地質工程虛擬仿真實驗室建設思考

＊杜 蕾

（西安石油大學地球科學與工程學院 陜西 710065）

自改革開放以來，我國經濟的快速崛起有力地支撐了高等工程教育的發展，為社會主義建設培育了大批優秀的科研、工程技術人員，使我國在各領域特別是重大工程建設方面取得了矚目的成就。近年來，在走新型工業化發展道路、建設創新型國家和經濟全球化的時代背景下，社會對工程技術類人才在技術創新、工程實踐及多學科交叉綜合能力等方面提出了更高要求[1]，為滿足國家和社會的人才需求，高校人才培養的模式也由知識技術型逐漸轉變為應用創新型，因此如何利用好實踐教學環節來培養創新實踐能力強、適應經濟發展需要的高素質工程技術人員已成為當前高等工程教育探討的重要問題之一。目前地質工程專業傳統實驗室建設已經初步取得成效，可以滿足專業基礎實驗教學的需求，但針對高成本、高難度以及綜合性創新實驗的開展，傳統實驗室顯得有些“力不從心”，通過建設虛擬仿真實驗室，可以打破傳統實驗室的時間空間局限性，填補傳統實驗室在工程地質大型實驗、現場實驗和地質過程演化等方面的空白，對地質工程專業的實踐教學具有重要現實意義。

1.虛擬仿真實驗室建設的必要性

學者J.Laniar最早提出了虛擬仿真的概念，虛擬仿真技術是指通過計算機仿真系統來創建一個模擬環境并使用戶沉浸其中，同時利用各類輸出設備將計算機技術產生的電子信號轉化為用戶可真實感受到的現象[2]。換言之，虛擬仿真技術就是利用計算機合成一個人工虛擬的現實世界[3]。目前虛擬仿真技術已在影視、娛樂、軍事、設計等行業得到了廣泛應用。而虛擬仿真實驗室是以計算機、VR等硬件設備為平臺，利用大數據、三維建模、人工智能、云計算、人機交互以及多媒體等多種現代技術，仿真模擬各種實驗儀器設備，設計實驗過程，使學生在虛擬場景中開展實驗，從而達到實驗教學目的[4]。

對于地質工程專業而言，創新實踐能力是人才培養質量評價的重要指標，創新實踐能力的培養取決于實踐教學效果，而實踐教學效果的保證必然離不開實驗室的系統建設。近年來，隨著高校工程教育改革的持續推進和實驗室建設投入力度的不斷加大，傳統的實體實驗室在硬件設施方面已經基本配備齊全且目前運行狀況良好。但針對地質工程專業而言，目前的傳統實驗室在開展實踐教學活動的部分環節中仍然表現出“能力不足”。

首先，傳統的實踐教學活動的教學模式主要為老師講授+學生練習，這種教學模式因受到實驗場所、儀器設備、時間和師資等的限制，無法向學生提供隨時學習的機會，學生在實驗課堂上只能完成實驗教學大綱要求的“規定動作”，無法進一步滿足學生完成開放性和創新性實驗的需求。其次，受地質工程專業特點的限制，某些大型實驗或現場實驗在實際教學中開展困難。例如，三軸實驗等專業課程試驗時間周期長，僅利用有限的課堂時間難以完成；部分大型現場實驗成本較高，部分極端高位環境難以模擬，同時具有一定危險性，因此僅依賴傳統實驗室很難實現讓學生在學習過程中進行實操練習；而地質災害的形成等地質現象的演變過程更是具有不可模擬性和不可重現性，在實際教學中無法直觀向學生展示。針對此類開展困難的專業實驗，傳統教學中授課教師多利用圖片、視頻等資料，通過講解或演示的形式進行，學生因為無法親身參與實驗過程，對相關知識的理解不夠深入，實際操作能力無法得到鍛煉，因此大大影響了實驗教學的效果[5]。

