基于虛擬仿真技術(shù)的實驗教學(xué)中心建設(shè)研究

杜彥敏

摘要：虛擬仿真技術(shù)可以有效地模擬現(xiàn)實世界，對于培養(yǎng)學(xué)生在專業(yè)課實驗中的創(chuàng)新能力有很大的幫助，也可以顯著提升實驗的教學(xué)效果。與傳統(tǒng)的實驗室相比較，虛擬仿真實驗室擁有實驗條件優(yōu)越、實驗成本低和實驗安全性高等特點，因此虛擬仿真實驗室在高校中的建設(shè)已經(jīng)勢在必行。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)；虛擬仿真實驗室建設(shè)；實驗教學(xué)中心

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）15-0273-02

虛擬仿真技術(shù)也可以稱為虛擬的現(xiàn)實技術(shù)或者是現(xiàn)實模擬技術(shù)，簡單來說就是通過虛擬的系統(tǒng)環(huán)境來模仿一個現(xiàn)實存在的系統(tǒng)技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)最典型的特征就是構(gòu)造一個系統(tǒng)完整統(tǒng)一的虛擬環(huán)境，并利用虛擬的環(huán)境集成和控制為數(shù)眾多的實體。由于虛擬仿真技術(shù)具有集成化、虛擬化和網(wǎng)絡(luò)化等特點，因此這種技術(shù)在很大程度上滿足了當(dāng)前仿真技術(shù)的未來發(fā)展要求。

一、虛擬仿真實驗教學(xué)概述

虛擬仿真實驗成為在理論研究和實驗研究之后的有一種新型的教學(xué)研究方法，它是以電子計算機為依托，通過相關(guān)的軟件技術(shù)，構(gòu)建出一個完整的邏輯結(jié)構(gòu)模型，通過軟硬件相互結(jié)合的方法，再加上模塊化和層次化的設(shè)計思路，調(diào)整相關(guān)的硬件設(shè)備，構(gòu)成虛擬的教學(xué)實驗系統(tǒng)，并通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)虛擬教學(xué)實驗系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，最終實現(xiàn)個人電腦上運行、自主研發(fā)和設(shè)計以及遠程連接控制的教學(xué)實驗方法。

二、虛擬仿真實驗在教學(xué)中的意義

虛擬實驗教學(xué)中心，是以計算機仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，使學(xué)生通過人機交互的方式在模擬的實驗設(shè)備、場景和軟件中模擬現(xiàn)實情況來進行實驗，將虛擬仿真技術(shù)、計算機科學(xué)技術(shù)以及各個專業(yè)的理論專業(yè)知識進行多維度的結(jié)合[1]。在虛擬仿真實驗室里，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中模擬真實實驗操作的整個過程，而且整個過程幾乎與現(xiàn)實世界中的實驗室一模一樣，唯一的區(qū)別就是把之前用手的操作轉(zhuǎn)換成了鼠標(biāo)和鍵盤操作方式。這種實驗教學(xué)培養(yǎng)過程不但增加了實驗的教學(xué)方法，同時又加強了學(xué)生在實驗中的創(chuàng)新性能力的培養(yǎng)和對相關(guān)技能的掌握。

1.虛擬仿真實驗的高度還原性。在開展實驗教學(xué)前，實驗教師應(yīng)當(dāng)先向上課學(xué)生講解上課所用虛擬軟件的運行方式和具體的實驗操作步驟。在通常情況下，實驗課程主要通過相關(guān)文字、圖表、視頻和實體等方式來幫助學(xué)生了解教學(xué)過程，而這些均可以在虛擬仿真實驗室中充分展現(xiàn)，在虛擬的實驗環(huán)境中學(xué)生可以從多個方面來了解一個完整的實驗流程，進而能夠迅速簡潔地完成實驗步驟，學(xué)生在一邊聽老師講解的同時，也可以同時進行實驗操作。老師講得輕松，學(xué)生學(xué)得有興趣，從而達到事半功倍的效果。

