國家級虛擬仿真實驗教學項目建設與思考

呂新穎 余文勝

摘要：虛擬仿真實驗教學是通過多媒體技術、人機交互技術、計算機編程技術、網絡信息技術等多個門類交叉協同實現的結果，是高等教育信息化建設的重要內容。虛擬仿真實驗教學可以針對高額成本、高危險和不可逆操作、極端環境、大型綜合訓練等真實實驗無法完成的情況進行虛擬仿真化處理，文章從虛擬仿真實驗教學項目的建設目的意義、主要建設的學科門類、網絡建設、開放共享等方面進行了總結和思考。

關鍵詞：虛擬仿真;實驗教學;項目建設

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2020）10-0389-02

教育部為在信息時代、網絡時代的背景下推進信息技術與實驗教學的高度融合，促進教學資源共享，提供開放式服務，拓寬實驗教學內容廣度，突出學生實踐能力的訓練和培養，提升實驗教學質量和水平，在“十三五”期間大力建設國家虛擬仿真實驗教學項目，積極開展“智能+教育”創新研究和示范。自2017年以來，國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺上各類項目已達2000余項，同時，由高等院校、相關企事業單位和專家組織自愿組成的虛擬仿真實驗教學創新聯盟，在教育部高教司指導下開展虛擬仿真實驗教學研究、咨詢、指導、評估和服務的非營利社會團體，推動形成專業布局合理、教學效果優良、開放共享有效的高等教育信息化實驗教學項目新體系;促進實現學校教學、行業應用與技術創新的融合發展[1]。

一、項目建設的宗旨

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》指出：“信息技術對教育發展具有革命性影響，必須予以高度重視。”并把“加快教育信息化進程”單獨作為一部分進行了專門的闡述[2]。2012年3月13日，教育部印發了《教育信息化十年發展規劃（2011—2020）》[3]，目的是推動信息技術與高等教育深度融合，創新人才培養模式，提出要利用先進網絡和信息技術，整合資源，構建先進、高效、實用的高等教育信息基礎設施，開發整合各類優質教育教學資源，建立高等教育資源共建共享機制，推進高等教育精品課程、圖書文獻共享、教學實驗平臺等信息化建設。

項目建設的宗旨是以能實不虛、虛為實用、虛實結合為原則，重點解決真實實驗項目條件不具備或實際運行困難，涉及高危或極端環境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓練等問題。

二、項目建設的主要內容

開展虛擬仿真實驗教學項目建設有助于推進高校實驗實踐教學信息化，拓展實驗教學內容的廣度和深度，延伸實驗教學的時間和空間，提高實驗教學的質量和實驗育人的水平[4]。建設的虛擬仿真實驗教學項目內容，需結合高等院校實驗實踐教學人才培養標準、不同學科和專業專長、相關領域的最新科研成果以及人才培養目標等方面。項目的研發以完成教學要求和內容為目標，原理準確、內容緊湊、時長合理、難度適宜，有詳細的實驗操作說明，實驗應該分為基礎類實驗、綜合類實驗、創新類實驗等，針對不同年級的學生有不同層次供選擇，師生通過一系列的實驗訓練即可對相關知識領域能夠達到理解、掌握、融會貫通等不同程度的實驗效果。可以將虛擬仿真實驗與實體物理實驗有機結合，由淺到深地引向深度學習。在實驗中將虛擬實驗教學置于課程教學之前，了解熟悉實驗流程及實驗操作，利用教師預先設計的思考題，引導學生在虛擬實驗中發現問題、思考問題，而后帶著問題進入課堂，在課堂上采用討論、演講等形式，結合教師講授開展學習，然后開展相應的實際操作實驗，獲得實踐操作能力和對實驗現象的直觀認識。以虛擬實驗輔助實體實驗，做到虛實結合、虛為實用。

目前國家級虛擬仿真實驗教學項目按照學科類別逐年推出，已達到40余個門類，涉及農、林、醫、工、文、法、管理等諸多學科。項目建設首先要圍繞一門課程，針對其中的某一部分實驗內容加以提煉，明確實驗目的，闡明實驗原理，設計實驗步驟，規定實驗結果評價體系等，結合互聯網和3D技術制作完成。在制作過程中，要遵循《教育資源建設規范》《現代遠程教育資源建設技術規范（試行）》等相關建設標準和技術規范[5]，虛擬現實技術的亮點之一是沉浸式互動體驗，因此人機交互界面的制作要富有表現力和感染力，通過典型軟件的應用功能二次開發等實現項目的最終呈現效果。

