虛擬仿真實驗教學的必要性、存在問題及其可持續(xù)發(fā)展機制

李磊

[摘要]高校開展虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化的重要內(nèi)容。本文根據(jù)國內(nèi)高等教育實驗實踐活動的情況指出了開展虛擬仿真實驗教學的必要性，對目前虛擬仿真實驗教學項目發(fā)展存在的問題進行了分析，提出虛擬仿真實驗教學項目可持續(xù)發(fā)展機制。

[關(guān)鍵詞]虛擬仿真實驗;可持續(xù)發(fā)展;高等教育

[中圖分類號]G642

[文獻標識碼]A

[文章編號]1671-5918（2019）07-0151-03

doi：10.3969/j.issn.1671-5918.2019.07.064

[本刊網(wǎng)址]http：//www.hbxb.net

在當前新工科教育背景下，工科學生的實驗教學實踐能力培養(yǎng)顯得極其重要。當前，伴隨“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的蓬勃發(fā)展，課堂教學逐漸呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、信息化、虛擬化的發(fā)展趨勢，涌現(xiàn)出一批國家精品資源共享課程。但由于在線教學課程缺少實驗教學環(huán)節(jié)，日益引起廣大國內(nèi)教育工作者的關(guān)注。虛擬仿真實驗將虛擬現(xiàn)實技術(shù)一個逼真的、具有視、聽、觸等多種感知的虛擬實驗環(huán)境融入實驗教學，使學生產(chǎn)生身臨其境感覺，拓展實驗教學內(nèi)容的廣度和深度、延伸實驗教學的時間和空間。虛擬仿真實驗教學借助于虛擬現(xiàn)實、計算機仿真、多媒體和人機交互等先進技術(shù)手段，能夠使實驗者通過高度仿真的實驗對象和實驗環(huán)境在線完成實驗項目。作為一種新興的教學工具，虛擬仿真實驗教學對于高校傳統(tǒng)實驗教學模式極具挑戰(zhàn)意義。教育部辦公廳印發(fā)的<2017年教育信息化工作要點》提出要深化數(shù)字教育資源開發(fā)與應(yīng)用，遴選一批典型虛擬仿真實驗項目，開展虛擬仿真實驗共享平臺建設(shè)。2018年教育部下發(fā)了開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)工作的通知，并公布105個首批國家虛擬仿真實驗教學項目。生動、逼真的表現(xiàn)形式讓抽象的實驗過程以動畫形式形象逼真的展示，教師根據(jù)實際教學的需要，虛實結(jié)合，最大限度發(fā)揮虛擬仿真實驗的優(yōu)勢，提高教學效果。

一、虛擬仿真實驗教學的必要性

高校畢業(yè)生的實踐能力與社會經(jīng)濟水平密切相關(guān)。各種現(xiàn)代信息技術(shù)和優(yōu)質(zhì)實驗資源是增強學生實踐能力的重要手段。當前，各種在線教學課程在高校逐漸得到推廣和應(yīng)用，但存在一個突出的問題一實驗實踐教學環(huán)節(jié)的缺乏。而傳統(tǒng)的實驗教學一方面存在時間、空間以及實驗臺套數(shù)的限制，另一方面還存在實驗原理、實驗過程等不可視等限制。虛擬仿真實驗是虛擬現(xiàn)實技術(shù)與學科專業(yè)深度融合的產(chǎn)物，為學生提供具有良好沉浸感和獲得感的虛擬仿真實驗環(huán)境，激發(fā)學生學習興趣，促進學生多學科、多專業(yè)知識點融會貫通的能力。目前，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的日漸成熟，以及國內(nèi)高校信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)越來越完備，不少國內(nèi)高校已具備開展虛擬仿真實驗教學的條件，并根據(jù)教學和科研的需求建立了虛擬仿真實驗室。

（一）實驗教學的需求

虛擬仿真實驗與實際實驗相結(jié)合，突破了實驗教學對客觀條件的依賴性，滿足實際課堂教學需要，逐步成為老師得力的實驗制作工具。虛擬仿真實驗一方面通過模擬虛擬實驗環(huán)境，將知識可視化呈現(xiàn)，調(diào)動學生參與實驗實踐活動的積極性和主動性，另一方面使學生對那些真實實驗難以開展的實驗機理和實驗現(xiàn)象進行深入了解。

