虛擬仿真實踐教學在新工科建設中的作用＊

滕洪輝，高秀紅，湯 茜，任 新，李雨珊

（1.吉林師范大學環境科學與工程學院，吉林 四平 136000；2.吉林師范大學教務處，吉林 四平 136000）

突如其來的新冠疫情對人類生活秩序造成了極大沖擊，深刻改變了人們常規的生活、工作、學習方式，對各層級教學工作的影響還在持續著。在線教學已經成為無法避開的話題，相對于中小學以知識學習為主的教學活動，高等教育承擔著“為黨與人、為國育才”的使命，除了知識傳授外，更要使學生通過知識學習獲得的實踐、創新、創業思維和能力，引導學生樹立正確的人生觀、價值觀和社會責任感。所以，高等教育要求線上教學內容和載體更豐富，更能體現時代感。信息技術的運用和發展已經成為當今世界發展的主旋律，信息技術在教學中的運用已經被定義為中國高等教育趕超世界一流的重要支撐[1-2]。虛擬仿真實驗教學是將傳統的實驗教學活動通過信息技術手段呈現在網絡上，虛擬現實并實現可互動式的信息交換，達到現實實驗教學的目標。新工科建設是一項龐雜的系統工程，是中國因應世界高等工程教育改革提出的國家戰略，在新工科建設起點“天大行動路線”中明確指出：推進信息技術和教育教學深度融合，建設和推廣應用在線開放課程，充分利用虛擬仿真等技術創新工程實踐教學方式[3]。虛擬仿真實驗教學必將在新工科建設中發揮重要作用。

1 豐富實踐教學內容，助力新工科建設

實踐教學改革與創新是實現新工建設目標的有力保障。在工科類專業中，涉及到的實踐教學內容廣泛，許多實踐教學因為不具備開設條件無法有效開出。實踐是檢驗理論、鞏固知識、深化理解、創新思維的唯一有效途徑，沒有其他方式可以代替實踐在大學生學習中的重要作用。但是，因為易燃易爆有毒等危險性、實驗室條件不可及性、實踐基地不完善，化工、環境工程、土木工程、采礦工程、機械工程、海洋技術、制藥工程、核物理等工科專業無法保質保量地完成實踐教學活動，實踐教學內容和教學環節有所打折扣。因為實踐教學的不足，導致有些關鍵知識點的理論與實踐聯系緊密度不夠，達不到應有的教學效果，嚴重制約新工科建設目標的實現。虛擬仿真信息技術可以彌補實踐教學方面的不足，豐富實踐教學課程體系，完善和增加實踐教學內容，充分挖掘新的實踐教育教學方法，為新工科建設開辟新途徑。這種新途徑將使得理論課程體系、實踐課程體系相互融合貫通，形成緊密交叉的知識鏈條、實踐認知鏈條和工程創新鏈條，圍繞工科專業性質和專業特點，遵循教育科學規律，將工科類專業的實踐教學細分為五個教學環節，分別為實驗、實習、實訓、工程實踐、項目創新。

為了對接社會經濟發展需求，尤其是工科專業對應的產業發展對人才素質和能力的要求，將虛擬仿真技術與實踐教學的五個環節相結合，在實踐教學的五個環節方面進行虛擬仿真開發，構建五類虛擬仿真實踐教學項目，即虛擬仿真實驗類、虛擬仿真實習類、虛擬仿真實訓類、虛擬仿真工程類、虛擬仿真創新創業類，打造人機交互式、VR 可視化、智能創新型三種層次虛擬仿真教學平臺，形成“五類三平臺”的虛擬仿真實踐教學體系。