針對當前實踐教學中存在的困難與問題，將虛擬仿真技術與地質工程專業實驗相結合，建設虛擬仿真實驗室作為傳統實驗室的補充和延伸，不僅打破了傳統實驗室的時間空間使用限制，解決了地質工程專業教育中面臨的周期長、高難度、高成本、高風險實踐教學問題[6]。利用虛擬仿真實驗平臺可以使學生親自操作大型現場實驗，更加深入了解實驗的具體操作細節和實驗原理，進行地質演化過程的模擬，可以更直觀的理解地質現象的形成過程，同時利用虛擬仿真平臺學生不僅可以進行實驗的重復練習，加深對實驗的理解，也可以自主設計開展創新性實驗和綜合性的工程訓練項目，對推動地質工程創新性、開放性實驗平臺建設，培養學生創新實踐能力具有重要意義。

2.虛擬仿真實驗室建設現狀

近年來，依托國家和教育部門的規劃政策，虛擬仿真技術在教育領域應用越來越廣泛，高校虛擬仿真實驗室的建設規模、種類及發展速度都有了顯著提升。目前全國已有百余所高校正投身或已完成虛擬仿真實驗教學中心的建設，具體涉及醫藥學、化學化工、機械工程、地球科學、材料學和土木建筑等多個專業領域[7]。其中地學類專業目前已建成了中國地質大學（北京）的能源地質與評價虛擬仿真實驗教學中心及成都理工大學的地質與巖土工程虛擬仿真實驗教學中心等多個虛擬仿真實驗室。目前地學類虛擬仿真實驗室建設雖初見成效，但由于地學類人才培養中綜合了科學、技術和工程，具有一定的復雜性，因此較其他專業而言，發展建設水平相對滯后[1]。

根據高校虛擬仿真實驗室建設及使用情況反饋，我們可以發現將虛擬仿真實驗系統與傳統實驗教學相結合，兩者互相補充，極大豐富了實驗教學形式，建立起了互動式教學模式，把教與學有機結合起來。根據各類實驗的實驗成本、操作難度、實驗風險、實驗周期和實驗教學安排等具體情況選取合適的實驗形式，基礎性實驗以實操實驗為主，高難度和高成本實驗以虛擬仿真實驗為主，綜合提升實驗教學效果和效率，豐富實驗教學內容[8]。利用虛擬仿真實驗平臺開展實驗成本高的實驗可以控制實驗教學成本，而進行高難度、高風險實驗則補充了傳統實驗的教學空白，加深學生對專業知識的理解。同時利用虛擬仿真實驗平臺更易推進實驗室開放平臺、創新平臺的建設，可以為學生提供多次練習的機會，提高知識掌握熟練度，拓寬了實驗室使用的時間、空間限制范圍，從而對于工科類學生實踐能力培養具有重要作用[9]。

3.虛擬仿真實驗室建設存在問題

目前虛擬仿真實驗室建設雖已取得顯著成績，但不能否認的是國內各高校虛擬仿真實驗教學工作多數仍處于初步探索階段，存在諸多不完善的地方。

（1）對老師和學生要求過高。一方面，為了實現虛擬仿真技術與實驗教學項目的更好融合，虛擬仿真實驗教學軟件的開發要求授課教師參與到軟件開發過程中，這對教師多學科交叉和知識綜合應用能力提出了較高要求，而目前多數教師專注于專業知識，缺乏多學科交叉的綜合能力，同時部分教師由于對虛擬仿真技術缺乏深入的了解，導致不愿投入過多時間和精力來開發和學習虛擬仿真實驗教學軟件，在教學過程中使虛擬仿真實驗教學流為形式，無法發揮虛擬仿真技術的優勢。

另一方面，學生對于虛擬仿真技術和虛擬仿真實驗操作等了解甚少，目前各高校未針對虛擬仿真技術面向學生開設系統的學習課程，導致學生在實驗課上不僅要掌握專業實驗的操作方法，同時還要學習虛擬仿真軟硬件的使用方法，在有限的課堂時間中難以實現，而虛擬仿真實驗室由于數量有限、管理嚴格、維護困難等原因，目前無法實現對全體學生的完全開放使用，導致學生課下練習時間有限，無法保證虛擬仿真實驗教學的實際效果。而開展工程設計訓練對學生綜合能力和創造性具有更高要求，多數學生更是難以達到。

