本科教學虛擬仿真實驗之思考

李震彪

本科教學虛擬仿真實驗之思考

李震彪1,2

（1. 華中科技大學 實驗室與設備管理處，湖北 武漢 430074； 2. 華中科技大學 電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430074）

近年來，本科教學虛擬仿真實驗項目的研發在國內高校開展得非常普遍。但是虛擬仿真實驗應該注意什么問題、避免什么弊端、用什么方式進行開發和使用，公開報道的文獻不多。該文從虛擬仿真實驗的本義再認識出發，提出了必須注意避免的4個弊端，提出了虛擬仿真實驗開發的合理方式。

虛擬仿真；實驗教學；實驗開發

1 虛擬仿真實驗現狀

近年來高校本科教學虛擬仿真實驗項目申報與開發，如火如荼，千校申報、萬人競爭。關于虛擬仿真的會議，也是百花齊放、五彩繽紛。從層級上看有校內的、省內的、全國的，從內容上看有如何獲得上級項目批準進行申報指導的，有虛擬仿真如何應用于本科教學實踐的等。大江南北、黃河上下，一派駿馬奔騰、齊抓共管的態勢。

但是，虛擬仿真實驗項目如何真正地為提高本科教學質量服務，如何確實地為人才培養內涵發展做出貢獻，如何在信息時代為提高辦學效益做出實質性探索，避免“跟風”和“形象工程”，避免為短期效益的“帽子”“排名”所累，避免空心化的“趕時髦”，避免“爛尾樓”等，有許多問題需要冷靜和理性的思考并加以注意。

在CNKI中國知網學術文獻總庫（http://www. cnki.net）中，以2010年1月1日到2019年6月22日為時間區間，以文章“篇名”含“虛擬仿真實驗”和“虛擬仿真”進行搜索，結果顯示作者單位為中國頂尖大學9校聯盟（C9）的文章分別有19篇和63篇，作者單位含“大學”（即全國“大學”）的合計分別為611篇和1835篇。作者單位含“公司”的分別有10篇和175篇。在9校聯盟的63篇“篇名”含“虛擬仿真”文章中，復旦大學為0篇、華中科技大學0篇、北京大學為2篇、南京大學為5篇，文章較多的是哈爾濱工業大學（21篇）和浙江大學（13篇）[1-10]。

上述文章的數量與內容具有如下特點：一是頂尖大學（C9）校的虛擬仿真文章數比例較低，僅占全國大學的3.1%（19/611）和3.4%（63/1835）；二是文理科大學虛擬仿真文章比工科大學更少，如C9的北京大學、南開大學、中國科學技術大學、復旦大學，在9校的63篇文章中僅有7篇，占11.1%；三是公司參與的虛擬仿真文章極少，與大學之比僅為9.5∶100（175∶1835），且含有公司作者的文章多數第一作者是大學，即公司作者為主的文章非常少；四是虛擬仿真內容上是針對某一門課或某一組相近實驗的較多，多學科交叉綜合的較少；五是虛擬仿真項目自產自用者多，形成著名品牌并在市場上占有一定份額，被許多所高校廣泛采用的較少；六是虛擬仿真項目重復建設現象存在；七是以“虛擬仿真必須作為前提”的為何做、怎樣做、做什么，文章介紹的比較多，而虛擬仿真研發中需要注意避免的弊端、克服的不足，則討論和敘述較少[1-10]。

2 虛擬仿真實驗再認識

“虛擬仿真”簡單講是指利用計算機生成的虛擬系統模仿另一個真實系統，包括視、聽、觸、嗅及三維空間環境的人的感受逼真性和人的操控與虛擬系統的實時交互反應逼真性，即虛擬仿真的特點是通過虛擬世界與人的交互，反映真實世界。

