虛擬仿真實驗教學項目應用研究

高文曦

（南通大學教育科學學院，江蘇南通 226000）

0 引言

社會的發展和技術的進步對高等院校學生的實踐能力提出了較高要求，這給相對固定的專業基礎課程的教學內容帶來了挑戰，傳統的實驗教學已難以滿足當前高等教育信息化需求。鑒于此，自2013 年以來，國家教育部相繼出臺一列文件以重點推進信息技術與高等實驗教學的深度融合［1-3］，在全國各高校陸續推進國家級虛擬仿真實驗教學示范中心建設。自此，各類虛擬仿真實驗教學項目紛紛涌現，涉及醫藥學、護理學、教育學以及理工科類等各個學科方向［4-7］。為了給這些項目提供集中展示的平臺，由高等教育出版社負責建設運營的國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺——“實驗空間”已對外開放使用。本文通過搜集該平臺2017-2021 年開放的虛擬仿真項目作為研究對象，對當前國內獲得國家級虛擬仿真實驗教學項目的建設現狀和應用情況進行詳細分析。并針對應用過程中發現的問題，進一步提出優化策略，從而為我國高校建設出更好的虛擬仿真實驗教學項目和系統提供可供參考的實踐啟示。

1 虛擬仿真實驗教學項目建設與應用現狀

1.1 虛擬仿真實驗教學項目建設情況

依托虛擬仿真技術的“網上實驗”“虛擬實驗”為高校實驗教學開辟了新途徑［8］。因此，國內眾多高校和研究所一直在積極利用VR/AR 技術、人機交互技術以及三維展現技術等，建立各類高仿真的虛擬實驗項目，實現在真實環境中不具備條件或者實驗難度較大的實驗項目虛擬化，保證學生在模擬的環境中進行實驗的效果與真實環境一致［9］。

目前，國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺申報的虛擬仿真實驗項目共有3 250 個，時間跨度為2017-2021 年，涵蓋了理、工、農、醫、文等學科中的61 個大類，詳細分布情況如表1 所示。其中被認定為國家級虛擬仿真實驗項目的共有728 個，由于2021 年申報工作剛結束不久，相關項目還在建設過程中，尚未進行成果認定，因此該平臺暫時沒有公布2021年的國家級虛擬仿真認定項目。

Table 1 Distribution of virtual simulation project categories 2017-2019（Top 20）表1 2017-2019年虛擬仿真項目類別分布情況（前20名）

分析表1 發現，虛擬仿真實驗項目申報數量排名前20的專業大類中，申報管理類虛擬仿真項目的數量最多，高達221 個；申報數量在100 以上的專業大類有8 個，分別是機械類、藝術學類、土木類和基礎醫學類等，表明虛擬仿真技術在這幾個專業領域的應用相對而言更加成熟，技術優勢更加明顯，具有廣闊的發展前景。并且，在排名前20 的學科門類中，理工科類的虛擬仿真項目數量占比更高，這也從側面反映了相較于農林醫藥和人文社科類等，虛擬仿真實驗在理工科門類中的應用范圍更為廣范。

此外，按照年份對認定為國家級的728 個虛擬仿真實驗項目展開進一步分析，認定數量排名前20 的專業大類情況如圖1所示。

Fig.1 The recognition time distribution of national virtual simulation experiment teaching project圖1 國家級虛擬仿真實驗教學項目認定時間分布情況

不難看出，擁有國家級虛擬仿真實驗項目數量排名前三的專業大類分別是臨床醫學類、機械類和基礎醫學類。并且，這幾個專業大類的虛擬仿真項目不僅在數量上具有明顯優勢，而且相較于管理類、電氣類、物理學類、教育學類等幾個類別的虛擬仿真項目，它們的認定年份也更早。這進一步支撐了表1 的結論，虛擬仿真技術在工、醫兩個學科中應用得較早，技術也更加成熟。但隨著虛擬仿真技術的不斷發展，其在文學類、管理類、教育學類、交通運輸類等文、理、農學科中也備受青睞，近兩年涌現了大批量的虛擬仿真實驗教學項目。此外，在分析國家級虛擬仿真項目時還發現，雖然地質學類、紡織類、海洋科學類、天文學類等專業也積極建設了大量的虛擬仿真實驗教學項目，但其中高質量的國家級虛擬仿真項目數量仍未實現零的突破。一方面，可能是由于技術水平限制，虛擬仿真技術在這幾個專業領域的應用尚不成熟；另一方面，虛擬仿真技術在該領域的應用發展尚未引起足夠重視。教育和虛擬仿真技術的不斷融合，勢必為這些學科的教學模式改革帶來新的突破［10-11］。

