高校虛擬仿真實驗教學發展歷程及財務成本分析

李 晶，陸金鈺，郭 彤，徐偉杰

（東南大學，江蘇 南京 211189）

一、引言

虛擬仿真實驗是將現代信息技術與實驗教學項目相融合，通過創造與真實實驗場景一致的虛擬環境，實驗人員通過人機交互，按照預定的流程對真實實驗進行模擬，從而完成實踐教學活動，實現學習相關知識點的目的。與實體實驗相比，虛擬仿真實驗突破了實驗教學在時間和空間上的限制，特別適合高危或極端環境、高成本、高消耗、結果不可逆的實驗以及大型綜合訓練①-③。財務成本是虛擬仿真實驗的建設和運行過程中遇到的不可避免的問題。從財務角度對虛擬仿真項目進行成本分析，有助于對虛擬仿真項目的投入進行評估和預測，從而保證障虛擬仿真實驗的順利建設和正常維護。然而，不同類型、不同等級的虛擬仿真實驗項目在投入的人力和物力上各不相同，不同的虛擬仿真實驗成本也不可能完全一致，為項目的成本分析帶來困難。本文將虛擬仿真實驗項目的成本分為制作成本和持續建設服務成本兩類，同時根據虛擬仿真實驗項目的等級進行分類，采用定量和定性相結合的方式進行分析，從而為高校建設和維護虛擬仿真實驗項目財務成本分析提供依據。

二、發展歷程

虛擬仿真實驗是由虛擬實驗和仿真實驗兩個名詞組成。虛擬實驗即采用各種手段和技術對真實實驗進行模擬。事實上，虛擬實驗自科學誕生起一直存在，而且也是一種常用的科學手段。伽利略的重力實驗是一種典型的虛擬實驗，即通過想象兩個物體綁在一起以后與質量、速度的關系否定亞里士多德自由落體速度與物體質量的關系。仿真實驗則是在計算機廣泛應用之后，利用仿真軟件對真實實驗環境進行模擬，從而使未做過實驗的操作人員能夠對實驗環境、實驗設備建立起直觀的認識，同時掌握相關的實驗知識。1993年，中國科學技術大學霍劍青教授負責的教學團隊研制了國內外第一套虛擬實驗教學軟件“大學物理仿真實驗”，虛擬實驗開辟了實驗教學的新模式④。

2012年，教育部印發《教育信息化十年發展規劃（2011—2020）的通知》，在此基礎上，教高司印發了《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》，開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作，首次以教學中心的名義將虛擬仿真實驗教學提升至國家級層面。教育部辦公廳分別于2014和2015年印發了《關于開展2014年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》《關于開展2015年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》，并分別于2015年和2016年認定了兩批各100個項目。與此同時，部分省教育廳加大了虛擬仿真實驗建設的投入，例如，2017年江蘇省教育廳辦公室印發了《關于公布2016年省級虛擬仿真實驗教學共享平臺及在線開放虛擬仿真實驗教學項目遴選結果的通知》，遴選了土木、機械、電子信息、地球科學、醫學、化學化工、車輛與交通和生物科學與技術8個省立省助虛擬仿真實驗教學共享平臺，力學與水工程、藥學類、礦業工程、機械工程、地理環境、車輛工程、軌道交通信息與控制8個省立校助虛擬仿真實驗教學共享平臺。但在這段時間，由于政策、經費和認識等方面的原因，虛擬仿真實驗教學并未引起廣泛的關注，可以使用的在線虛擬仿真實驗項目也極其有限。

在國家級虛擬仿真實驗教學中心和省級虛擬仿真實驗教學平臺的基礎上，教育部辦公廳于2017年發布了《關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》，提出到2020年認定1000項左右示范性虛擬仿真實驗教學項目。該文件首次在制度上將虛擬仿真實驗項目提高到國家層面，從客觀上改變了高等教育對虛擬仿真實驗的認識，促進了大批虛擬仿真實驗項目的策劃和制作，是虛擬仿真實驗教學發展過程中里程碑式的標志。2019年，教育部印發了《關于一流本科課程建設的實施意見》，提出從2019年到2021年，完成1500個項目納入國家級一流本科課程。目前，自2017年以來所有參與申報示范性虛擬仿真實驗教學項目或國家虛擬仿真實驗教學的項目，均可從實驗空間訪問。已有3250項虛擬仿真實驗可以實現在線學習和訪問。考慮到國家虛擬仿真實驗教學項目的遴選機制，仍有大批省級、校級以及無級別的虛擬仿真實驗項目被制作出來，虛擬仿真實驗項目數字無法統計。