（二）實驗教學改革與創(chuàng)新的需要

為了滿足我國走新型工業(yè)化道路、建立創(chuàng)新型國際、提高國家競爭力，高校需要培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的復合型人才。因此，需要加強實踐教學，提高學生的實踐能力。全天候接收信息的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和立體化、全方位的感官刺激的虛擬仿真技術(shù)使學生能夠全天候、全空間、高效和高保真的獲取教學信息。當代大學生具備應(yīng)用良好信息技術(shù)手段來獲取學習知識的能力，具有良好的創(chuàng)新精神和獨立思考的能力。原有的實驗教學模式很難激發(fā)學生的學習意愿和動力，需要轉(zhuǎn)變實驗教學模式以適應(yīng)學生自主學習的需要。學生可以對虛擬環(huán)境中的對象進行操作，并能如同在真實世界中一樣得到實在的反饋，虛擬仿真實驗室是以自然的方式進行交互，實時地與在真實環(huán)境中一樣的感知，從而忽略了計算機的存在。使學習者置身于其中的感覺，能夠?qū)崿F(xiàn)互動教學實驗，可最大限度地激發(fā)學生學習興趣，有助于發(fā)展學生的構(gòu)建思維，具有獨特的實驗教學的實踐作用。

（三）實踐教學的需要

針對高等教育需要開展的部分高成本、高消耗、高危險、高污染的實踐環(huán)節(jié)，在實踐教學環(huán)節(jié)中，可以虛實結(jié)合，開展虛擬仿真實驗教學，解決實踐教學資源不足的問題。通過虛擬仿真實驗教學可以讓學生在高仿真環(huán)境下，既保證安全又能高效的開展教、學和練，不僅節(jié)省了大量時間和經(jīng)費，避免實際操作過程可能出現(xiàn)的危險，又能有效提高學生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力。

二、虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)存在的問題

（一）“內(nèi)容”與“骨架”分離

專業(yè)教師是虛擬仿真實驗教學內(nèi)容質(zhì)量的關(guān)鍵所在。教學主體的教師是教學資源的創(chuàng)造者和更新者。虛擬仿真實驗教學的“內(nèi)容”建設(shè)一定要圍繞著內(nèi)容的創(chuàng)造者（專業(yè)教師）展開。當前，可以提供虛擬仿真技術(shù)的公司較多，但只有專業(yè)教師才能夠提供虛擬實驗教學內(nèi)容設(shè)計。專業(yè)教師利用豐富教學經(jīng)驗設(shè)計實驗?zāi)康拿鞔_、知識點豐富、通俗易懂、由易入難、專業(yè)素材規(guī)范的虛擬仿真實驗的教學內(nèi)容。虛擬仿真實驗教學項目的建設(shè)需組織一批專業(yè)教師完成實驗內(nèi)容設(shè)計，交由專業(yè)軟件公司完成開發(fā)工作，才能完成虛擬仿真實驗的教學實驗建設(shè)。假若專業(yè)教師構(gòu)建了實驗教學內(nèi)容，但由于資金欠缺等原因無法找到合適的技術(shù)支持，也無法達到“內(nèi)容”所需要的虛擬體現(xiàn)。同樣軟件公司雖然在信息技術(shù)方面具有優(yōu)勢，但不了解學科專業(yè)，所開發(fā)的軟件存在諸多缺陷，無法滿足教學大綱要求的實驗教學效果。因為，為了深入推進教育信息化，需要進一步完善多元化實驗教學體系，將部分專業(yè)教師分離出來，專門從事虛擬仿真實驗教學資源的開發(fā)與教學實踐。

（二）缺乏標準

目前，各高校虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)存在技術(shù)標準和意識空白、不統(tǒng)一、資源兼容性差。管理平臺的系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)庫支持、功能模塊、運轉(zhuǎn)流程等各不相同，相互對接存在障礙。部分虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)為求新而求新，雜亂無章的堆積硬件的現(xiàn)象。因此，當前亟須明確虛擬仿真實驗項目建設(shè)規(guī)范。

（三）開放共享不足

由于虛擬仿真實驗教學平臺共享機制的不健全，平臺的管理制度不完善、知識產(chǎn)權(quán)的歸屬不明晰等原因，相當一部分虛擬仿真實驗教學項目的共享范圍僅限于校內(nèi)，在國內(nèi)高校之間尚未形成暢通的共享渠道。各高校的虛擬仿真實驗教學項目必須依托高校校園網(wǎng)公共教學平臺，使虛擬仿真實驗教學項目優(yōu)質(zhì)實驗室資源得以開放共享和充分使用，通過建立相應(yīng)的激勵機制調(diào)動各相關(guān)高校和單位參與共享的積極性。

