虛擬仿真技術(shù)在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

張鳳翠

（吉林警察學(xué)院 吉林 長(zhǎng)春 130012）

1 基于虛擬仿真技術(shù)的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)概述

1.1 基于虛擬仿真技術(shù)的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)分類

虛擬仿真技術(shù)作為一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)技術(shù)，可用于構(gòu)建高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)[1]。基于虛擬仿真的教學(xué)系統(tǒng)可以分為以下二類：

①遠(yuǎn)程操控實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。借助于云計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)及信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)所有實(shí)驗(yàn)設(shè)備的虛擬化及網(wǎng)絡(luò)化，遠(yuǎn)程解決所有實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操控和接入問題，為學(xué)生提供信息化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，便于其自行開展實(shí)驗(yàn)操作，為此可借助Web技術(shù)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，學(xué)生可運(yùn)用瀏覽器或者相關(guān)客戶端軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程在線操控，在線查看實(shí)驗(yàn)操作結(jié)果。

②共享儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。此種教學(xué)系統(tǒng)需要相應(yīng)的硬件支撐，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成如下：USB—JTAG 調(diào)試服務(wù)器可完成協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)解碼等任務(wù)，F(xiàn)PGA計(jì)算平臺(tái)與計(jì)算機(jī)通過它實(shí)現(xiàn)互聯(lián)；虛擬實(shí)驗(yàn)面板可以輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為學(xué)生提供人機(jī)交互平臺(tái)，便于學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)電路操作；通過JTAG，實(shí)現(xiàn)FPGA 計(jì)算機(jī)平臺(tái)和USB—JTAG 調(diào)試服務(wù)器的通信；通過USB，實(shí)現(xiàn)USB—JTAG 調(diào)試服務(wù)器和虛擬實(shí)驗(yàn)面板的通信。

1.2 基于虛擬仿真技術(shù)的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的總體架構(gòu)

①數(shù)據(jù)層：這一層為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，包括但不限于虛擬實(shí)驗(yàn)元件庫(kù)、實(shí)驗(yàn)課程庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)答案庫(kù)、規(guī)則庫(kù)以及用戶信息等。它的主要任務(wù)是存儲(chǔ)和管理與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的各種數(shù)據(jù)，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行和功能的實(shí)現(xiàn)。

②支撐層：支撐層是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它提供了系統(tǒng)運(yùn)行所需的基礎(chǔ)服務(wù)。這一層包括安全管理、服務(wù)容器、數(shù)據(jù)管理、資源管理與監(jiān)控、域管理、域間信息服務(wù)等子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)維護(hù)和管理整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

③通用服務(wù)層：這一層提供了一些通用的服務(wù)組件，使用戶能在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中快速完成實(shí)驗(yàn)。通用服務(wù)包括實(shí)驗(yàn)教務(wù)管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、理論知識(shí)學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)資源管理、互動(dòng)交流、實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理、教學(xué)效果評(píng)估等，同時(shí)提供集成接口工具，以便集成第三方的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件。

④仿真層：這一層主要針對(duì)特定的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行建模和場(chǎng)景構(gòu)建，提供虛擬儀器和通用仿真器，并為上層提供格式化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。通過建模和仿真，可以更好地復(fù)現(xiàn)和控制實(shí)驗(yàn)過程，提升實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性和效果。

⑤應(yīng)用層：這一層是面向用戶的接口，通過底層的服務(wù)，可以設(shè)計(jì)和開展各種典型的虛擬實(shí)驗(yàn)。根據(jù)教學(xué)需求，教師可以利用通用服務(wù)層提供的工具和仿真層提供的設(shè)備模型，設(shè)計(jì)出符合實(shí)際需求的實(shí)驗(yàn)，以支持教學(xué)和學(xué)習(xí)的開展。

2 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)及重要性

2.1 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)

①互動(dòng)性：通過虛擬仿真系統(tǒng)，學(xué)生可以親自操作并觀察結(jié)果，極大地提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。實(shí)驗(yàn)過程中的互動(dòng)體驗(yàn)加深了學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解，并提高了學(xué)習(xí)的效率。

②可視性：虛擬仿真技術(shù)可以將難以觀察或理解的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行可視化處理，幫助學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

③反饋性：虛擬仿真技術(shù)能提供即時(shí)的反饋，學(xué)生能根據(jù)反饋調(diào)整實(shí)驗(yàn)步驟，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果的理解。

2.2 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性

①提升學(xué)生的實(shí)踐能力：虛擬仿真技術(shù)模擬了真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和過程，可以讓學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬操作，從而提高他們的實(shí)踐能力。這種技術(shù)特別適用于那些需要復(fù)雜設(shè)備和高成本投入的實(shí)驗(yàn)，可以在不消耗實(shí)際資源的情況下提供無限的實(shí)踐機(jī)會(huì)。

②深化理論理解：通過虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生可以直觀地看到理論知識(shí)在實(shí)際中的應(yīng)用，有助于加深對(duì)理論知識(shí)的理解。對(duì)于一些抽象的概念和復(fù)雜的過程，可以通過可視化展示，使其更加具象和直觀[2]。