自2019年首屆全國慕課大會以來，虛擬仿真實驗作為信息化教學的重要手段，已成為大會的重要組成部分，在后續的世界慕課大會中，始終存在虛擬仿真實驗的身影。為了進一步促進虛擬仿真實驗的發展，2019年在清華大學成立了虛擬仿真實驗教學創新聯盟，該聯盟發布了《虛擬仿真實驗教學課程建設指南(2020年版)》⑤，覆蓋了8個專業領域、61個專業類，涉及500余個專業方向，10490個虛擬仿真實驗。初步建立了虛擬仿真實驗教學體系，為后續虛擬仿真實驗項目建設提供了依據。然而，由于編寫時間、參編單位數量等方面的限制，該教學體系仍然存在較大的優化空間。此外，將虛擬仿真實驗教學與課堂授課相結合構建線上線下的混合式實驗教學，也是近些年虛擬仿真實驗教學的發展趨勢。

國家及各省市教育部門通過教學示范中心、平臺、項目以及課程等多種方式對虛擬仿真實驗進行推廣，體現了該項目在高等教育中的重要功能和地位。然而，目前虛擬仿真實驗項目的投入主要依靠建設單位自行籌措，不同類型、地區、等級的項目成本千差萬別，缺乏統一的標準，嚴重阻礙了虛擬仿真實驗項目的開展。

三、成本分析

（一）項目制作成本

虛擬仿真實驗項目制作成本是虛擬仿真實驗項目成本的主要組成部分，包括項目策劃投入和軟件制作投入兩個部分。項目策劃投入主要是高校項目負責人對項目總體流程、實驗步驟、實驗方法、實驗數據、人機交互步驟等各進行的人力物力投入；而軟件制作則通常采用招投標等方式讓軟件公司實現項目策劃。顯然，項目制作成本并不僅僅是軟件制作公司制作虛擬仿真實驗項目的成本。對于一個虛擬仿真實驗項目，軟件制作成本與軟件公司密切相關，不同的軟件公司對同一個項目的報價往往并不一致。但項目完成招投標后，制作成本就是確定的。與軟件制作成本相比，項目策劃成本在整個過程中都難以評估。

為了盡可能地將制作成本進行量化，將項目策劃成本近似等效為高校人力投入，即完成一個虛擬仿真實驗項目投入的人天數。虛擬仿真實驗項目高校人力投入與項目的等級密切相關，顯然，國家級的虛擬仿真實驗項目投入要大于省級虛擬仿真實驗項目的投入，而省級虛擬仿真實驗項目的投入又大于校級虛擬仿真實驗項目的投入。通常一個虛擬仿真實驗項目需要1個項目負責人和2—4個項目骨干。其中，項目負責人全程把控虛擬仿真實驗項目的推進；項目骨干具體負責實驗項目的流程、實驗數據庫建立以及與軟件制作公司的對接等。項目骨干的人數近似根據項目級別確定，即校級、省級和國家級虛擬仿真實驗項目分別為2、3、4人。此外，對于校級、省級和國家級虛擬仿真實驗項目，按照1個月、2個月和3個月計算，則不同等級項目高校人力投入如表1所示。

表1 不同等級項目高校人力投入

與項目策劃成本不同，軟件制作成本同時包含了企業人力投入和資源投入兩部分，并不能簡單地采用項目投入的人天數計算。其中，企業人力投入可以參照高校人力投入進行測算，但由人天數改為組天數，即以項目組工作的天數來統計企業人力投入。企業資源投入部分包括軟件制作工具許可使用費、水電費、運營費、利潤等除人力投入之外的其他費用。顯然，該部分費用與企業本身密切相關，無法定量衡量。為了方便起見，定義P為軟件制作成本中資源投入與企業人力投入（組天數）的比值，顯然不同企業的P值是不一樣的。