2.高安全性和高創(chuàng)新性。在傳統(tǒng)的真實實驗中，尤其是一些不可逆的實驗中，實驗的安全性是實驗課的一個重要環(huán)節(jié)，學(xué)生必須依照實驗步驟進行操作，不可以違反規(guī)定，否則極有可能會產(chǎn)生很嚴(yán)重的后果。而虛擬仿真實驗可以很好地解決這個問題，無論在虛擬環(huán)境中如何操作都不會出現(xiàn)安全性問題。在保障學(xué)生安全的情況下可以更好地發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，學(xué)生可以多次任意嘗試實驗操作，加強自己對實驗課程的理解，進而提升學(xué)生的創(chuàng)新性，激發(fā)學(xué)生的潛能，為國家培養(yǎng)出更多的創(chuàng)新性人才。

3.緩解實驗教學(xué)環(huán)境的不足?，F(xiàn)實中的實驗室常常因為實驗器材缺乏或者實驗場地不足等各方面的因素導(dǎo)致學(xué)生只能分組輪流進行實驗，進而導(dǎo)致實驗教學(xué)緩慢，教學(xué)效果差。而虛擬仿真實驗完全解決了這些問題，在虛擬環(huán)境下，每一位學(xué)生可以在老師的指導(dǎo)下自主嘗試各種實驗，如同在真實環(huán)境中一樣，加強對學(xué)科知識的掌握。在教學(xué)實驗中充分利用虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)點，極大程度上完美模擬大型實驗設(shè)施和實驗場地的同時，學(xué)生也利用人機交互的方法在虛擬環(huán)境中進行實驗，通過利用虛擬的實驗器材、實驗場地以及配套的實驗軟件達到一種同現(xiàn)實場景中一樣的實驗?zāi)康呐c實驗操作，從而解決了在客觀世界無法進行實驗的教學(xué)缺陷，實現(xiàn)了教學(xué)互動、充分利用教學(xué)資源以及網(wǎng)絡(luò)教育一體化的教學(xué)目的[2]。

4.多學(xué)科交叉，覆蓋面廣。虛擬仿真實驗教學(xué)統(tǒng)一布局、多學(xué)科交叉、分層次、有重點，可以滿足對學(xué)生基礎(chǔ)理論的認(rèn)知、專業(yè)技術(shù)的掌握和實際設(shè)計與綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)的要求。在基礎(chǔ)的理論上課當(dāng)中，通過虛擬仿真教學(xué)技術(shù)，有效地提高了實驗授課的便捷性和創(chuàng)新性；在專業(yè)學(xué)科和教學(xué)實踐中，通過虛擬仿真教學(xué)技術(shù)和配套的專業(yè)軟件，也顯示出虛擬仿真的高效性；在綜合創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面，通過虛擬仿真教學(xué)技術(shù)舉辦的各種創(chuàng)新性比賽，也給學(xué)生提供了一個提升自我研究能力和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的競技平臺。在給高校大學(xué)生提供學(xué)習(xí)資源的同時，這些教學(xué)資源也可以給研究生進行科研提供很大的幫助，極大地調(diào)動他們的主觀能動性，培養(yǎng)其具體問題具體分析的能力以及思考問題的思維模式。最后，利用虛擬仿真實驗教學(xué)技術(shù)還可以進行聯(lián)合辦學(xué)和整合高校資源，主要用于學(xué)生的培訓(xùn)、校企合作、培養(yǎng)就業(yè)目標(biāo)，逐步提高教學(xué)效果和科研效果[3]。

三、管理類虛擬仿真實驗教學(xué)的建設(shè)

根據(jù)現(xiàn)實的教學(xué)計劃，在建立虛擬仿真實驗教學(xué)中心時應(yīng)進行科學(xué)的設(shè)計與規(guī)劃，進一步提高實驗教學(xué)的有效性。

