基于虛擬現實的高校實驗教學改革研究

梁潔

（廣州醫科大學，廣州 511436）

0 引言

“實踐是檢驗真理的唯一標準”，在高等院校培養21 世紀創新人才過程中，實踐教學與理論教學具有同等重要的作用。實驗教學作為高等教育實踐教學的重要組成部分，是培養學生實踐能力、創新精神和社會責任感的重要教學環節，是高校人才培養不可或缺的一部分。國家在《統籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案》指出“堅持立德樹人，突出人才培養的核心地位，著力培養具有歷史使命感和社會責任心，富有創新精神和實踐能力的各類創新型、應用型、復合型優秀人才”，可見實踐能力和創新精神已成為新時代高等教育人才培養的重要內容，高校實驗教學改革勢在必行。當前現代科學技術的發展和人類社會的進步，對高校實驗教學的要求也越來越高。這就需要充分認識到當前高校實驗教學的問題，與時俱進，充分利用現代科學技術推動實驗教學改革。

1 當前高校實驗教學中存在的問題

（1）缺乏科學規劃和頂層設計，實驗教學建設相對滯后

高校的發展離不開科學的規劃，頂層設計影響著基礎建設。近年來，大學生逐年擴招，教學規模逐年增長，而實驗教學建設相對滯后，使得高校實驗教學面臨著嚴重的教學壓力，最突出的是學生規模快速增長與實驗師資力量、教學設施建設相對滯后之間的矛盾。具體表現為：學生人數過多，而實驗室及設備不足，學生實驗人均可使用的資源比例低，實驗次數和周期相應減少；師資力量單薄，實驗教學任務繁重，實驗指導不到位；學生自主實驗需求得不到滿足等。這些都對實驗教學效率和教學效果產生了一定的負面影響，不利于創新人才培養。盡管當前高校實驗師資、教學設施有所增加，但仍滿足不了當前的教學需求。

（2）整體資源利用率低，特別是貴重儀器設備

資源利用率低，是高校實驗教學普遍存在的問題。主要表現在：一是，高校為了順應時代發展，提高教學效率，注入了大量資金，購買新技術設備，但實驗師資隊伍建設相對滯后，沒有足夠的業務素質和能力與新技術設備投入應用相匹配，造成了新技術設備的低效利用。二是，目前很多高校仍沿襲傳統的實驗教學管理機制，采用各學科實驗室、實驗資源獨立封閉式管理，缺乏學科之間的溝通與交流，在一定程度上制約了資源的使用率。三是，高危、高消耗、大型貴重設備的使用受限，原因在于這些設備昂貴，難以管理，有些還存在一定的實驗風險，在實際實驗教學中，開出相應的實驗學時少、項目少，無法普及，無法達到教學計劃的最低比例要求，這也是當前實驗教學遇到的難題。

（3）新媒體新技術的沖擊下，傳統實驗教學方式有待優化

高校開設的實驗項目類型可分為演示性、驗證性、綜合性、設計研究性等[1]。在傳統實驗教學中，演示性和驗證性的實驗項目，通常安排在理論課后，實驗方式基本為教師做，學生看，或者教師示范，學生模仿，這樣的實驗方式，名為“實驗”，實為“觀摩”或“模仿”，學生被動地去接受知識，沒有經過自己獨立思考，無法調動學生學習的主動性和創造性。綜合性和設計研究性的實驗項目，由于復雜性較高，學生規模大，設備資源有限，高校開設這些項目較少，實驗方式通常由教師做好實驗準備，學生通過同伴或者小組合作的方式共同完成實驗，并不是每位學生都能完全參與到實驗過程中。在信息技術與教學融合的背景下，新媒體新技術的教育應用對教學理念、教學方式產生了變革性影響。一方面，學生的自主學習意識增強，對問題解決能力、職業技能等方面的發展主動性增強，對教師的依賴性降低，傳統實驗教學需要將實驗主動權返還給學生；另一方面，學生對自身綜合能力、創新能力培養的愿望和需求更加強烈，傳統實驗教學需要加強學生綜合實踐、創新實踐，促進學生更好地適應當前社會的發展。

2 虛擬現實應用于實驗教學的潛在優勢

虛擬現實（Virtual Reality，VR）是當前信息技術業界最熱門的科技之一，是當前新型的現代教育技術之一，它是運用計算機程序創造真實或接近真實的三維虛擬環境，并與用戶交互，使用戶的身心都能獲得身臨其境的感受，從而建構起對于現實世界合理認知的技術，具有良好的教學應用發展前景。

將虛擬現實應用于實驗教學，具有多方面的潛在優勢。一是，能夠彌補傳統實驗教學的不足。表現為：構建虛擬仿真的實驗教學環境，滿足學生自主學習需求，激發學生學習興趣，積極主動參與實驗；制作教學仿真器械、工具，創建虛擬的實驗場景，能夠有效解決實踐中危險性過高、費用過高、時間周期長等問題，有效降低實驗成本和難度。二是，能夠創新實驗教學方式。虛擬現實能夠全程演示標準的操作過程和結果，并允許操作隨時隨機的出錯，突破時空限制，能夠真正為學生提供個性化指導，實現學生隨時隨地反復練習、自主實踐。三是，能夠培養學生的創新思維。利用虛擬現實創建想象性、探索性、體驗性的實驗情境，在問題指引、項目驅動、情感體驗等多種實踐形式中，引導學生自主探究實踐，發散實驗思維，實現實踐創新和理論創新。

