應用型大學虛擬仿真實驗教學的建設研究

李國林 劉美霞 馮沖沖 郝曉芳 焦偉婷

摘要：應用型大學注重培養應用型復合型人才，應用型人才實踐能力的提升呼喚契合地方經濟產業發展的實驗教學，虛擬仿真實驗教學項目和課程是應用型大學開展實驗教學和提升實驗效果的一個契機。本研究通過調研，發現了應用型高校虛擬仿真實驗教學建設中存在的問題，提出一系列針對性對策，并總結了實際建設的經驗。

關鍵詞：應用型大學，虛擬仿真，實驗教學

現代社會，科學技術日新月異，社會生產條件更迭頻繁，高校很難做到實時更新實驗設施以適配社會生產需要。為了切實解決高校真實實驗條件不具備或實際運行困難，例如涉及高危或極端環境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓練等問題[1]，2017年國家開始評定國家虛擬仿真實驗教學項目;2019年國家開始建設虛擬仿真實驗教學一流課程，三年內計劃建設1500門虛擬仿真實驗教學一流課程。

應用型大學強調培養應用型、技能型、復合型人才，需要緊跟地方經濟社會發展水平，因此更急需開展虛擬仿真實驗教學。為了更好的了解地方應用型高校虛擬實驗項目建設的現狀，課題組以某地方應用型高校為藍本，調研地方應用型高校虛擬實驗項目建設的現狀。通過發放問卷和教師專訪，了解各學院、專業虛擬仿真實驗教學的現狀、需求，以及主要困難。

1.虛擬仿真實驗存在的問題

1.1項目建設經費投入不足，開發資金短缺。

虛擬仿真實驗項目建設所需要的費用不菲，經費投入少，所產出的虛擬實驗項目數自然就少，且種類貧乏。該校近20個二級教學單位中，只有2所學院建有3門省級虛擬仿真實驗一流本科課程（項目）;部分學院正在建設虛擬仿真實驗教學資源，更多院系則是翹首以盼。

高校缺乏既懂本專業知識又懂虛擬現實開發的人員，開發研制的虛擬仿真實驗項目產品，難以滿足仿真度和開放性等實驗要求。同時高校欠缺師生開發虛擬仿真實驗項目的獎勵機制，師生參與開發的積極性不高。理想的解決方案是借助于企業的力量。虛擬仿真項目涉及到三維建模、軟件編程等相關技術，對于技術、設備要求高，企業開發虛擬仿真項目的成本比較高昂，但是校方投入到虛擬仿真實驗項目的資金偏低，也影響了企業設計、開發與維護的積極性。

1.2師生觀念對于虛擬仿真實驗存在認知偏差

部分教師實驗教學觀念相對陳舊，一味強調真實環境下的實驗教學，不能與時俱進，對虛擬仿真實驗教學的理解片面化。不少教師很少主動接觸前沿的信息技術，對虛擬仿真實驗教學缺乏了解，不主動探尋虛擬仿真實驗資源，更不能靈活使用。有些教師囿于個人的教學模式和習慣，樂于現狀，不愿意進行實驗教學改革和創新。

1.3適用、可用的虛擬仿真教學資源數量少

當前虛擬現實技術正在快速發展之中，方興未艾，虛擬現實實驗開發相關的技術公司和技術人才都還處于成長中，所需要的技術和設備要求相對要高且更新換代快，而相應的資金投入相對不足，因此，成體系的適用、可用的虛擬仿真實驗、虛擬仿真資源比較缺乏，完善性欠佳，影響使用感受、學科科學性不足，導致虛擬仿真實驗的教學無法開展，實驗效果和水平無法保障，影響應用型人才的培養。

1.4虛擬仿真教學資源的效果評價和開放共享的機制不完善，利用率低

當前開發的虛擬仿真實驗一般都只有簡單的評價反饋系統，適應性較差，過程性考核機理不夠完善，對于學生的評價不及時、不準確。虛擬仿真實驗項目的評價機制不健全，直接導致師生應用、開發的積極性也不高，虛擬仿真實驗項目的利用率低。