三、關于網站建設與共享

21世紀是信息時代，也是網絡時代，在這樣的背景下，現在的90后大學生都是電子產品的酷愛者，各種信息的獲取都是從手機或者電腦上得來。傳統的教育方式已經不能滿足他們的求知欲。這種現象已經顛覆性地變革了以往的“教”與“學”方式，使全球各地不同人群能夠共享優質教育資源，終身學習成為可能[6]。隨著計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等技術的快速發展，虛擬仿真技術日趨完善，已經成為國內外實驗教學的重要手段和方法，有力推動了計算機技術和網絡技術的快速發展。時代要求我們必須拓展思維，系統地思考虛擬仿真實驗教學的建設和改革。

對于資源的開放共享，應該嚴格遵守《著作權法》《互聯網著作權行政保護辦法》《計算機軟件保護條例》《信息網絡傳播權保護條例》等相關法律規定，這既是遵紀守法的基本要求，也體現了對資源開發者心血、創意的認可與尊重。因此，在資源開放共享工作中，應切實保護資源開發者的合法權益，明確資源開發者、資源提供者、資源使用者的權責劃分，促使其形成協調、有序發展的良好局面[7]。建設項目的初衷便是通過互聯網技術，為全國高校師生開放和共享實驗內容，實驗空間網站上關于項目的分類如機械類、能源動力類、力學類等，有的項目內容涉及多個類別的知識點，可以在不同類里面羅列出來，方便使用者查找。另外，每個項目可以像論文一樣設置多個關鍵詞，這樣也方便使用者能夠快速找到相關實驗項目。

四、關于項目建設的一點思考

1.每一個實驗教學項目都針對一門課程中的一部分內容，用以虛代實的方式展現給學生，那么在建設過程中，是否考慮到學科交叉？是否分別針對專業課程的基礎性和綜合性有嚴格的層次劃分以適用于不同學生？是否考慮到不同學校學生的層次不同，難以達到同樣的效果？是否可以將每一個項目按照不同學科、不同難易程度、不同使用對象做一個簡單劃分，這樣便于使用者更加有針對性地得到訓練？

2.VR技術的優勢是沉浸式體驗，現有的頭顯設備和穿戴設備均能讓體驗者有身臨其境的感覺;相比之下，WEB端則無法給予使用者同樣的感受，同時網絡維護費用和升級更新費用支出逐漸遞增，能否達到預期實驗效果和使用效率等都需要進行系統的評估。VR技術的發展和不同學科之間的融合需要持續性研究和改進，在加強實驗室教學建設的同時，要對VR技術深入了解，掌握核心要素，不能受制于研發企業，同時，不同學校針對不同學科要進行差異化建設，理論知識與應用背景相結合，不能單純完成虛擬仿真實驗教學而脫離理論和實際實驗教學。

3.當虛擬仿真項目越建越多，門類越分越細，勢必會面臨著資源整合、開放共享等問題，是否可以從頂層部署下來，結合不同學校的專長，避免重復建設或某一方向被遺漏等現象。同時，實驗室隊伍建設也顯得尤為重要，實驗教師不再是早期的鉆研實驗設備，上好實驗課程，還要對實驗方法和教學形式進行研究，不斷改革創新，采用線上虛擬仿真和線下實驗教學相結合、基礎實驗和創新實驗相結合、單一學科實驗和交叉學科實驗相結合等形式，培養復合型人才。

五、結語

目前我國已建設成國家級虛擬仿真實驗教學項目近1000項，但是很多建設者包括參與者對其概念、運行模式、實驗方法和管理機制還有很多不確定的方面，對后續的建設思路和發展方向仍然持觀望狀態，虛擬仿真實驗教學平臺的建設和管理還在路上。

參考文獻：

[1]國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺[EB/OL].

http：//nvse.ilab-x.com/introduction/intro

[2]國家中長期教育改革和發展規劃綱要工作小組辦公室.國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）[R].2010-07.

[3]中華人民共和國教育部.教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見[R].2012-03.

[4]劉金庫，黃婕，裴小琴，張先梅，耿胥，薛亞楠.“一求實六融合”理念——高校虛擬仿真實驗教學項目建設的新視角[J].化工高等教育，2019，36（05）：76-80.

[5]高維珉，蘇愛東，叢慶.信息素養培養與高職院校網絡信息資源建設研究[J].山東社會科學，2012（增刊2）：334-335.

[6]王衛國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J].實驗室研究與探索，2013，（12）：13-16.

[7]饒愛民.論知識產權保護與信息資源共享[J].現代情報，2006，26（5）：222-223.

Virtual Simulation Experimental Teaching for Aeronautics and Astronauts

LV Xin-ying，YU Wen-sheng

（School of Aeronautics and Astronautics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

Abstract：Virtual simulation technology is very important during experimental teaching.This paper introduces the concept，the significance and the development status of virtual simulation technology;at the same time，it also explains how to construct the virtual simulation experimental teaching for aeronautics and astronauts.

Key words：virtual simulation;experimental teaching;aeronautics and astronauts