1.1 虛擬仿真實驗類

虛擬仿真實驗類主要面向專業基礎課程和專業核心課程開設的對應實驗課程，這類實驗課程與理論知識聯系緊密，是理論知識鞏固和理解運用的關鍵。

目前大部分實驗課程開設的實驗題目是在實驗室條件下完成的，當此類實驗題目具有危險性或者不具備開出條件時往往不開出，這使得學生對專業知識的理解和運用不完整。專業課教師和虛擬仿真技術開發人員合作，可以根據專業教學需要，而不是根據實驗室條件或者實驗題目的危險性等來考量實驗題目設置，將一些原本需要但是不具備開出條件的實驗題目以虛擬仿真實驗項目的形式提供給學生，學生通過人機交互式學習平臺完成此類實驗題目，將原來依靠記憶掌握的知識形象地進行演示，提高學生對專業知識的理解和運用。例如，在固體廢物處理與處置實驗中“有機固體廢棄物厭氧發酵堆肥”虛擬仿真實驗項目，通過人機交互平臺，教師能夠利用虛擬仿真軟件系統講解厭氧發酵裝置的內部和外部結構、工作原理，使學生直觀形象地感知到厭氧發酵設備知識、發酵過程及其工作原理，加強學生理論聯系實際的知識運用能力訓練。

1.2 虛擬仿真實習類

目前，工科專業的實習教學包括多種形式，以認知實習、生產實習和畢業實習為主，但不論哪一種實習，都離開實踐基地的支撐，需要深入企業、工廠等實體單位，了解實際生產過程。但是因為本科生擴招，學生數量動輒幾十人，有的甚至上百人，這么多學生進入生產單位，無形中給安全生產和實習生人身安全帶來較大負擔和隱患，所以，企業接受學生實習意愿不強烈，學校和指導教師也顧慮學生安全問題，導致學生實習過程“走馬觀花”，無法深入生產一線了解生產過程，使得實習教學效果不理想，急需改變現狀。這也是新工科建設與改革的目的之一。采用虛擬仿真技術恰好可以解決這一問題，聯合教師、企業工程師、生產一線工人和虛擬仿真技術開發人員，將某一實習基地的生產布局、工藝工序、企業產品流程、物料存儲、服務保障等通過3D 仿真形式虛擬現實，集成后構建生產全流程的互動式和開放式的虛擬仿真實習基地，學生能夠通過進入虛擬實習基地，產生與實際一樣的實習感知，觀察生產流程、記錄生產參數、了解具體工藝、掌握企業生產布局，通過實習了解并掌握支撐企業生產的輔助設施與服務，形成更全面的實習報告。

另外，這種虛擬仿真實習項目資源建設增多，可以打破地域產業發展不均衡帶來的實習基地類型少的限制，學生坐在教室內通過虛擬仿真足不出戶就可以進入到多種類型實習基地虛擬實習，這不但拓展了學生的實踐教學，而且解決了交通住宿費用等經費支出，節約了辦學經費。

1.3 虛擬仿真實訓類

相比實習教學，實訓更貼近實際生產，專業性更強，或者可以說實訓教學就是直接參與本產業領域相關行業生產過程，對學生未來就業非常重要，所以相對于實習，要求學生更深入生產一線，參與生產活動。目前，存在的問題與實習類似，無法有效開展此類教學活動。虛擬仿真技術為解決這個問題也提供了可行方案。需要將生產工藝流程、每個工序參數、操作步驟等通過3D 虛擬顯示并能夠通過人機交互系統進行自主互動式操作，將專業知識點融合到工藝中，將實際出現的問題引入到參數設置，從而使學生能夠通過虛擬仿真實訓教學，體驗與現實一樣的訓練過程，將操作記錄及核心知識點考核記錄等作為學生實訓效果評價的重要依據。