對728個國家級虛擬仿真實驗教學項目建設高校分布情況展開分析，結果如表2所示。

可以看出，擁有國家級虛擬仿真實驗項目數量在5 個以上（包括5 個）的高校共有43 所，項目數量共計291 個，占國家級項目總數的39.97%。其中排名前5 的高校分別為天津大學、山東大學、陜西師范大學、西安交通大學和浙江大學，這5 所高校建設的國家級虛擬仿真實驗教學項目數量都在10 個以上，位居全國前列，且均為雙一流高校。分析表2 數據還可以發現，在43 所高校中，雙一流高校共有31 所，占比74.42%，其中雙一流高校建設的國家級虛擬仿真實驗教學項目共有220 個，占比75.60%。這說明雙一流高校建設的虛擬仿真實驗教學項目在數量上占比更高，具有明顯優勢，反映了擁有優質教學資源、先進軟硬件設備以及高水平人才隊伍的雙一流高校在虛擬仿真實驗教學建設方面整體實力更強，虛擬仿真實驗教學資源也更加豐富。這種情況對于規模較小且專項資金和資源不夠的高校而言，虛擬仿真實驗項目建設無疑是難上加難。要彌補這一短板，可以共享現有虛擬仿真項目資源，優化資源配置，避免重復投入。同時，可通過增加平臺用戶數，更好地發現實驗教學中存在的不足，并加以完善，從而進一步提高實驗教學質量。

1.2 虛擬仿真實驗教學項目應用現狀

針對平臺開放的61 個專業大類中的虛擬仿真實驗教學項目（包括申報和認定為國家級的），進一步按照理工、農林、醫藥以及人文社科等學科門類進行歸納分析，以全面了解當前虛擬仿真實驗項目在各學科專業的應用情況，如表3所示。

可以看出，在理工科類、醫藥類、農林類、人文社科4個大學科門類中，理工科類的虛擬仿真項目無論是在申報數量上，還是在認定為國家級虛擬仿真項目的數量上都遙遙領先其他3 個學科門類。相較于農林類和人文社科類兩大學科門類，理工科類的實驗項目更多、種類也更加復雜，對學生的動手操作能力要求也更高，如機械類、電子信息類、土木類、自動化類、化學類等，這類實驗往往都屬于高成本、高消耗，甚至高危險的項目［12-15］。而虛擬仿真實驗教學項目具有高性價比、交互性、安全性以及開放性等優點，可以有效緩解傳統理工科類實驗教學模式中的資源短缺、場地限制及高風險性等弊端，因此理工科類實驗更適合開展虛擬仿真實驗教學項目。例如，天津大學的姜杉團隊將虛擬仿真技術與機械專業課程相結合，幫助學生在線完成一系列實驗操作。他們可以在線反復觀察機械結構和工作原理，反復動手拆洗齒輪油泵等零件，讓書本上原本靜態的零件和儀器統統“活”了起來，極大激發了學生的學習興趣。并且，虛擬仿真實驗在理工類學科中的發展較早，應用價值也更廣泛。依托虛擬仿真實驗項目，學生可以在沉浸式的實驗環境中重復操作實驗，甚至可以體驗實際教學中無法操作的一些具有危險性、破壞性的復雜實驗，從而避免實驗風險，拓展實驗教學的廣度和深度，提高實驗教學效果。例如，天津大學趙溫濤團隊開發的“加壓氫化反應的虛擬仿真實驗”，學生可以在線使用易燃易爆氣體、高壓釜等特種設備，仿真操作加壓氫化裝置，使學生體會重大發現及應用，培養學生的創新意識。