已建成的虛擬仿真實驗教學項目，開放共享方能發揮最大的價值，符合國家需求。但現有共享機制的不暢通，導致資源重復建設，造成巨大浪費;已有項目只在小范圍使用，利用率低，不能發揮最大效益，成本回收困難，又影響仿真實驗項目進一步的開發與更新[2]。

2.地方應用型高校建設虛擬仿真實驗項目的對策

2.1多方籌措，加大經費投入

根據院校實際情況，合理的加大經費投入。應用型大學更需要實驗實踐資源，實驗教學中實物方式的投入一次性投入較大，并且后期的維護和更新換代成本也較大。因此，應用虛擬仿真方式建設一些實驗資源，投入相對較小，臺套數不受限制，且后期更新換代、建設新的實驗項目的成本更小。虛擬形式的實驗熟練后，再到實際應用場景中去實踐，教學成效更好。地方應用型大學可以積極尋求當地政府和企業部門的資助和合作，設置聯合開發機制，聯合培養人才。另一方面，院校設立適當的激勵機制，鼓勵師生自主開發、使用虛擬仿真實驗教學，提高院校教師自主開放和應用能力。

2.2通過培訓和教研交流，切實轉變教師實驗教學理念。

高校教師是虛擬仿真實驗教學的直接使用者和推動者，因此高校教師需要轉變實驗教學理念，高校教師發展部門要積極開展教育教學培訓，引入新的教育教學思想和理念;組織參觀學習、交流展示活動，讓教師切實體驗到虛擬仿真實驗的魅力，有深刻的切身感受方能自覺去推動實驗教學的改革。

2.3多方合力，擴大建設范圍和力度

一方面，高校利用政策等因素，匯聚人才，培養虛擬現實相關技術人才，提高學校自身的虛擬仿真開發水平，提升自身造血功能。另一方面，廣泛開展校企合作，加大建設力度和范圍。增強應用型大學與企業、行業的聯系和交流，探索多形式、多層次的合作運行機制，建立共同開發、維護更新、持續發展、合作共贏的合作模式。鼓勵教師團隊積極申報教育部協同育人項目等各類校企合作育人項目，其中有不少公司企業具有虛擬仿真實驗開發技術能力。倡導高校專業加入“1+X”職業技能等級證書體系，充分利用相關企業的技術力量，優化實驗資源。這也正契合應用型大學的定位。

2.4健全虛擬仿真實驗教學效果評價和開放共享的機制，強化合作與共享

虛擬仿真實驗效果評價運用多元評價方式，采用系統評價、教師評價、互評、自評、小組評價等評價方式;虛擬仿真實驗開展效果考核納入教師教學質量考核范圍之內，在績效工資、職稱評定、教研項目等方面給予認可和支持，做好正向激勵。

積極開展校內合作、校校合作，形成開放共享機制。發揮學校內部技術力量，構建計算機、信息技術、教育技術、數字媒體等相關專業的教師團隊的協作體，加強技術溝通和合作，利用教學研究項目和本科教學質量工程項目，開發具有自主知識產權的虛擬實驗項目，迭代更新[3]。此舉一舉多得，既產出了虛擬仿真實驗項目，又錘煉了相關專業師生的專業技術能力。同時積極尋求周邊兄弟院校的支持，建設虛擬仿真實驗項目，或者共享其成熟的虛擬仿真實驗項目。

3.地方應用型高校虛擬仿真實驗開展的實踐

3.1虛擬仿真實驗設計原則

虛實結合原則。堅持能實不虛、虛實結合的方針。比如項目組開發的“虛擬演播室設備認知與基礎操作”仿真實驗項目，學生在本虛擬實驗項目操作熟練后，還需要組織學生在真實的虛擬演播室中，進行實際的操練，這樣能夠加快實驗的進度和正確度，確保設備利用率和完好率。