（2）實驗教學中存在問題。部分已建設虛擬仿真實驗室，為提高虛擬仿真平臺的利用效率，降低傳統實驗室耗材成本，將本來可以進行實操的實驗在教學中也使用虛擬仿真實驗代替，導致虛擬仿真實驗比重過高，實操環節缺失，主次顛倒，虛擬仿真實驗沒有起到應有的輔助教學效果?，F有的虛擬仿真實驗系統多僅限于相互獨立的實驗模塊[10]，只能滿足實驗教學的基礎學習任務，而在實際工作中面臨的工程地質問題往往是一個復雜綜合的系統過程，對工程技術人員的多學科交叉和綜合實踐能力有較高要求。

4.地質工程虛擬仿真實驗室建設思參

針對當前高校虛擬仿真實驗室存在的問題，結合地質工程專業的特點，今后地質工程虛擬仿真實驗室建設應著重從以下幾個方面加以考慮。

首先，在實驗教學中我們應該始終明確實操實驗才是實驗教學的主體和核心，虛擬仿真實驗建設的目的只是作為傳統實驗的補充和延伸，不能一味使用虛擬仿真實驗代替實操實驗環節，主次顛倒，導致實踐環節缺失，協調好實操實驗和虛擬仿真實驗的關系，兩者各自發揮優勢，相互配合，全面提升實驗教學效果。

認識到虛擬仿真技術在高等工程教育中扮演著重要角色，虛擬仿真實驗室建設項目不應該只存在于實驗教學改革創新案例中，而是要真正落于實處，將虛擬仿真實驗室建設研究成果運用到實際教學工作中。因此針對當前傳統實驗室建設基本完善的背景下，在進行下步實驗室建設總體建設規劃時，應該把虛擬仿真實驗室放在重點發展的位置。

其次，將專業教師納入建設團隊，加深教師對虛擬仿真技術優勢的了解，更好地把技術和教學結合起來，加大對學生的宣傳工作，使學生充分了解虛擬仿真技術的優勢與特點，提高學生學習興趣。培養本校教師作為后期維護人員，降低后期維護成本，推進虛擬仿真實驗室開放平臺建設，保證實驗室長期有效服務于實驗教學工作。同時適當加大虛擬仿真實驗室建設的資金投入，利用充足的資金保障虛擬仿真實驗室的硬件配備和軟件開發，更好發揮虛擬仿真實驗系統功能，保證實驗系統的教學使用效果。另外可尋求與同類型或同專業其他大學進行合作開發，共享建設成果，節約成本，避免重復開發造成的資源浪費[11]。

最后，在具體工作中，結合本校、本專業人才培養目標，進行虛擬仿真實驗室建設工作，因勢利導，突出建設重點，避免照搬照抄。在軟件設計中加入豐富的教學內容，利用文字、圖片、視頻等多種多媒體形式，綜合機器人技術、大數據計算、三維建模等多種智能化技術，實現遠程交互、多人協作，實現沉浸式體驗效果。在完成專業課程獨立實驗模塊建設的基礎上，還需深度挖掘學科內和相關學科間各類實驗之間的內在聯系，逐步建起貫穿本科四年實踐教學全過程的綜合性虛擬仿真教學系統，在保證日常教學的基礎上，同時滿足學生開展綜合性創新實驗和復雜工程實踐項目的需求，從而更好的服務于學生創新實踐能力培養。

5.結語

虛擬仿真實驗室的創建能有效地解決地質工程專業實驗教學過程中存在的開展難度大、試驗成本高、試驗周期長等問題。借助虛擬仿真實驗室與傳統實驗室平臺的相互配合，通過線上配合線下，虛擬結合現實的方式，實現虛擬仿真實驗教學與傳統實驗教學兩者相互補充、相互配合，更好完成實踐教學活動，更好落實教學環節的學生實踐能力培養，從而培養面向新時代發展需求，綜合能力強的工程技術專業人員。