③加強(qiáng)跨學(xué)科學(xué)習(xí)：虛擬仿真技術(shù)提供了一個(gè)集成多學(xué)科知識(shí)的平臺(tái)，可以模擬現(xiàn)實(shí)生活中的復(fù)雜問題，促使學(xué)生進(jìn)行跨學(xué)科的學(xué)習(xí)和思考。這對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力具有重要作用。

④實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)：虛擬仿真技術(shù)可以為每個(gè)學(xué)生提供獨(dú)特的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，因?yàn)閷W(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度和需求來選擇和調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[3]。這種個(gè)性化的學(xué)習(xí)方式有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)興趣。

3 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的困境

3.1 配套資源有待補(bǔ)充

①技術(shù)設(shè)施資源：虛擬仿真技術(shù)的實(shí)施需要相應(yīng)的硬件設(shè)備和軟件平臺(tái)，如高性能計(jì)算機(jī)、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備、高速網(wǎng)絡(luò)以及專業(yè)的仿真軟件（Simulation Software）等。但在現(xiàn)實(shí)中，由于資金限制，一些高校在這些設(shè)施的配置上存在不足[4]。

②教學(xué)內(nèi)容資源：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開展需要大量與之匹配的課程內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)案例。然而，目前的虛擬仿真教學(xué)資源的開發(fā)和建設(shè)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。這在一定程度上阻礙了虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的廣泛應(yīng)用。

③人力資源：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)和運(yùn)營(yíng)需要一支熟悉虛擬仿真技術(shù)、掌握教育教學(xué)方法的專業(yè)隊(duì)伍。教師不僅要有扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)，還要掌握使用和維護(hù)仿真系統(tǒng)的技能。然而，目前很多教師在這方面的能力還有待提高。

④學(xué)生培訓(xùn)資源：學(xué)生使用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，需要一定的操作技能和理解能力。因此，必須為學(xué)生提供相關(guān)的培訓(xùn)和支持。然而，目前許多學(xué)校在這方面的資源和體系尚不完善。

3.2 政策引導(dǎo)力度有待提升

①虛擬仿真技術(shù)的推廣和應(yīng)用需要得到有效的政策支持和引導(dǎo)：政策不僅在提供資金、設(shè)備等硬性資源方面起作用，也在促進(jìn)教育模式創(chuàng)新、激發(fā)教師與學(xué)生積極性等軟性方面發(fā)揮重要作用。然而，目前我國(guó)在虛擬仿真技術(shù)教學(xué)應(yīng)用方面的政策引導(dǎo)相比于其發(fā)展速度和潛力還顯得力度不足，無法滿足虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中全面、深入應(yīng)用的需要。

②現(xiàn)有的政策往往過于籠統(tǒng)和寬泛：政策缺乏對(duì)虛擬仿真技術(shù)特點(diǎn)的深入理解和準(zhǔn)確把握，難以為其提供有效和針對(duì)性的支持。同時(shí)，政策的制定和實(shí)施過程中往往缺乏與實(shí)踐的有效結(jié)合，導(dǎo)致政策的實(shí)際落實(shí)效果有待提升。

3.3 實(shí)驗(yàn)室管理制度有待完善

①實(shí)驗(yàn)室的管理架構(gòu)不夠健全：實(shí)驗(yàn)室的管理需要全方位、多層次的架構(gòu)，包括硬件設(shè)備的采購(gòu)與維護(hù)、軟件平臺(tái)的更新與升級(jí)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的策劃與實(shí)施、實(shí)驗(yàn)安全的保障等。然而，現(xiàn)行的管理架構(gòu)往往難以滿足這些復(fù)雜的需求。

②實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行機(jī)制尚未完全適應(yīng)虛擬仿真技術(shù)的特性：相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)更注重?cái)?shù)據(jù)的分析與利用、結(jié)果的反饋與改進(jìn)、環(huán)境的靈活性與可控性。這需要實(shí)驗(yàn)室有與之相適應(yīng)的運(yùn)行機(jī)制，如數(shù)據(jù)管理制度、反饋機(jī)制等，但這些方面在當(dāng)前并未得到充分的關(guān)注。

③實(shí)驗(yàn)室的評(píng)估制度需要進(jìn)一步完善：有效的評(píng)估制度不僅可以保證實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行的質(zhì)量和效率，同時(shí)也有助于發(fā)現(xiàn)問題、引導(dǎo)改進(jìn)。然而，當(dāng)前的評(píng)估制度往往過于重視硬性指標(biāo)，如設(shè)備數(shù)量、實(shí)驗(yàn)數(shù)量等，而忽視了對(duì)實(shí)驗(yàn)效果、教學(xué)質(zhì)量、學(xué)生滿意度等軟性指標(biāo)的評(píng)估。

4 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的策略

4.1 補(bǔ)充相應(yīng)的教學(xué)資源

①教學(xué)資源的開發(fā)與整合：建立專門的團(tuán)隊(duì)，負(fù)責(zé)開發(fā)和整合與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)的教學(xué)資源，包括虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、實(shí)驗(yàn)設(shè)備模型、實(shí)驗(yàn)操作步驟和參數(shù)設(shè)置等。資源開發(fā)團(tuán)隊(duì)要與學(xué)科教師密切合作，確保內(nèi)容與課程教學(xué)目標(biāo)和學(xué)科要求相契合。

