。文章以虛擬仿真實驗教學課程設計為切入點發現大學實驗課程存在一些問題：實驗方法與內容單一，學生積極性不高;綜合性和設計性實驗實施受阻;學生缺少探索的動力;實驗教學資源配置造成浪費。為培養符合新工科建設背景的合格人才，構建高效的虛擬仿真實驗，可以推進新型技術與高校實驗教學項目的有效結合，提升實驗教學質量和水平，從而保證“新工科”實踐教學的有效應用。

關鍵詞：新工科;虛擬仿真實驗;資源配置

新工科的研究與實踐是探索適合復合型人才培養的熱點話題與研究前沿，我國高等教育改革發展進入了一個新的時期，迫切需要加快建設“新工科”，在習近平總書記強調“圍繞培養什么人、怎樣培養人、為誰培養人”這一根本問題上，如何培養具備跨學科交叉融合能力、創新實踐能力的技術人才也是新工科設計與研究的首要問題[1]。認知實踐學習在高校復合型人才培養流程中是極為重要的一項教學環節，是綜合理論知識學習階段的延伸與拓展，是實踐操作和真實生產操作的加油站和蓄能池。

一、傳統大學實驗課教學存在的問題

新工科背景下，人才的培養要緊緊圍繞產業鏈、創新鏈展開，“以人才需求建專業，以技術更新改內容”，把產出導向作為衡量畢業生的重要標準[2]。目前高等教育越來越重視對大學生實踐能力的培養，實驗教學在人才培養中也占有非常重要的地位，但也有一些高校隨著教學實驗項目和生源的增加，原有的實驗儀器和場所已無法滿足學生對新知識的需求，在實驗教學和學生實踐認知操作上也慢慢凸顯出來不足，傳統實驗教學還存在資源分配不足、實驗內容與方法過于單一、實驗設備利用率低等諸多問題。

1.實驗內容和方法單一，學生被動做實驗

在傳統實驗教學中，實驗課只是驗證理論教學中所講的概念、數據或定理公式，實驗內容較簡單;實驗形式較單一，實驗班級的學生基本上是統一做相同的實驗內容;在實驗中學生基本上是按照教師所規定的步驟或方法一步一步完成實驗，學習方法比較被動，學生缺乏獨立思考，不能有效調動學生的主觀能動性。

2.學生缺少探索的動力和對專業知識的認知關聯

在傳統實驗教學中，往往學生只理解了某個單一問題的處理方法，而無法掌握和理解這項實驗在整個系統中的作用以及實驗知識點之間的相互關系。另外，由于學生水平的差異，對實驗的認知程度也大不相同，教師需要針對學生特點，具體分析、挖掘潛力，引導學生加強創新思維和提高自身科研素質。

3.開展綜合性、設計性實驗受阻

對于給定實驗目的要求和實驗條件，由學生自行設計實驗方案并加以實現的設計性、綜合性實驗，在實施中也存在實驗設備不達標、師生配比低、實驗學時分配不足等問題。

4.資源配置流于形式

現在還有部分高校實驗建設體系不到位，各專業實驗課程開設不足。學校雖然也購進了大量比較先進甚至是一些高水平的實驗設備，但是并沒有充分利用，可以說有許多就是“面子工程”。另外，為了簡化管理，許多高校的實驗室只是在上實驗課的時候才對學生開放，而其他時間關閉，這就造成了資源的浪費，實驗設備利用率低。

二、新工科背景下虛擬仿真實驗教學的應用探索

虛擬仿真實驗教學是“新工科”實踐教學的有效實施，是信息技術與學科專業的高效結合，建設信息化實驗教學資源、提高學生的創新能力和實踐水平，也是我國高校實驗教學的發展宗旨。構建高效的虛擬仿真實驗教學，拓展高校實驗教學內容深度和廣度，推動實驗教學整體質量水平的提高，形成開放的、共享的、有效的高校信息化實驗教學新體系，從而實現高校對復合型、新技術人才培養的教學轉型。下面以模擬實際化學工業生產過程的實驗教學為例探索三維虛擬仿真實驗在人才培養中的應用。

1.知識內容豐富，細節展示清晰

虛擬仿真實驗設計以“以學生為中心、任務為主導、體驗為引領”的實訓理念，通過三維虛擬仿真技術，對化工生產設備裝置中的各種設備裝置、工藝管線、反應儀器、控制中心以及安全設施等場景進行三維建模，將實際化學工業生產過程中的真實場景以VR技術進行形象逼真地呈現，使學生在實驗學習中有較強的沉浸感。

2.多學科交叉融合

仿真實驗符合多學科交叉融合理念，支持基本概念、化工設備、產品工藝、安全環保等四級認識實習內容，涵蓋化工、安全、設備、環保、自控等上百個生動形象、系統專業的知識點，有豐富的知識點素材。

3.可自定義教學內容

實驗相關知識點可自定義編輯，任課教師能夠根據自己教學要求，自行添加或刪除知識點內容，使學生的實踐過程更加便捷、高效，滿足個性化需求。

4.實驗運行設備工作狀態可透視

虛擬仿真實驗可利用VR技術，360度動態展示設備的外部形態、內部結構、工作原理，可以進入設備內部觀察設備工作狀態及工作現象，進行互動式設備拆裝體驗，使學生對工藝流程有更真實、直觀的理解。

5.提升學生綜合能力測評

實驗基于學習產出的教育模式（OBE教學理念），按照“結果導向”和“能力導向”讓學生在實驗中熟悉化工生產過程，掌握工藝要點的同時，進一步幫助學生建立對化工行業、相關職業以及技術專業的基本認知，提升學生的工程素養。

綜合測評系統包括理論題測評：除了理論知識的學習，還設置了思考題、問答題，以考查學生學習效果。

工藝流程設計搭建測評：學生需根據工藝流程和原理，自主設計、繪制工藝流程圖，使學生將所學知識靈活運用，有效提高創新、實踐能力。

安全意識培養與評估：軟件包含危險源辨識環節，在生產裝置3D場景中設置了多處疑似危險源，并有提示引導學生對疑似危險源進行識別和判斷，判斷后給出正確的知識點提示，有效培養學生安全意識。

完整的認識實習報告：實驗學習結束后，將理論思考題、簡答題、工藝流程設計等實習環節，匯總為一份認識實習實驗報告，方便教師對學生成績追蹤與備案。

新工科是工程教育發展到一定階段的必然結果，給傳統教學帶來了挑戰。“新工科”的背景對人才培養提出了新要求、新標準，因此，大學實驗課程的建設需進一步加強虛擬仿真技術的前瞻性研究，加強虛擬仿真實驗教學體系的研究，以期對新形勢下專業人才的培養提供有效路徑。

參考文獻：

[1]鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[2]蔣宗禮.新工科建設背景下的計算機類專業改革[J].中國大學教學，2017（8）：34-39.

作者簡介：容強（1971—），男，河南鄭州人，副教授，碩士，CCF會員，研究方向：網絡安全應用、軟件工程、并行計算。