新工科背景下的虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的作用

毛飛　趙旭東　位楠楠　張根發(fā)

【摘要】新工科是新型科技、產(chǎn)業(yè)、經(jīng)濟(jì)背景下為了培養(yǎng)新型創(chuàng)新人才而實(shí)施的現(xiàn)代化教育體制改革。許多工科教育所用實(shí)驗(yàn)儀器通常具有精密度高、造價(jià)昂貴、構(gòu)造復(fù)雜、儀器老化、可調(diào)參數(shù)有限等不足之處，沒(méi)有足夠經(jīng)費(fèi)支持的情況下很難培養(yǎng)出符合新工科改革要求的專業(yè)人才。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用可以讓工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)不再受限于儀實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等硬件條件，將理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)更加緊密地結(jié)合在一起，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)人才的需求標(biāo)準(zhǔn)。

【關(guān)鍵詞】新工科? 虛擬仿真? 教學(xué)軟件

【中圖分類號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2020）19-0231-01

新工科是國(guó)家為了適應(yīng)科學(xué)技術(shù)發(fā)展對(duì)社會(huì)產(chǎn)生的巨大變革而做出的教育改革，在新的改革背景下對(duì)高校工科教學(xué)工作有更高的要求。新工科可以看成是應(yīng)用理科，是對(duì)基礎(chǔ)理科的運(yùn)用。通常教學(xué)課本中的內(nèi)容比較枯燥、學(xué)生興趣不濃。模擬仿真技術(shù)能夠?qū)⑹谡n知識(shí)點(diǎn)形象化和具體化，將課本繁雜的內(nèi)容變?yōu)榭梢暬奶摂M模擬，使學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的印象更加深刻。而且模擬仿真軟件可以自行調(diào)整實(shí)現(xiàn)參數(shù)，反復(fù)調(diào)整儀器構(gòu)造，能夠讓學(xué)生深刻理解儀器構(gòu)造和儀器性能。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用還不夠普遍，虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)方面的應(yīng)用還遠(yuǎn)不及歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)在這方面的教育改革還有很大的提升空間。

一、傳統(tǒng)教學(xué)模式中存在的問(wèn)題

大學(xué)教育中，工科課程既有基礎(chǔ)的理論課，也會(huì)配套相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程，來(lái)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的應(yīng)用。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，有些無(wú)法實(shí)驗(yàn)來(lái)展示的知識(shí)點(diǎn)只能通過(guò)繁復(fù)地講解來(lái)加強(qiáng)學(xué)生的印象，這樣往往導(dǎo)致學(xué)生的興趣度降低。即使在實(shí)驗(yàn)課上，由于實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備構(gòu)造復(fù)雜，精密度較高等原因，實(shí)驗(yàn)儀器調(diào)節(jié)參數(shù)較少，很多參數(shù)都是老師在上課前提前調(diào)好的，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器了解不透徹。且往往受實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)量限制，不能保證每個(gè)學(xué)生都能充分學(xué)習(xí)儀器設(shè)備，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)果往往不是很理想，無(wú)法保證學(xué)生在既掌握理論原理的同時(shí)還能熟悉掌握儀器的構(gòu)造、工作原理等相關(guān)知識(shí)，無(wú)法培養(yǎng)出滿足現(xiàn)代社會(huì)需要的新型人才。對(duì)于學(xué)校來(lái)說(shuō)，配置教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器成本高，耗材大，不同專業(yè)需要的儀器設(shè)備也不同，若配置全套齊全的實(shí)驗(yàn)儀器，實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)也無(wú)法滿足，而且儀器通常還要更新?lián)Q代，維修和后期保養(yǎng)也是筆不小的開(kāi)銷。

二、虛擬仿真技術(shù)在教育中的優(yōu)勢(shì)

虛擬仿真技術(shù)是繼數(shù)學(xué)推理，科學(xué)實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)后的第三類人類認(rèn)識(shí)自然界客觀規(guī)律的基本方法，由于其沉浸性和逼真性，虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用必定會(huì)使學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)對(duì)象了解更加深刻。總的來(lái)說(shuō)，其優(yōu)勢(shì)主要有以下兩點(diǎn)：

第一，完善和加深對(duì)于相關(guān)知識(shí)的理解。由于虛擬仿真是采用軟件模擬，其參數(shù)可調(diào)性高，且不會(huì)像真實(shí)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備那樣出現(xiàn)較多誤差，根據(jù)輸入?yún)?shù)或者環(huán)境設(shè)置，輸出結(jié)果與理論推導(dǎo)完美對(duì)應(yīng)，有助于學(xué)生對(duì)理論知識(shí)及應(yīng)用的理解。并且克服了教學(xué)過(guò)程中枯燥乏味的理論教學(xué)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

第二，降低成本，節(jié)約資源。學(xué)校購(gòu)買實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備不僅需要大量花費(fèi)，還會(huì)造成資源的浪費(fèi)。虛擬仿真技術(shù)的引入可以極大地降低成本，因?yàn)槠渲饕\(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)進(jìn)行，對(duì)于不同的學(xué)科都可以應(yīng)用，這樣不僅節(jié)省了由于不同學(xué)科要購(gòu)買不同儀器造成的資金消耗，還節(jié)省了空間資源，同時(shí)降低老師的教學(xué)難度，提升學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

三、虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬仿真技術(shù)在國(guó)內(nèi)教育教學(xué)中的應(yīng)用還只是剛剛開(kāi)始，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展水平。對(duì)于虛擬仿真軟件在教學(xué)中的應(yīng)用主要有兩個(gè)方面的困難需要克服：一方面是計(jì)算機(jī)的購(gòu)置，另一方面是相關(guān)軟件的開(kāi)發(fā)。對(duì)于計(jì)算機(jī)的購(gòu)置成本不是很高，現(xiàn)階段主要是缺乏相關(guān)教學(xué)軟件的開(kāi)發(fā)，教學(xué)軟件嚴(yán)重不足，不僅是在種類上，數(shù)量上也是如此。電工電子中主要是對(duì)電路的仿真，這方面的軟件已經(jīng)有很多，可根據(jù)不同的需要使用不同電路元件來(lái)進(jìn)行仿真，達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的;物理實(shí)驗(yàn)、醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)等在國(guó)內(nèi)應(yīng)用均有初步應(yīng)用，虛擬仿真技術(shù)在核工程類實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用較多，普遍還是依賴于國(guó)外開(kāi)發(fā)的軟件，在虛擬仿真教育軟件自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)這塊我國(guó)還有很大的提升空間。

四、總結(jié)

在高校新工科教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)能夠解決很多傳統(tǒng)教育模式所面臨的嚴(yán)重問(wèn)題，傳統(tǒng)教育模式已經(jīng)越來(lái)越不適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的需求，如不及時(shí)調(diào)整改革，高校所培養(yǎng)出來(lái)的工科專業(yè)人才將與現(xiàn)代社會(huì)需求嚴(yán)重不符。新工科就是在這種背景下提出來(lái)的教育改革模式，虛擬仿真技術(shù)的引入無(wú)疑會(huì)助力新工科改革的實(shí)施。

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作者簡(jiǎn)介：

毛飛，湖南岳陽(yáng)人，副教授，博士，現(xiàn)從事輻射防護(hù)與核安全方面的教學(xué)和科研工作。