三、虛擬仿真實驗教學可持續(xù)發(fā)展機制

如何實現(xiàn)虛擬仿真實驗教學資源的可持續(xù)發(fā)展直接影響今后我國高等教育實驗實踐教學的質(zhì)量。可持續(xù)發(fā)展的實現(xiàn)要有一個有效的管理體系。管理和決策能力的提高是可持續(xù)發(fā)展能力建設(shè)的重要內(nèi)容。綜合應(yīng)用各種手段，社會參與和有效的評價、反饋體系是虛擬仿真實驗教學項目可持續(xù)發(fā)展的必要保證。

（一）知識產(chǎn)權(quán)保護

當前中國經(jīng)濟結(jié)構(gòu)進入重要轉(zhuǎn)型期，隨著改革開放的深入發(fā)展，國內(nèi)外競爭越來越激烈。為了促進國內(nèi)企業(yè)、高校和研究院所在激烈的競爭環(huán)境中持續(xù)創(chuàng)新，我國政府始終高度重視對知識產(chǎn)權(quán)的保護。虛擬仿真實驗教學資源是智力勞動成果，具有明顯的知識所屬權(quán)。因此，當前一方面應(yīng)逐步健全虛擬仿真實驗教學項目的共享機制，另一方面也需要采取必要的措施，明確知識產(chǎn)權(quán)歸屬，對其進行知識產(chǎn)權(quán)保護，保護開發(fā)者的權(quán)益。

（二）持續(xù)的經(jīng)費保障

虛擬仿真教學實驗項目的建設(shè)和發(fā)展均需要充足的經(jīng)費。目前項目的建設(shè)經(jīng)費主要來自高校、地方政府和教育部等部門。而今后項目的持續(xù)發(fā)展和完善則需要依賴資源的有償共享收入。

（三）社會參與

高等學校具有專業(yè)知識優(yōu)勢，但利用虛擬仿真技術(shù)方面不占優(yōu)勢。因此，需要制定校企合作的相關(guān)政策，建立相應(yīng)的激勵機制，有效地吸納社會資源。可以通過校企合作共同研發(fā)虛擬仿真實驗教學平臺、企業(yè)為高校提供實際的技能培訓、以虛擬仿真資源為依托培訓企業(yè)技術(shù)人員以及通過收益合理分配，構(gòu)建利益共享，讓企業(yè)參與共享平臺的管理和升級4種合作方式開展虛擬仿真實驗教學項目的建設(shè)和維護。

（四）有效的評價和反饋體系

虛擬仿真實驗教學項目的有效評價和反饋體系的建立具有兩方面的優(yōu)勢：（1）有利于突出優(yōu)質(zhì)資源。口碑良好的虛擬仿真實驗教學資源被越來越多的師生使用而口碑差的逐步被淘汰。（2）有利于資源的完善和改進。通過評價體系，虛擬仿真實驗教學項目開發(fā)者可以依據(jù)師生反饋意見對資源進行改進，持續(xù)性的提升資源質(zhì)量。

四、結(jié)論和討論

虛擬仿真實驗教學是網(wǎng)絡(luò)化和虛擬仿真技術(shù)催生、發(fā)展起來的一種全新的實驗實踐教學模式，對實體實驗具有良好的補充作用。因此，開展虛擬仿真實驗教學既是適應(yīng)時代發(fā)展的需要，也是深化教學改革提升辦學質(zhì)量的需要。隨著互聯(lián)網(wǎng)、計算機信息技術(shù)以及“互聯(lián)網(wǎng)+教育”模式在國內(nèi)的快速發(fā)展，虛擬仿真實驗教學已成為國內(nèi)工科院校培養(yǎng)大學生實踐動手能力的重要手段。建立以實為主、虛實結(jié)合的實踐教學體系，彰顯虛實結(jié)合的教學特色和提升學生創(chuàng)新實踐能力。為了滿足我國走新型工業(yè)化道路、建立創(chuàng)新型國際、提高國家競爭力，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的復合型人才。

目前，虛擬仿真實驗教學項目僅僅對實物和知識的虛擬仿真實現(xiàn)，對高校實驗的程序化教學具有一定的幫助，虛擬仿真實驗教學過程中不會出現(xiàn)其他意外結(jié)果。由于受軟硬件限制，尚不能對自然界中的不確定、不可控因素進行有效模擬，無法對自然界中隨機產(chǎn)生和進化的特征進行模擬。隨著5G和AI等科學技術(shù)深入發(fā)展，虛擬仿真實驗教學的模擬水平必將逐步接近現(xiàn)實情況。

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