虛擬仿真實驗室的創新性實驗教學改革探索

馮元　海鵬博　吳宏岐

摘 要：隨著科技手段的不斷提高，對于工科專業實驗教學的實驗室提出了虛擬仿真實驗室這一創新性實驗教學方式改革。本文將對虛擬仿真實驗室的創新性實驗教學的教學特點、教學改革方式進行詳細的討論闡述。

關鍵詞：虛擬仿真技術;實驗室;創新實驗教學;教學改革

一、虛擬仿真實驗室概述

虛擬仿真實驗室是基于大數據、網絡技術、計算機編程等科技手段快速發展而產生的虛擬操作和測試的實驗場景。虛擬仿真實驗室能夠為學生提供自主性和交互性的虛擬環境以此來實現開放性、高效性和經濟性的實驗空間。虛擬仿真實驗室是“加快教育信息化進程”的重要載體之一。虛擬仿真實驗室是通過計算機系統進行實驗，仿真實驗環境，可避免實驗的干擾項達到實驗效果的真實性。同時，虛擬仿真實驗室能夠有效避免實驗過程中的毒物以及有害實驗環境，確保實驗的安全性。在較為復雜或是資源消耗嚴重的實驗中，能夠最大限度的降低實驗成本，從這些方面上來說，虛擬實驗室的優勢相較于傳統實驗室的就有很明顯的發現。

二、虛擬仿真實驗室教學作用

（一）提高仿真實驗的還原性

虛擬仿真實驗室是以計算機仿真技術、多媒體技術和網絡技術為基礎，使學生通過人機交互的方式進行實驗、將虛擬仿真技術、場景和軟件中的模擬現實情況來進行實驗，將虛擬仿真技術、計算機技術以及各個專業的理論專業知識進行多維度結合^[1]。實驗過程可以通過視頻、圖片、圖表等形式來向學生還原實驗過程，并記錄實驗操作過程。能夠幫助學生在聽教師講解的過程中同時進行實驗操作，達到理論知識學習同時進行實踐操作的教學效果。

（二）高安全性和高創新性

在現實實驗室環境中，實驗的安全性是一個難以控制的情況。如果學生不能夠熟悉實驗操作的順序步驟，在實驗中出現操作性失誤，就會造成嚴重的危險后果。虛擬仿真實驗室能夠避免這一問題，在學生進行實驗的過程中，能夠確保學生的個人安全問題以及實驗室器械損耗。同時，實驗室虛擬化能夠激發學生學習興趣，在實驗過程中對于不同的因素變量進行試驗嘗試，以及對于自身所感興趣的實驗項目進行實驗。在自由學習的環境中，提高學生的學習興趣，進而激發學生的創新能力與創新機會。

（三）緩解實驗室教學資源

現實實驗經常會出現實驗器械不足、實驗場地不足以及實驗器械不能及時更新，導致實驗效果不佳。經常會出現，學生進行實驗需要輪流分組進行實驗，對于理論知識實驗不能進行及時的實驗練習。虛擬仿真實驗室能夠滿足每個學生不同的實驗練習需求，在教師的指導之下，進行各種實驗練習。虛擬仿真實驗室能夠高度還原實驗條件以及準確的實驗結果，學生通過虛擬仿真實驗室也能夠有效的進行實驗操作，從而解決了現實情況中無法及時進行實驗的教學損失，緩解實驗室教學資源緊張的情況。

（四）多學科交叉

虛擬仿真實驗室是基于互聯網大數據的發展以及計算機技術的普及應用而產生的。虛擬仿真實驗室具有大數據的多學科、廣覆蓋的教學實驗資料的特點。可以滿足學生對于本專業不同層次的知識需求，數據需要以及專業技術技能的訓練。同樣，還可以滿足學生對于不同學科的實驗成果借鑒，實驗參數參考，以及跨學科實驗的機會。虛擬仿真實驗室能夠有效提高學生的跨學科研究的實踐機會。同時，虛擬仿真實驗室的多學科、廣覆蓋的資源數據庫，能夠為學生的研究學習提供巨大的幫助。學生自主進行多學科交叉知識的學習與實驗研究，能夠更好的培養學生自主學習、創新能力、以及復合型人才的特性。

