新工科背景下的虛擬仿真技術在教學中的作用

毛飛　趙旭東　位楠楠　張根發

【摘要】新工科是新型科技、產業、經濟背景下為了培養新型創新人才而實施的現代化教育體制改革。許多工科教育所用實驗儀器通常具有精密度高、造價昂貴、構造復雜、儀器老化、可調參數有限等不足之處，沒有足夠經費支持的情況下很難培養出符合新工科改革要求的專業人才。虛擬仿真技術的應用可以讓工科實驗教學不再受限于儀實驗儀器、實驗環境等硬件條件，將理論知識與實驗更加緊密地結合在一起，有助于培養學生的創新創造能力，滿足現代社會對人才的需求標準。

【關鍵詞】新工科? 虛擬仿真? 教學軟件

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2020）19-0231-01

新工科是國家為了適應科學技術發展對社會產生的巨大變革而做出的教育改革，在新的改革背景下對高校工科教學工作有更高的要求。新工科可以看成是應用理科，是對基礎理科的運用。通常教學課本中的內容比較枯燥、學生興趣不濃。模擬仿真技術能夠將授課知識點形象化和具體化，將課本繁雜的內容變為可視化的虛擬模擬，使學生對教學內容的印象更加深刻。而且模擬仿真軟件可以自行調整實現參數，反復調整儀器構造，能夠讓學生深刻理解儀器構造和儀器性能。虛擬仿真技術的應用還不夠普遍，虛擬仿真技術在教學方面的應用還遠不及歐美發達國家，我國在這方面的教育改革還有很大的提升空間。

一、傳統教學模式中存在的問題

大學教育中，工科課程既有基礎的理論課，也會配套相應的實驗課程，來培養學生對理論知識的應用。在實際教學過程中，有些無法實驗來展示的知識點只能通過繁復地講解來加強學生的印象，這樣往往導致學生的興趣度降低。即使在實驗課上，由于實驗儀器設備構造復雜，精密度較高等原因，實驗儀器調節參數較少，很多參數都是老師在上課前提前調好的，導致學生對實驗儀器了解不透徹。且往往受實驗儀器數量限制，不能保證每個學生都能充分學習儀器設備，導致實驗教學的結果往往不是很理想，無法保證學生在既掌握理論原理的同時還能熟悉掌握儀器的構造、工作原理等相關知識，無法培養出滿足現代社會需要的新型人才。對于學校來說，配置教學實驗儀器成本高，耗材大，不同專業需要的儀器設備也不同，若配置全套齊全的實驗儀器，實驗室經費也無法滿足，而且儀器通常還要更新換代，維修和后期保養也是筆不小的開銷。

二、虛擬仿真技術在教育中的優勢

虛擬仿真技術是繼數學推理，科學實驗出現后的第三類人類認識自然界客觀規律的基本方法，由于其沉浸性和逼真性，虛擬仿真技術在教學中的應用必定會使學生對學習對象了解更加深刻?？偟膩碚f，其優勢主要有以下兩點：

第一，完善和加深對于相關知識的理解。由于虛擬仿真是采用軟件模擬，其參數可調性高，且不會像真實實驗儀器設備那樣出現較多誤差，根據輸入參數或者環境設置，輸出結果與理論推導完美對應，有助于學生對理論知識及應用的理解。并且克服了教學過程中枯燥乏味的理論教學，提高學生的學習興趣和積極性。

第二，降低成本，節約資源。學校購買實驗儀器設備不僅需要大量花費，還會造成資源的浪費。虛擬仿真技術的引入可以極大地降低成本，因為其主要運用計算機軟件來進行，對于不同的學科都可以應用，這樣不僅節省了由于不同學科要購買不同儀器造成的資金消耗，還節省了空間資源，同時降低老師的教學難度，提升學生的實踐創新能力。

三、虛擬仿真技術在教學中的應用

虛擬仿真技術在國內教育教學中的應用還只是剛剛開始，遠遠不及歐美發達國家的發展水平。對于虛擬仿真軟件在教學中的應用主要有兩個方面的困難需要克服：一方面是計算機的購置，另一方面是相關軟件的開發。對于計算機的購置成本不是很高，現階段主要是缺乏相關教學軟件的開發，教學軟件嚴重不足，不僅是在種類上，數量上也是如此。電工電子中主要是對電路的仿真，這方面的軟件已經有很多，可根據不同的需要使用不同電路元件來進行仿真，達到實驗教學的目的;物理實驗、醫學實驗等在國內應用均有初步應用，虛擬仿真技術在核工程類實驗中應用較多，普遍還是依賴于國外開發的軟件，在虛擬仿真教育軟件自主設計開發這塊我國還有很大的提升空間。

四、總結

在高校新工科教學中引入虛擬仿真技術能夠解決很多傳統教育模式所面臨的嚴重問題，傳統教育模式已經越來越不適應現代社會發展的需求，如不及時調整改革，高校所培養出來的工科專業人才將與現代社會需求嚴重不符。新工科就是在這種背景下提出來的教育改革模式，虛擬仿真技術的引入無疑會助力新工科改革的實施。

參考文獻：

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[2]夏建國，趙軍.新工科建設背景下地方高校工程教育改革發展芻議[J].高等工程教育研究，2017（03）：15-19+65.

作者簡介：

毛飛，湖南岳陽人，副教授，博士，現從事輻射防護與核安全方面的教學和科研工作。