基于虛擬仿真實驗室的創(chuàng)新性實驗教學改革探索

張任平

摘要：針對工科專業(yè)實驗的一些特點，通過建立虛擬仿真實驗室開展創(chuàng)新型實驗教學。分析了虛擬仿真實驗教學的優(yōu)越性和局限性，指出了虛擬仿真實驗室在實驗教學中的作用。闡明了虛擬仿真實驗教學與創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的相互關系。

關鍵詞：實驗教學；虛擬；仿真；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）11-0273-02

引言：隨著云計算、大數(shù)據(jù)、移動辦公、虛擬現(xiàn)實、體感設備以及3D打印等信息技術的逐步發(fā)展，微軟發(fā)布的新虛擬現(xiàn)實技術Holograms、索尼Project Morpheus游戲仿真平臺、寓教于樂的碎片化知識教學資源等新技術也相繼出現(xiàn)，平板電腦、智能手機、智能家居和智能穿戴設備（典型產品Google眼鏡和Apple Watch）等新產品得到廣泛應用。這些新媒體、新技術和新產品的出現(xiàn)使得信息的獲得更加便捷，使得人們對傳統(tǒng)教學理念和方式有了新的理解，更加強調學生需具有自我導向學習的能力[1-3]。

虛擬實驗教學系統(tǒng)通過綜合應用虛擬現(xiàn)實、大數(shù)據(jù)、網絡技術以及計算機編程等技術，構建與真實實驗場景等同的操作環(huán)境和測試對象，使得學生在高度自主性和交互性的虛擬環(huán)境中開展充滿開放性、經濟性和高效性的實驗，進而可以達到實物實驗無法實現(xiàn)的效果。尤其是在極端的環(huán)境下或毒性較高的有害環(huán)境下進行實驗操作以及耗時耗力的大型或綜合性的復雜實驗場景，虛擬仿真實驗優(yōu)勢更為明顯。相比傳統(tǒng)的實驗教學，虛擬仿真實驗技術在實驗教學的方式、方法、效果、手段和模式等方面均有顛覆性的改變?！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》[4]中提到，“信息技術對教育發(fā)展具有革命性影響，必須予以高度重視”，專門強調了“加快教育信息化進程”這一部分內容。虛擬仿真實驗技術是高等教育信息化的重要實現(xiàn)載體之一，充分體現(xiàn)了實驗教學過程的改革與創(chuàng)新。

虛擬仿真實驗通過在計算機系統(tǒng)中進行實驗，仿真真實的實驗環(huán)境，做實驗的人可以體驗到實物實驗的感覺，在計算機環(huán)境中完成預定的各種實驗項目，虛擬仿真的實驗效果等同于真實實驗甚至超過真實實物實驗的效果[5-6]。

一、虛擬仿真實驗教學的特點

虛擬仿真實驗平臺具有良好的可擴充性。各個學科新的知識層出不窮，大部分課程內容需要跟上科技發(fā)展的步伐，而傳統(tǒng)的實驗教學需要在實物試驗臺上進行，碰到新的實驗教學內容需要重新搭建試驗臺，更換實驗設備，實驗成本往往都比較高。

虛擬仿真實驗平臺可實現(xiàn)在線指導。實驗是一個探索和追求新鮮知識的過程，在此過程中有時會碰到自己不會操作或者無法解決的問題，甚至是一個簡單的誤操作而導致整個實驗無法進行下去的窘境。這需要借助于虛擬實驗仿真平臺的在線指導功能，可以在線尋求老師和同學的幫助，指導老師也可以通過線上直播課程講解實驗的流程和注意事項。

虛擬仿真實驗平臺是一個運行和維護成本均較低的平臺。實驗室建設投資是學校教學投資的重要組成部分，為了兼顧實驗室的成本和學生的實驗機會，虛擬仿真實驗平臺通過虛擬出實際實驗過程相同的實驗環(huán)境，使得實驗效果和現(xiàn)實中設備實驗效果一樣，在這樣的平臺上實驗時操作錯誤只會有適當?shù)奶崾?，而不會損壞設備造成增加實驗成本。

當然，虛擬仿真實驗教學也存在一些不足的地方，比如：虛擬仿真實驗畢竟不是在實際的實物實驗平臺進行操作，所以會降低學生對實物的感性認識，對于實驗過程涉及的元器件性能及參數(shù)的了解也不如實物實驗來得那么深入，在培養(yǎng)學生的實際動手能力和實驗誤差分析能力方面也是一個弱項。

二、虛擬仿真實驗室在實驗教學中的作用

打造良好的虛擬實驗平臺，有助提高實驗教學水平。傳統(tǒng)的教學過程中，理論課程教學與課程涉及實驗的教學是分開進行的，上理論課的時候沒有實驗演示。借助虛擬實驗平臺，就可以一邊進行課程的講授一邊進行實驗。教師在上課的過程中，碰到可以通過實驗驗證的理論，借助虛擬仿真實驗技術，通過實驗輔助理論的教學，使得學生更容易理解所學的知識。

通過建立虛擬實驗室，既是完成教學信息化的一個重要環(huán)節(jié)，又能使得實驗教學有一個本質的提升，跟上國際化的發(fā)展步伐，使得學科的優(yōu)勢能得到充分發(fā)揮。虛擬仿真實驗可以提供開放式實驗環(huán)境，真真正正實現(xiàn)實驗室向學生長時期開放。學生可以不用受到時間和空間的約束，隨時隨地進行實驗，這樣能較好地培養(yǎng)學生自主創(chuàng)新能力，對學生的學習興趣能起到正面的激發(fā)作用。