三、虛擬仿真實驗室的教學特點

（一）可擴充性

在信息知識高速發展的時代，不同學科的創新性知識不斷涌現出來。因此，在學習與實驗過程中，就需要對新知識進行不同的實驗研究與創新研究。不同的實驗項目需要不同的試驗臺，對于試驗器械也不盡相同，因此傳統實驗室教學就需要進行試驗設備、精密儀器、試驗臺搭建;造成了實驗成本過高的事實。對于此，虛擬仿真實驗室能夠彌補實驗室教學的更新成本較高的問題，對于最新的科技知識、實驗成果等等，都能通過互聯網絡大數據的優勢，模擬實驗室。讓學生能夠對于各個學科的新知識及時的進行試驗模擬;對于多學科的交叉實驗也能夠無阻礙進行，具有較強的可擴充性。

（二）教學交流的流暢性

現代通訊技術的普及也能夠對于教學效率有一定的幫助，最大程度上實現教學流暢性。虛擬仿真實驗室可以通過線上教學指導幫助學生完成實驗，解決問題。對于學生在操作中的問題，可以直接在網絡上上傳實驗過程、實驗參數、實驗報告等，對于自己遇到的問題能夠直接在線上提問教師。同時，線上提問還不僅限于學生自己的教師，同時還可以通過向不同專業領域的教師、同學們進行提問，相互交流學習，極大程度上提高了學習的效率以及減少時間成本的浪費。教師和學生都以通過移動終端，在不同時間和環境進行試驗和交流討論學習。

（三）教學資源投資的節約

傳統實驗室對于精密儀器的維護，實驗材料的損耗以及對于新設備的投入，是高校工科專業的重要投資。虛擬仿真實驗室的基礎是通過計算機網絡組建的一個虛擬實驗室，因此相較于傳統實驗室的運行和維護成本就有了較為明顯的優勢。這樣的教學資源利用能夠兼顧學生的實驗訓練機會與學校對于實驗室的投資。虛擬實驗室平臺能夠達成現實實驗室同樣的實驗效果，同時能夠避免一定的實驗危險。教師可以通過學生在虛擬實驗室進行試驗，增加試驗經驗，從而在進入現實實驗室中避免一些基礎性試驗錯誤，減少試驗中的危險行為和對實驗誤差損害實驗設備而造成的實驗室成本增加。

四、虛擬仿真實驗室的創新性實驗教學探索

（一）創建共同的高校實驗資源網絡

虛擬仿真實驗室的基礎前提是互聯網大數據，能夠擁有完善的網絡數據，是為學生提供真實有效的虛擬實驗效果的前提。建立高效實驗資源網絡，能夠更好地幫助計算機整合實驗資源信息，能夠為學生提供更多的虛擬仿真實驗的實驗經驗。對于不同高校，在不同的專業領域內有不同的學術建樹，通過建立高校實驗資源網絡平臺，能夠滿足學生不同的專業需求，更好的提高我國高校的教學水平。

（二）建立不同的實驗教學模式

通過虛擬仿真實驗室和真實實驗室的共同作用下，達到更好的教學效果。一方面，在教學過程中加入虛擬仿真實驗室，能夠豐富教學方式;另一方面，教師通過教學環節設計，讓實驗教學資源合理化使用。教師可以通過教學環節設計，對實驗課程進行分配。學生可以先通過虛擬仿真實驗室進行實驗的模擬練習，掌握實驗過程的實驗方法、實驗過程以及實驗中的問題。通過學生對于實驗感受，教師可以對實驗內容進行靈活性調整，進而提高學生的創新能力，以及對實驗的學習興趣。再學生進行模擬實驗和教師對于理論知識講述后，可以進入真實實驗室進行實操。

（三）組建完善的師資團隊

完善的教師團隊能夠幫助虛擬仿真實驗室更好更快得在高校中得以有效的應用。教師可以通過虛擬仿真實驗室的網絡平臺，進行創新研究實驗等。高校應當鼓勵教師團隊發揮教師團隊的優勢，開展更多新鮮的、高端的實驗展示。并且，在高校之間可以進行學術交流，學術溝通，為學生提供更多的參與我國高精尖技術實驗研發的機會與觀摩學習機會。同時能夠利用這個平臺，為教師們的實驗成果轉變成優秀的線上實驗課程，極大的利用教學資源。

虛擬仿真實驗室是在科技不斷發展的過程中衍生而出的科學的學習方式之一，能夠為現代教學提供更多的有效的便利條件。但是，也需要高校以及教師們科學合理的進行應用，并不斷發現這其中的問題，加以改善。

參考文獻

[1] 張任平.基于虛擬仿真實驗室的創新性實驗教學改革探索[J].教育教學論壇，2017（11）：273-274.