②實(shí)驗(yàn)案例和模擬場(chǎng)景的豐富多樣化：開發(fā)各種學(xué)科領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)案例和模擬場(chǎng)景，涵蓋不同難度和復(fù)雜度的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。這有助于學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行多樣化的實(shí)驗(yàn)操作，培養(yǎng)其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和問題解決的能力。

③教師培訓(xùn)和指導(dǎo)：針對(duì)使用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教師，提供相應(yīng)的培訓(xùn)和指導(dǎo)。培訓(xùn)內(nèi)容包括幫助教師熟悉虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的操作和功能，掌握虛擬實(shí)驗(yàn)資源的有效利用方法，以及如何在虛擬環(huán)境中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)分析等。

④學(xué)生參與與反饋機(jī)制：建立學(xué)生參與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的機(jī)制，鼓勵(lì)他們積極參與實(shí)驗(yàn)操作和討論。同時(shí)，及時(shí)收集學(xué)生對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和資源的反饋意見，不斷改進(jìn)和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和用戶體驗(yàn)。

4.2 發(fā)揮政策引導(dǎo)作用

①政策制訂與支持：制訂相關(guān)政策文件，明確高校在虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用方面的支持和鼓勵(lì)。政策可以包括經(jīng)費(fèi)支持、技術(shù)設(shè)施建設(shè)、師資培訓(xùn)等方面的具體內(nèi)容，為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供必要的支持和保障。

②教育部門合作：與教育部門及相關(guān)機(jī)構(gòu)合作，共同推動(dòng)虛擬仿真技術(shù)在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。可以成立專門的工作組或委員會(huì)，定期召開會(huì)議，討論交流最新的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)政策的實(shí)施和推廣。

③資金投入與項(xiàng)目支持：通過設(shè)立專項(xiàng)資金或項(xiàng)目，鼓勵(lì)高校申請(qǐng)?zhí)摂M仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的支持。這些項(xiàng)目可以包括虛擬實(shí)驗(yàn)資源開發(fā)、虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境建設(shè)、師資培訓(xùn)和教學(xué)研究等方面，促進(jìn)虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的廣泛應(yīng)用。

④評(píng)估與認(rèn)證機(jī)制：建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的評(píng)估與認(rèn)證機(jī)制，確保教學(xué)質(zhì)量和效果的達(dá)標(biāo)。可以制訂評(píng)估指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，定期對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行評(píng)估和認(rèn)證，鼓勵(lì)和獎(jiǎng)勵(lì)教師在虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用方面的優(yōu)秀成果。

4.3 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室管理制度

①制訂實(shí)驗(yàn)室管理政策：建立明確的實(shí)驗(yàn)室管理政策，包括實(shí)驗(yàn)室使用規(guī)定、安全管理要求、設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)、資源共享等方面的內(nèi)容。政策應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)和虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用需求進(jìn)行制訂，確保實(shí)驗(yàn)室管理的規(guī)范性和有效性。

②設(shè)立實(shí)驗(yàn)室管理機(jī)構(gòu)：成立專門的實(shí)驗(yàn)室管理機(jī)構(gòu)或委員會(huì)，負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室的日常管理和運(yùn)行。該機(jī)構(gòu)可以包括教師、技術(shù)人員和學(xué)生代表，協(xié)調(diào)實(shí)驗(yàn)室資源的分配和使用，制訂實(shí)驗(yàn)室管理的具體措施和流程。

③設(shè)備采購(gòu)和更新：根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，科學(xué)規(guī)劃實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備采購(gòu)和更新計(jì)劃。考慮虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，需確保實(shí)驗(yàn)室配備適當(dāng)?shù)挠布O(shè)備和軟件系統(tǒng)，以支持虛擬實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。同時(shí)，定期評(píng)估實(shí)驗(yàn)設(shè)備的狀況，及時(shí)更新和維護(hù)設(shè)備，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利進(jìn)行。

④實(shí)驗(yàn)室資源共享與管理：建立實(shí)驗(yàn)室資源共享和管理機(jī)制，鼓勵(lì)教師和學(xué)生共享實(shí)驗(yàn)室資源和經(jīng)驗(yàn)。可以通過在線平臺(tái)或預(yù)約系統(tǒng)，方便師生預(yù)約實(shí)驗(yàn)室資源，并加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室使用情況的監(jiān)控和管理。

5 結(jié)語

通過補(bǔ)充教學(xué)資源、發(fā)揮政策引導(dǎo)作用和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室管理制度，可以提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果和質(zhì)量，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和實(shí)踐能力。然而，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用還需要持續(xù)的研究和實(shí)踐探索，以進(jìn)一步完善技術(shù)應(yīng)用和教學(xué)模式，滿足不斷變化的教學(xué)需求。希望本研究能夠?yàn)楦咝?shí)驗(yàn)教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用提供一定的理論參考和實(shí)踐借鑒，為推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新和發(fā)展做出貢獻(xiàn)。