“實驗”是指在可控條件下進行的操作，以發現未知的科學規律或現象，或用于驗證已知的知識規律，或測試并建立某種科學假說。

因此，虛擬仿真實驗在功能上必須達到以下要求：

（1）真實，即虛擬系統所展示的科學現象與規律與真實系統具有一致性；

（2）交互，即人與虛擬系統可以交互，實驗條件可以人為調整；

（3）顯隱，即隱性部分顯性化，真實系統中常處于隱性難見的部分，在虛擬系統可以顯性化展示。如物體的溫度場、電場、磁場、力場、流場可以按需實時顯示等；

（4）廣用，指信息化產品的特點是易于網絡化、多用戶化、用戶廣域化，比如“慕課”就可以全球實時網上聽課學習，網絡游戲也可以任何地點上網操作。

3 虛擬仿真實驗（軟件）應注意避免的弊端

3.1 逼真不足

虛擬仿真的重點是“真”，“真”包括2個方面，一是虛擬系統實驗過程及其結果的展示與真實系統的過程與結果高度一致，符合科學規律；二是虛擬系統的實驗環境及實驗者的感受與真實系統一致，包括視、聽、觸、嗅及三維空間結構及比例等。比如，實驗設備、實驗材料、實驗空間布局、實驗物理環境（如化學實驗通風櫥的排風方向、風速、溫度、濕度等），均應與實際實體境況一致或高度接近。

因此，對于虛擬仿真實驗平臺，在投入使用前必須組織業內專家進行“真實性”鑒定評價，包括多種變化條件下的實驗過程及結果是否均嚴格符合科學實際，實驗者的感受是否真實。科學實驗“差之毫厘、謬之千里”，虛擬仿真實驗一旦失去“真實”，輕則教學不嚴謹、教學質量低下，重則傳播假科學、誤人子弟、貽害大眾和國家科技發展。

所以，對于虛擬仿真實驗項目如何“證真”，十分重要，極為關鍵，不能馬虎。

3.2 交互貧乏

真實系統的實驗由于實驗條件可調、實驗設備與環境可組合變化、實驗難度與內容可動、實驗結果可觀察，因而具有生動趣味。虛擬仿真實驗既要避免單向播放式、簡單動畫式，也要避免實驗條件簡單、實驗設備與材料貧乏、實驗內容單調等造成的交互性差、呆板枯燥等現象，避免“摸啥摸不著，要啥也沒有”的“虛、空”等情況。如何最大限度地增進“交互性”，最大限度地逼近真實系統的實驗內容豐富性，是虛擬仿真實驗必須重視的問題，也是虛擬仿真實驗是否具有生命力，是否師生喜歡用的重要方面。

所以，交互性的多與少、難與易、有趣與枯燥，是虛擬仿真實驗研發中必須注意的另一問題。

3.3 顯隱缺失

虛擬仿真信息化產品的特點之一是可提供真實系統實驗之外的“增值服務”，幾乎可以“想啥有啥”。即與真實系統實驗相比，虛擬仿真實驗可實現“觀宏”（觀察普通真實實驗觀察不到的宏觀現象）、“探微”（微觀世界）、“克難”（開展真實系統不允許或極難進行的實驗，如極限壓力、核泄漏、核爆炸等）、“顯隱”（人眼看不到或一般儀器不易測量的實驗過程中伴隨的科學現象，如溫度場、流速場、電磁場等）。總之，虛擬仿真實驗，從理論上講應該能實現諸多真實系統難以實驗的內容或觀察的現象，化“隱”為“顯”，化“無”為“有”，提供增值服務。

所以，虛擬仿真實驗平臺能夠提供的“顯隱”多與少、粗與細、深與淺，是衡量該虛擬仿真實驗水平高低的重要指標。

3.4 廣用不足

虛擬仿真實驗項目（軟件）類似于教材，對于教材是每個學校都自己進行編著，還是直接購買市場上已有的？教材的編著是宜于個人開展，還是應該教授團隊集體進行，或是多所高校聯合編著？教材編著時的目標僅僅是自家使用、自產自銷，還是希望能夠被一定范圍推廣，能夠被許多高校使用？教材編著是為了大學排名、學科排名、職稱晉升，還是為了切實提高人才培養質量？

定位不同、目的不同、方法不同、作者不同，肯定會造成教材水平不同、適用面不同。此外，虛擬仿真項目教材，作為信息化產品，應注意信息化產品的特點：只有第一，沒有第二（如搜索引擎，國際上是google，國內主要是百度，或者只有少數幾個品牌稱雄全世界，如社交平臺，國外主要有twitter、facebook，國內主要是微信、QQ）。