應當注意的是，很多高校僅將軟件制作投入納入虛擬仿真實驗項目制作成本，并未考慮高校的項目策劃投入，這主要是由于虛擬仿真實驗項目普遍被認為是高校職務成果，因此高校項目策劃成本并未單獨列入項目制作預算。實際上，一個虛擬仿真實驗項目的優劣，往往是由項目的策劃成本決定的，軟件制作成本僅僅是實現項目的策劃落實。因此，在考慮項目制作成本時，需要統籌考慮項目策劃投入和軟件制作投入兩個部分。

（二）項目持續建設服務成本

虛擬仿真實驗項目的使用過程，就是項目持續建設服務的過程。項目持續建設服務成本分為虛擬仿真運行維護成本和建設改進成本兩部分。虛擬仿真實驗項目運行維護成本主要指在項目使用期間需要投入的人力和物力，虛擬仿真實驗項目建設改進成本主要指項目建設完成后在原有項目的基礎上進一步功能升級所需要的成本。對虛擬仿真實驗項目進行持續建設，有利于彌補項目本身不足，提升項目質量。

虛擬仿真實驗項目運行維護成本中的人力成本主要用于解決項目在使用過程中遇到的問題。該部分工作絕大多數可以由高校專任教師或者項目骨干解決，極少部分涉及網絡、軟件、程序等方面的問題需要軟件公司協助解決。因此，在虛擬仿真實驗項目運行維護人力成本中僅考慮高校人力成本，人力投入為一人，持續時間為整個使用階段。虛擬仿真實驗項目運行維護成本中的物力成本主要用于保存虛擬仿真實驗項目并保證項目連通性等方面的支出。盡管存在實驗空間等國家級和省部級虛擬仿真實驗教學平臺，但這些平臺往往僅起到鏈接作用，即項目本身由項目建設單位負責，平臺通過接口實現數據傳遞。因此，項目建設單位必須自行保存虛擬仿真實驗項目，并保證項目在使用過程中的連通性。目前平臺對虛擬仿真實驗項目的保存并無硬性規定，學校可以采用自身現有平臺或者項目開放公司平臺存放，但如果沒有存放平臺，需要自行搭設，就要考慮相關成本。

由于時間、經費以及經驗等方面的限制，在虛擬仿真實驗項目使用過程中可能會對項目進行更新或改進，包括增加實驗工況、擴展實驗對象、改進評價方法等。該部分改進與項目制作的過程一致，同樣包括項目策劃投入和軟件制作投入兩個部分。然而，該部分是在原項目基礎上進行的，該部分成本主要取決于投入時間，可參照表1和表2按照項目級別進行預估。

表2 不同等級項目軟件制作成本

四、結語

虛擬仿真實驗是目前新型教學手段之一，通過軟硬件相結合的方式，突破了傳統實驗在時間上的限制，學生可以隨時、隨地進行實驗，是今后實驗教學發展的方向。本文通過將虛擬仿真實驗項目成本分為項目制作成本和項目持續建設服務成本兩類，根據擬制作項目的級別對人力投入和制作成本進行預估，從而實現對虛擬仿真實驗項目成本定量和定性相結合的分析，為虛擬仿真實驗項目財務預算提供依據，從而促進虛擬仿真實驗的發展和應用。

注釋：

①劉振峰,郭為忠.虛擬仿真實驗教學課程資源設計及教學過程的改革與探索——以上海交通大學“設計與制造Ⅱ”課程為例[J].教育理論與實踐,2022,42(9):51-54.

②徐偉杰,徐明,郭彤,等.“金課”背景下土木類虛擬仿真實驗教學發展趨勢——基于2018年國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺公示數據[J].高等建筑教育,2021(2020-1):74-85.

③徐明,劉艷,陸金鈺,徐照,熊宏齊,吳剛.土木工程虛擬仿真實驗教學資源的建設[J].實驗技術與管理,2015,32(12):116-119.

④周曉云,景素華.大學物理虛擬仿真實驗的教學實踐探討[J].讀與寫:上旬,2018(6):2.

⑤本書編寫組.虛擬仿真實驗教學課程建設指南[M].(2020年版).北京:高等教育出版社,2020:1.