面對復雜的實驗系統(tǒng)，虛擬實驗室方便搭建規(guī)模宏大的實驗平臺。有的課程的實驗會比較復雜，搭建整個實驗平臺需要耗費較長的時間。而在傳統(tǒng)給學生開設的實驗課程中，由于學生人數(shù)一般比較多，給每個學生安排的實驗時間都比較有限，在這有限的時間內要完成大型實驗臺的搭建是一件不可能完成的事情，這帶來的后果是大型實驗往往開展起來非常困難。如復雜電路的設計實驗，一般學生進行這樣的實驗需要花費2～3天的時間。學校一般無法給予學生這么長的時間完成一個實驗，迫使取消這樣的實驗或者改為簡單的對結果進行驗證的實驗。針對這樣一個問題，虛擬實驗平臺能給出完美的解決方案，為學生進行大型實驗提供條件，只要學生實時保存搭建實驗過程的實驗流程，該實驗流程可在其他地方打開繼續(xù)進行實驗。

三、虛擬仿真實驗教學與創(chuàng)新人才培養(yǎng)

給予學生無限的實驗環(huán)境，拓寬學生的知識視野?？茖W技術的進步帶來各個學科的飛速發(fā)展，新技術產品、設備和器件飛速迭代，傳統(tǒng)的實驗室很難跟上科學技術發(fā)展的節(jié)奏，不可能為所有新鮮的東西提供實驗，而虛擬仿真實驗在一定程度上可以彌補此缺陷。隨著仿真技術和軟件的連續(xù)更新發(fā)展，仿真系統(tǒng)可以加入一些新的設備和元件。因此虛擬仿真實驗可以方便對實驗系統(tǒng)進行更新迭代，快速適應高新技術的發(fā)展，使得學生能隨時追蹤新技術和新設備，對學生的知識視野開闊起到了非常積極的作用，同時還節(jié)省了實驗的經費。

創(chuàng)新實驗教學方法，培養(yǎng)優(yōu)秀創(chuàng)新人才。傳統(tǒng)實驗教學的實驗內容一般較為單一，且一般都為驗證性實驗，學生不需要考慮實驗臺的搭建，只要按照實驗的操作步驟完成實驗，缺乏對學生創(chuàng)造力的培養(yǎng)。通過建立虛擬實驗平臺，可以增加學生自行設計實驗的內容，使得學生能夠依據(jù)實驗目的，設計實驗實施方案，分析實驗結果。由此可見，通過建立虛擬仿真實驗室，不僅可以鍛煉學生的獨立工作能力和創(chuàng)造性思維，而且有利于激發(fā)學生的學習興趣，對于培養(yǎng)創(chuàng)新和實踐能力出眾的人才非常有幫助。

通過虛擬仿真實驗平臺自行設計實驗項目，進行科學研究的實驗探索。實驗在教學活動中的作用不容忽視，理論教學和實驗環(huán)節(jié)相輔相成，實驗可以對理論進行驗證和擴展應用，使得學生對抽象的理論有深入的理解，同時有利于培養(yǎng)學生嚴謹求實和創(chuàng)新的學習態(tài)度。但是，有的傳統(tǒng)實驗時間和資金成本均較高，而且有時還有破壞性、毒性和不可再現(xiàn)性等缺點。虛擬仿真實驗平臺可以解決這方面的問題。因此，應該鼓勵學生通過虛擬實驗平臺進行實驗研究，引導學生通過發(fā)散性思維進行科學問題的探索。

四、結語

專業(yè)課的理論教學存在一些共性的問題，有些理論非常抽象，現(xiàn)實世界很難找到一些實例來進行演示。專業(yè)課中有一類理論體系非?？b密，知識點錯綜復雜，學生一般缺乏對知識體系整體架構能力，會產生一種“亂花漸欲迷人眼”的感覺。還有一類課程的理論教學的實驗演示系統(tǒng)成本非常高，操作起來較為困難，不具備讓學生進行實驗的條件。為解決理論教學過程中的這些問題，需要對實驗教學的內容進行拓展，實現(xiàn)理論教學和實驗教學的無縫銜接，并且盡可能在課堂上同步進行。采用虛擬仿真實驗教學平臺，呈現(xiàn)具有操作性好、真實感強和直觀精確的實驗場景，對高校進行創(chuàng)新性實驗教學起到至關重要的作用。

參考文獻：

[1]陳小紅.虛擬實驗室的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2010，（17）：107-109.

[2]彭小建.高等教育新常態(tài)下虛擬仿真實驗教學中心建設探索[J].實驗技術與管理，2016，（10）：237-240.

[3]杜玉寶，孫淑強，亓文濤.虛擬仿真實驗教學信息化平臺的建設與思考[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2016，（17）：26-28.

[4]國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要工作小組辦公室.國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）[Z].2010，7.

[5]李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013，（11）：5-8.

[6]王衛(wèi)國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J].實驗室研究與探索，2013，（12）：5-8.

Research on Innovation Experiment Teaching Reform Based on Virtual Simulation Laboratory

ZHANG Ren-ping

（School of Materials Science and Engineering，Jingdezhen Ceramic Institute，Jingdezhen，Jiangxi 333403，China）

Abstract：In view of some characteristics of experiment and engineering，through the establishment of a virtual laboratory to carry out innovative experimental teaching. The article analyses the advantages and limitations of virtual simulation experiment teaching，points out the role of virtual simulation laboratory in experimental teaching. The virtual simulation of the relationship between teaching and the cultivation of innovative talents.

Key words：experimental teaching；virtual；simulation；teaching reform