Table 2 Distribution of national virtual simulation experiment teaching items表2 國家級虛擬仿真實驗教學項目的分布情況

Table 3 The application of virtual simulation experiment teaching items in various disciplines表3 虛擬仿真實驗教學項目在各學科門類中的應用情況

同時，醫藥類實驗也是虛擬仿真實驗教學平臺的重要應用領域［16-18］。相較于其他幾個學科門類，虛擬仿真技術在我國醫藥學類實驗中的應用研究起步最早，技術也更加成熟完善。觀察表3 可以看出，雖然醫藥類虛擬仿真實驗項目數量不是最多的，但是認定為國家級虛擬仿真項目的比例遠遠高于理工科類。由于醫藥學的實驗對象大都是動物或者微生物，其實驗操作具有一定的創傷性、不可逆性，甚至具有極大的風險性。如果學生缺乏實際操作經驗，實驗很容易失敗，這將挫傷學生繼續實驗的積極性和自信心。醫藥類虛擬仿真實驗為學生們提供了一種動態和有效的學習途徑，可以讓學生在安全的環境中重復和標準化臨床經驗，并且允許學生試錯，從而提高他們的臨床技能和信心。例如，暨南大學的查振剛教授在其臨床醫學的實驗教學中通過虛擬仿真技術模擬出清創、消毒、鋪巾以及肌腱縫合4 個階段的手術操作場景，使學生沉浸在虛擬仿真手術室里，并掌握骨科創傷急診相關知識點和操作。

除理工科類、醫藥類外，農林類、人文社科類的虛擬仿真實驗教學項目建設也碩果累累。觀察表3 可以看出，由于農林院校和專業總體數量相對較少，因此該門類的虛擬仿真項目數量也最少，但認定為國家級虛擬仿真項目的比例最高。這也從側面反映了虛擬仿真技術在農林類實驗教學中具有巨大的發展空間。例如，浙江農林大學依托虛擬仿真技術開發的土污染修復仿真實驗項目，解決了傳統土壤污染修復實驗中對特定教學場地、修復工程大、周期長等問題，將有限的實驗訓練拓展成無限學習和自主學習模式，提升學生的實踐能力和創新思維。此外，作為虛擬仿真實驗教學的新興領域，各大高校也緊跟時代步伐，積極部署虛擬仿真技術在教育學類、法學類、管理學類等人文社科領域的應用發展。從表3 可以看出，人文社科類的虛擬仿真項目數量僅次于理工科類，這為文科類的實驗教學改革構建了新途徑，有著十分廣闊的發展前景。例如，南通大學的沈小燕團隊針對會計學專業核心課程，基于國家級制造企業的真實場景和多年數據構建管理會計虛擬仿真項目。利用該平臺，學生可以切換多種工作角色，置身于虛擬企業環境中，按照任務指引，運用管理會計知識，開放式地進行模擬運營。結果發現，該系統很受學生歡迎，極大提高了學習效果。

2 虛擬仿真實驗教學項目中存在的問題

虛擬仿真項目在實驗教學應用過程中，還利用實驗空間平臺提供的測試賬號和密碼，對各學科門類的虛擬仿真項目進行一一測試。測試發現，當前虛擬仿真實驗教學項目在實際應用中存在一些不足。

2.1 豐富性與典型性有待提升

盡管當前虛擬仿真實驗教學項目在一定程度上緩解了傳統實踐教學資源短缺的困境，然而各學科的實驗教學內容和實驗項目種類遠不止于此。以文科為例，對法學類、經濟學類、教育學類、文學類等幾大門類的虛擬仿真實驗項目的課時進行統計分析，如圖2所示。

Fig.2 Class hour statistics of virtual simulation experiment in liberal arts圖2 文科類虛擬仿真實驗項目課時統計