以學生中心、教師主導的原則。實驗項目以滿足學生發展需要作為評價標準，可以由學生自主設計實驗方案，自主操作完成，分析實驗結果。而教師則需要合理設計實驗過程和實驗情境，從學生角度科學預設問題和疑難，合理引導和適時提示，使學生成為實驗的主體，營造出友好和諧的實驗教學氛圍。

虛擬仿真實驗設計遵循最近發展區原則，同時兼顧合理性與可擴展性，先進性與開放性、可維護性與安全性，保證實驗項目滿足當下教學需求，又適應未來教學發展需要。

3.2適配合適的研發技術

教學應用中基于三維動畫的虛擬仿真實驗項目居多，項目開發一般需要三維建模軟件、渲染引擎和交互編程工具、數據庫軟件等。常見的三維建模軟件以3DS Max和Maya為主，學校師生用3DS Max的相對多些。渲染引擎與交互編程環境，使用unity 3D技術為多，該軟件具有資料豐富的優勢;Virtools、UNREAL ENGINE（虛幻引擎）等也有使用。國內公司也有自己的虛擬仿真實驗平臺，比如中視典公司VR-Platform三維虛擬現實平臺。虛擬仿真系統一般使用面向網絡的中型數據庫即可，選用MySQL數據庫系統或SQL Server 數據庫，后期還需要考慮接入國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務平臺。

3.3自主開發與應用的實踐

根據實驗教學實際，項目組選擇“虛擬演播室”設備認知與基礎操作仿真實驗項目為例進行說明。虛擬演播室設備眾多，部分設備操作復雜，且比較昂貴，學生初次操作，誤操作容易造成設備損壞;虛擬演播室演播間和導播間一次可容納10人，無法滿足大容量班級教學的需求;實驗操作內容較多，步驟比較繁雜，學生需要經過多次演練方能熟練掌握。實驗教學環境現狀制約著常規實驗教學的開展，而高仿真強交互性的虛擬仿真實驗可以同時容納多人在線進行實驗，學生可以在開放、交互、自主的環境中，反復練習，安全快捷的掌握虛擬演播室的使用。

開發流程主要包括運用3D Max軟件對演播室場景和實驗設備進行建模，導出適合unity的格式。把模型導入untiy3D中;根據交互設計進行C#編程，控制實驗交互。利用PHP語言+MySQL數據庫，來開發制作網站，實現用戶的管理。

虛擬仿真實驗為課程教學服務，與課程緊密結合方能發揮其最大功效。在課程教學中，積極采用虛擬仿真實驗教學項目的項目和資源，提升實際實驗的效果。除了常規實驗教學，虛擬仿真實驗也為大規模在線開放課程中的實驗教學提供了很好的解決方案，一定程度上緩解了慕課缺少實驗的痛點，在線虛擬仿真實驗加入慕課之中，慕課教學如虎添翼。

4.總結

地方應用型大學開展虛擬仿真實驗教學，契合學校和社會發展需求，正當其時，教育部門應加大投入，加強校企等多方合作，完善評價、合作、共享機制，充分發揮虛擬仿真實驗教學的價值。

參考文獻

[1]呂云，洪玉潔，孫偉.虛擬現實教育應用促進教育均衡發展[J].計算機教育，2019，No.300（12）：7-12.

[2]龔成斌，曹雅儀，王強，唐倩，張浩.虛擬仿真實驗教學的需求現狀——基于西南大學虛擬仿真實驗教學需求問卷調查分析[J].西南師范大學學報（自然科學版），2019，44（11）：155-160.

[3]李淑嫻，馬宗民.虛擬仿真實驗項目建設與理論力學實驗教學改革思考[J].產業與科技論壇，2018，v.17（10）：146-147.

基金：河北科技師范學院教學研究項目（JYZB201911）