1.4 虛擬仿真工程類

虛擬仿真工程類課程是基于項目式教學的虛擬，與上述三種類型課程明顯的區別是，上述三類實踐課程主要是培養學生知識的理解和運用能力，虛擬仿真工程類課程主要培養學生的知識集成與貫通、解決工程問題的能力，需要建立龐大的資源庫。工程項目信息、項目可研、各類工藝設計、項目施工、生產運行、設備選型與維護等全流程虛擬仿真呈現，學生通過選定某一項目的信息，虛擬進行項目的可研分析，然后選擇工藝組合、選型設備開展項目建設，調試運行并日常維護，在每一個環節提供多種選擇，學生需要根據所學的專業知識進行合理選擇和組合，給出適當專業性提示和結果預測，幫助學生開展建立全知識鏈的實踐，達到知識的融會貫通、集成運用。學生通過集中虛擬實踐，可以將現實中長時間的工程項目立項、建設與運行維護過程短時間就可以全部完成，這種虛擬仿真工程類實踐課程更能夠高效地培養出適合社會發展需求的新工科人才。

1.5 虛擬仿真創新創業類

當前，創新創業教育已經成為高等院校人才培養的必修環節，知識陳舊和局限性較大的傳統實踐教學顯然無法滿足創新創業教育需要，無法支撐創新創業教學，學生在這樣的教學條件下也很難激發創新創業潛力，開展卓有成效的創新創業。另外，各個高校開展的創新創業教育還不能達到全體學生參與創新創業實踐，現階段能夠進行創新創業實踐的學生比例并不高，究其原因是多方面的，無法提供充足實踐條件保障是重要因素之一。虛擬仿真實踐教學軟件的開發和使用能夠一定程度彌補此方面的不足，通過虛擬現實模擬工程實際難題，引導學生進行創新性工程研究和技術開發；通過虛擬現實模擬創業環境，引導學生開展創業活動。要實現上述虛擬現實并互動操作，需要更高層次的人工智能技術，可以根據學習者的學習狀態、學習數據給出不同的隨機的結果，開拓創新。這種虛擬現實的創新創業實踐教學能夠為全體學生提供創業創業學習實踐機會，將大大提高學生的自主學習興趣，培養學生的創新思維，錘煉學生的創新能力。

2 創新實踐學習模式，促進新工科建設

2.1 共享學習模式

受實驗條件限制而不能開設的實驗可以使用虛擬仿真技術進行，一些地方院校無法購置大型儀器和仿真實驗裝置，無力購買足夠臺數的實驗教學設備，難以解決辦學硬件條件薄弱的難題，而采用這一技術可以彌補辦學資金不足，極大地提升辦學能力，有力地保障新工科建設任務。建設一批虛擬教學資源，搭建一批云資源平臺，形成資源共享、模式共享、機會共享的教學體系，開放式共享，拉平地區間、學校層次間的差距，給學生提供公平的學習機會和條件。

2.2 融合學習模式

虛擬仿真類實踐教學完全擺脫了傳統教學在時間和空間上的制約，實現了理論學習與實踐運用的緊密結合，不同知識點交叉融會貫通，更重要的是將產業生產活動、專業教學活動和學生學習活動進行了有效的融合，為學生學習知識、實踐知識、運用知識提供了大平臺，有利于創新學生學習模式，豐富人才培養方式，使學習內容更貼近實際，全面提升學生工程能力。

2.3 發展學習模式

新工科建設要突出學生為中心的教學理念，學生為主的問題導向式、任務驅動式教學方法是虛擬仿真實踐課程的主要特色之一，契合了學生為中心的教學理念，而這種理念得以落實除教學方法的變革外，發展學習模式的構建也起到決定性作用。通過學生過程的引導深入，學習內容的擴展，學生對知識的學習不再是孤立的知識點，而是各個知識點串聯出的知識鏈學習，完全改變了以往的學習模式，形成了融會貫通的專業發展學習模式，充分展現了學生為中心的理念。

3 結語

在新工科建設中，實踐教學具有不可替代的作用而且是新工科專業建設重中之重，各個工科專業結合本專業實踐教學要求，構建“五類三平臺”虛擬仿真實踐教學體系，將能夠彌補現有實踐教學的不足，促進實踐教學發展以適應新工科建設需求。在高等工程教育改革和信息技術變革浪潮中，搶占發展先機，必將給專業發展和人才培養質量提升帶來巨大優勢，帶動中國高等教育創新與發展。