虛擬仿真實驗平臺是實驗教學的工具與手段，只要能達到教學目的，能夠在市場上買到現成的高水平虛擬仿真實驗平臺，為什么自己還要花費巨大的人力財力與時間重復開發呢？重復開發不僅僅造成資源的低水平重復化和浪費，還會造成實驗教學質量的降低。因為放著科學嚴謹、深入淺出、內容豐富、被許多同行專家好評和使用的名著教材不用，偏偏使用自編的半生不熟的自編講義，這肯定不是最好的選擇。

所以，虛擬仿真實驗的研發，必須以高質量為第一原則，并以被業內同行師生廣泛采用為目標（即廣用），無廣用，不成功。

4 虛擬仿真實驗研發的方式

高水平的虛擬仿真，如拍電影、做網絡游戲等，不是一個人的戰爭，也不是一個小團隊的戰爭，而需要教學（課程）專業人員、計算機軟件專業人員、工藝美術專業人員、產品策劃與管理專業人員等多方面專業人員的協同合作，是一個多兵種聯合作戰。

虛擬仿真教學項目建設目的，是服務于本科實驗實踐教學，提高教學效果和辦學效益，而教學本身自有其內在規律，比如：

（1）在知識內容上，存在知識點—知識面—專業知識體系—多學科知識體系—知識交叉融合—知識更新與創新—知識應用與創新等層次與過程；

（2）在教學過程的人—物—環境方面，存在“教方—教師”“學方—學生”“教學知識載體”及“技術環境”；

（3）在教學方法上，有學術問題導向型、知識點（面）導向型、課題（項目）導向性、技術應用導向型等。

虛擬仿真項目是實驗教學的工具、手段、裝備，是“產品”。作為產品，應注意如下特點：

（1）產品技術標準與規范，包括適用范圍，品種、規格，核心功能，技術參數、壽命、可靠性等；

（2）兼容性，能方便地適用于各種技術環境；

（3）性價比，在價格上與同類產品相比較具有一定的競爭優勢；

（4）售后服務，能夠提供良好的售后服務；

（5）市場占有率，應在市場上具有一定的比率；

（6）美譽度，具有比較好的聲譽及信譽。

沒有產品策劃與管理專業人員團隊的深度介入，虛擬仿真項目很可能一錘子買賣，既難以推廣到其他高校，沒有市場占有率，也難以升級換代持續發展，更沒有好的性價比和好的售后服務。

所以，虛擬仿真項目的開發方式，最好是產學研相結合的產業化和商業化模式。大學教師團隊出思想和教學需求，軟件公司編程實現，雙方商業化運作。形成國內一流的、可持續的、有銷量的商品。這樣的模式解決了大學教師的動力來源、軟件公司的動力來源，是雙贏。否則，雙方都會當作一錘子買賣，應付交差，半生不熟、不好用、浪費錢。目前市場上比較著名的仿真軟件，均是產業化、商業化模式運行。如機械動力學的adams、ansys，電子的proteus，單片機的keil，通用的simulink，流體力學的fluent，虛擬儀器的labview等。

5 結語

虛擬仿真實驗固然重要，但必須理性看待，謀定而后動，一定要避免急功近利的低水平重復，更要杜絕“不真不實”可能造成的傳播假科學、誤人子弟、貽害大眾。虛擬仿真實驗軟件要切實實現“真實”“交互”“顯隱”“廣用”。虛擬仿真實驗軟件開發的最好方式是產學研相結合的產業化商業化模式。

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Thinking on virtual simulation experiments for undergraduate teaching

LI Zhenbiao1,2

(1. Laboratory and Equipment Administration Office, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2. School of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

In recent years, the research and development of virtual simulation experiments for undergraduate teaching has been widely carried out in Chinese colleges and universities. But there are few publicly reported literatures about what problems should be paid attention to, what disadvantages should be avoided and how to develop and use virtual simulation experiments. Starting from the re-understanding of the essence of virtual simulation experiments, this paper puts forward four drawbacks that must be avoided and proposes a reasonable way to develop virtual simulation experiments.

virtual simulation; experimental teaching; development of experiments

G642.0

A

1002-4956(2019)09-0005-03

2019-03-06

李震彪（1963—）男，河北新河，博士，教授、博士生導師，實驗室與設備管理處處長，研究方向為開關電器、電接觸電弧及材料、實驗室與設備管理。

E-mail: 494071200@qq.com

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.002