從統計結果可以直觀地看出，總體上各學科的虛擬仿真實驗項目所占課時普遍偏低，無法滿足教學大綱所要求的教學效果，其中虛擬仿真項目的實驗課時占總實驗課時百分比超過15%只有經濟學類和藝術學類兩大類，歷史學類占比只有7.66%。虛擬仿真項目的建設重點是將項目落實到教學資源和教學服務上，擴大實驗項目課時比，有助于提高實驗教學效果，提高學生動手能力，增強高校學生的社會實驗和創新能力。此外，虛擬仿真實驗項目偏少，容易讓學生在實驗過程中淺嘗輒止，使得實驗教學效果大打折扣，這些問題在理工科、醫藥學科等其他學科門類中的一些項目中也普遍存在。鑒于此，提升虛擬仿真實驗教學資源種類的豐富性和典型案例數量十分必要。

2.2 互動性有待加強

互動性是虛擬仿真技術的必要特性之一，也是虛擬仿真實驗教學平臺建設中面臨的主要問題之一。實踐證明，虛擬仿真實驗教學項目已成為提高學生實踐動手能力和創新思維的有力補充。由于虛擬仿真實驗突破了傳統實驗教學對時間、空間和實驗條件的局限性，讓學生隨時可以利用網絡進行遠程學習或實驗。但如果實驗過程中缺乏與學生的有效互動，針對學生的問題不能夠提供及時的反饋和幫助，這樣容易讓學生處于“無人管理”的狀態，打擊學生實驗的積極性。如圖3 所示，對實驗空間中認定為國家級虛擬仿真項目數量排名前10 的專業大類的平均實驗人數、平均點贊量、平均評分量和平均評論量進行統計分析，以揭示當前國家級虛擬仿真實驗教學項目的互動情況。觀察圖3 可以看出，排名10 的學科大類分別涵蓋了理工、農林、醫藥以及人文社科等學科門類，總體上各學科大類的平均實驗人數、平均點贊量、平均評分量均不高，特別是參與留言評論的人數更是少之甚少，比如文學類平均參與評論的只有5 人，其他學科大類也只有幾十人。這反映出在一些學科的虛擬仿真實驗教學項目中，學生的參與度明顯不夠，平臺互動性有待進一步加強。

Fig.3 Interaction of virtual simulation experiment teaching items in some subjects圖3 部分學科虛擬仿真實驗教學項目互動情況

此外，依托實驗空間平臺，該平臺開放的虛擬仿真實驗教學項目大都已建立了評價反饋機制，如圖3 所示，但仍停留在點贊、留言等簡單的互動形式階段，評價反饋體系過于簡單。而且，很大一部分項目存在針對學生留言、反饋沒有響應或者改進滯后的不足，信息傳遞與響應速度也有待進一步提升。

2.3 后期維護有待完善

目前，在高校、地方政府以及國家教育部門等各方的努力支持下，我國虛擬仿真實驗教學項目發展已初具規模。但一般高校或者機構在虛擬仿真實驗教學項目建設前期大都會投入大量的人力、物力和財力，而對項目后期維護的重視程度和投入不夠，不利于平臺軟件功能完善與資源擴充，也帶給學生不良的學習體驗，最終影響實驗教學效果。如圖4 所示，在對實驗空間開放的部分虛擬仿真實驗教學項目測試過程中發現，有些項目在學習過程中會出現無法進行下一步或者圖片無法放大等問題，極少數項目出現這種情況甚至達2～3 次。同時，還有一些項目會出現網址錯誤、實驗頁面無法打開、提供的測試賬號錯誤、無法下載插件、無法退出等一系列問題。這在一定程度上反映出我國虛擬仿真實驗教學項目后期維護還相對薄弱，在項目功能完善、軟件升級等方面還有待進一步探索。虛擬仿真實驗教學平臺使用流暢性是用戶持續使用的一個重要原因，如何讓平臺更個性、更暢通，是虛擬仿真實驗項目是否能夠可持續發展的重要保障。

Fig.4 Problem Statistics of virtual simulation experiment teaching item圖4 虛擬仿真實驗教學項目的問題統計