3 基于虛擬現實的高校實驗教學改革策略

為實現實踐創新人才培養目標，盡力解決當前實驗教學的各項問題，實驗教學需要突破傳統的習慣，要以開放、包容、主動的態度和行動面對新技術革命的影響，以虛擬現實技術為改革動力，充分利用虛擬現實的技術優勢，從實驗教學建設、資源建設、教學模式等方面進行改革，提高實驗教學的效率和效果。

（1）以虛擬仿真實驗教學建設為契機，深化虛擬實驗認識，加強實驗教學建設

虛擬仿真實驗是使用虛擬現實技術，構建虛擬實驗環境和實驗對象，在計算機支持下，操作虛擬實驗界面，模擬實驗流程的實驗方法，具有仿真性、交互性、安全性等特點，不需要真實的實驗器械、實驗耗材等設備，不局限于實驗場地的選擇，能夠實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能，彌補傳統實驗教學的設備不足、場地不足、學生實踐時間不足等局限。目前，虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化重點建設內容，是高校實驗教學改革的必然發展方向[2]。在國家政策和地方政府支持下，虛擬仿真實驗教學建設已覆蓋大多數的部屬高校和地方所屬高校。高校應結合自身實際需求，從解決實驗教學的實際問題出發，注重對虛擬實驗資源建設的頂層設計、宏觀引導，推動這些資源的開發應用，開展虛擬實驗教學與傳統實驗教學相結合的教學改革；加強與企業的合作，充分利用企業的虛擬現實開發技術，結合教師學者的教學理論和實踐，通過技術開發人員與教師學者的合作，共同完成虛擬實驗室、虛擬實驗資源的建設，實現優勢互補，減輕教師的壓力和負擔。此外，教師應更新教學理念，深化虛擬實驗認識，提高自身信息化教學能力，建立完整的虛擬實驗教學秩序，包括虛擬實驗室、相關實驗教材、實驗大綱等內容，滿足學生反復實驗、自主實驗的需求；充分利用虛擬實驗資源及平臺，跟蹤指導學生實驗，給予學生及時反饋，提高實驗教學效率。

（2）以資源可持續發展為管理機制，加強資源優化共享，提高實驗資源利用率

實驗教學資源的建設和應用是實驗教學改革的保障。依托虛擬現實，建設虛擬實驗教學資源，對于高校教師來說，具有一定的技術開發難度，學校需協調企業、學校信息部門、教務管理等部門，分工協作，完成資源的設計、開發、管理與應用，并注重師資隊伍的業務培訓，提高教師的信息化教學能力和資源應用能力。基于虛擬現實的實驗教學資源具有安全性、低消耗性，能夠在教學中反復使用，不會影響資源消耗。為了這些資源的可持續發展，虛擬資源的開發需具備可擴展性，能夠對原有開發的資源進行擴展、補充和優化，這就需要技術開發人員做好系統的設計，提供兼容性高的系統接口，利于資源的二次開發。另外，可借助數據庫、網絡通訊技術、人機交互等技術，搭建低成本、低風險、可調控的虛擬實驗教學平臺或者資源管理平臺，一方面有助于資源的開放共享，另一方面能夠對資源可持續發展起到引導和管理作用[3]。總之，高校需在資源建設、管理和應用上，做好頂層的設計，注重培養實驗師資隊伍的業務能力和素質，還要建立系統科學的資源管理體系和運行機制，并提供運行經費的持續性保障，能夠促進資源的可持續發展和有效利用，實現實驗教學的改革。

（3）以培養創新人才為教學目標，虛實結合，優化和創新實驗教學模式

實驗教學是培養學生理論知識應用能力，鍛煉實踐技能和創新能力的過程。在這個過程中，學生需要親身實踐，在實踐中運用、領會與內化知識，才能獲得能力提升。依托虛擬現實，創設虛擬實驗教學項目，創新實驗教學模式，讓學生獲得更多的實踐機會，有利于學生實踐能力和創新能力的提升。具體為：對于演示性、驗證性的實驗項目，可采用虛擬仿真系統，將實驗對象、實驗場景虛擬化，學生通過使用計算機，操作虛擬實驗界面，了解實驗的整個過程，發現和驗證知識。這樣的虛擬仿真教學能夠讓學生低風險、無消耗地反復多次實驗，實現傳統實驗教學的演示、模仿、驗證的教學效果。對于綜合性、設計研究性的實驗項目，可根據課程實驗設計、項目研發訓練、學科競賽、畢業設計等實際需要，創設多樣化的實驗教學形式，如問題指引、任務驅動、項目設計等，引導學生采用虛擬實驗和現實實驗相結合的方式，在虛擬實驗中初步感知知識和技能，然后結合實際，設計實驗，親自操作，來進一步內化知識和技能，這樣虛實結合的實驗過程能夠使得學會解決問題，創新實驗思維，提高實踐能力。但是，虛擬實驗只是對當前現實實驗的補充和擴展，它并不能完全替代現實實驗，例如醫學手術中的力度感、血液黏度感、止血、手術打結等操作，在虛擬實驗中難以體會到，只有通過親自操作實物，經過嚴格和科學訓練才能掌握。因此，實驗教學需以實為主，以虛為輔，做到虛實結合，優勢互補，圍繞創新人才培養目標，優化和創新實驗教學模式。

4 結語

隨著現代科學技術的發展和人類社會的進步，當前高校應與時俱進，充分認識到當前高校實驗教學的問題，充分利用現代科學技術推動實驗教學改革。基于虛擬現實技術的良好發展前景和實驗教學應用優勢，高校應突破傳統，開展基于虛擬現實的高校實驗教學改革，虛實結合，優化和創新實驗教學模式，培養創新人才。