3 虛擬仿真實驗平臺優化策略

3.1 加強頂層設計，強化資源開發

雖然虛擬仿真技術在實踐教學中具有多種優點和功能，但在設計開發虛擬仿真實驗教學項目時，不能單純為了求新而求新，加強頂層設計是首要條件。在項目設計和開發過程中，必須確保教學內容、模型、模型關系的完整性和系統功能的完整性。此外，在虛擬仿真實驗教學資源開發和平臺功能完善的過程中，各大院校應結合各自發展需求、專業特點，多思考、多研究，提前計劃，打破任務、學科甚至專業約束，靈活地設置虛擬仿真實驗教學項目，讓學生以完成項目為抓手，串起各學科相關課程和知識點。同時，在遵循“虛擬與現實結合、互補、真實”的原則下，將虛擬仿真內容與實際教學內容建立多樣化的對接點［19］，提升虛擬仿真教學資源的多樣性、適用性和共享性，最大化發揮虛擬仿真項目在實踐教學中的作用。

3.2 優化可操作性與交互性，提升學生參與度

與PPT 和Flash 教學相比，虛擬仿真實驗教學系統可以幫助學生在全三維感知的場景中進行實際操作。若系統操作復雜，步驟繁瑣，或者與實際情況脫節，互動性差，這些都會降低學生參與度和學習積極性，影響實際的實驗教學效果。因此，首先應根據不同的教學模塊，優化虛擬仿真實驗項目的操作程序，避免出現與實際情況相去甚遠、操作困難的情況；其次，各高校及其開發者還需要優化虛擬仿真實驗教學平臺本身的交互性，以滿足不同實驗項目的個性化需求。比如在技術方面，可以利用體感、人工智能、人機交互、增強現實等技術，為學生呈現更加形象、逼真的實驗情境，使學生有做真實實驗的體驗，從而激發學生的學習熱情和主動性。在內容反饋方面，可以在虛擬實驗中設計一些突發狀況或者意外情境，或者結合團隊互助、項目驅動、網上答疑、實時點評等新的教學手段，同時將實驗中出現的新問題及時反饋給軟件設計者，便于其及時調整，增強系統交互性，這樣可持續滿足實際操作的具體需要和學生實際需求［20］。

3.3 健全長效管理，完善維護保障體系

長效的管理體制和完善的平臺保障體系是虛擬仿真實驗教學項目開放共享和可持續發展的重要保障。在搞好虛擬仿真實驗教學項目建設的同時要強化平臺制度建設，形成一套科學有效的運行管理機制，從而實現長效管理。比如教師方面，可以制定標準化的操作手冊和考核方法，以避免不遵循指導的學生自己體驗和操作實驗，造成不良結果；高校或者平臺方面，可以建立一套科學合理的引導政策和激勵機制，如制定合理的虛擬仿真項目實踐教學績效評價體系，提升平臺資源認可度并設置相應科研獎勵等，從而促進平臺利用率和資源開發效率。為提升平臺項目的口碑與可使用性，完善的維護保障體系也必不可少。相關高校要按照國家要求，加強對虛擬仿真實驗教學項目對外聯通和服務情況的監管，并針對反饋結果及時對項目功能和問題進行持續改進和優化，保證虛擬仿真實驗教學項目的可持續運行［21］。

4 結語

將虛擬仿真技術與實驗教學相融合是高等教育信息化必然趨勢，不管是從經濟效益、安全角度，還是從人才培養、資源配置的角度，虛擬仿真實驗教學的應用發展都為高等院校實驗教學改革帶來了極大便利。本文以國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺——“實驗空間”開放的2017-2021 年虛擬仿真實驗教學項目為研究對象，分析當前虛擬仿真實驗教學項目建設現狀和應用情況，并針對當前虛擬仿真實驗教學項目在實際應用中存在的問題提出優化策略，以期為虛擬仿真實驗教學項目的未來應用發展提供實踐啟示。各大院校應積極響應教育部關于推進國家級虛擬仿真實驗教學中心建設的工作要求，努力探索全新的實驗教學模式，推動高等教育事業的不斷創新和發展。