1.建設(shè)良好的高校網(wǎng)絡(luò)。一個好的校園網(wǎng)絡(luò)是虛擬仿真實驗室能不能正常運行的關(guān)鍵所在，利用校園網(wǎng)絡(luò)將虛擬實驗室的各個設(shè)備相互連接起來，才能實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的采集、分析和遠程控制操作等，因此，虛擬實驗室的建設(shè)要以良好的校園網(wǎng)絡(luò)為依托。就現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，有線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無法滿足需求，無線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋已經(jīng)成為現(xiàn)代高校建設(shè)的新趨勢，同時在有條件的情況下還可以建立VPN以實現(xiàn)校外的教師和學(xué)生能夠訪問校內(nèi)。只有在良好的校園網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的前提下，實驗所用的教學(xué)資源才能充分利用，從而使得教師、學(xué)生和其他科研人員能在隨時隨地進行實驗教學(xué)和學(xué)術(shù)研究工作，充分發(fā)揮實驗室設(shè)備的效用。

2.改變實驗教學(xué)模式，實現(xiàn)虛實結(jié)合。虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)應(yīng)虛實結(jié)合、相輔相成，形成互補形式。普通的實驗室由于受到實驗條件限制，所以在實驗教學(xué)內(nèi)容上顯得極為單一，學(xué)生不需要思考問題，只需按照實驗步驟一步一步地來就好，逐漸失去了自我思考問題的能力和創(chuàng)新性。然而在虛擬的實驗環(huán)境中則大不相同，教師可以靈活設(shè)計實驗教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生也可以在實驗要求下，自己思考實驗需求，設(shè)計實驗方案，然后再進行分析對比。在整個過程中學(xué)生都處于不斷思考的過程中，不僅掌握了學(xué)科知識還極大程度地調(diào)動了學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)新性。在以真實實驗為基礎(chǔ)的前提下，利用虛擬仿真實驗教學(xué)平臺可以共享網(wǎng)絡(luò)資源和遠程控制虛擬實驗，提高虛擬仿真教學(xué)資源利用率。

3.加強教學(xué)資源整合。充分利用實驗室的教學(xué)資源，是實驗室建設(shè)和實驗教學(xué)的重中之重，也是創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的前提條件。實驗設(shè)備和技術(shù)必須根據(jù)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)方案不斷升級，主系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫以及教學(xué)軟件要有良好的可擴展性，并在此基礎(chǔ)上進行實驗資源合并、重新部署實驗室的結(jié)構(gòu)布局和實驗教學(xué)流程，最大程度上優(yōu)化實驗室教學(xué)資源。學(xué)生能夠在虛擬的實驗環(huán)境中進行學(xué)科實驗，獲得所要的實驗成果。該實驗教學(xué)平臺不僅可以在上課時進行教學(xué)，同時當(dāng)學(xué)生下課后，也能夠利用個人電腦、平板手機等智能設(shè)備在良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下通過登陸平臺賬號，在課下進行實驗練習(xí)，熟練掌握實驗流程和學(xué)科知識。

4.建設(shè)完善師資團隊。合理的教學(xué)團隊年齡層次可以使得實驗教學(xué)團隊長久不衰，并使實驗室始終充滿活力和創(chuàng)新能力，高端的實驗教學(xué)團隊?wèi)?yīng)該各自發(fā)揮其長處，結(jié)合高端科學(xué)技術(shù)，以虛擬仿真實驗教學(xué)平臺為基礎(chǔ)，開展出越來越多的精品實驗課程。想要使得學(xué)生具有較高的實踐性和創(chuàng)新性，一個高水平的實驗教學(xué)團隊是必須的，可以有計劃地對實驗教學(xué)團隊進行培訓(xùn)，并使其定期到各個高校進行交流訪問學(xué)習(xí)。除此之外，我們應(yīng)該鼓勵一部分教師的優(yōu)秀科研成果能夠轉(zhuǎn)變?yōu)榫返膶嶒炚n程，特別是創(chuàng)新性的實驗課程。

以虛擬仿真實驗教學(xué)中心為基礎(chǔ)的虛擬仿真實驗教學(xué)，它不僅是評判一個高校教學(xué)信息化和實驗教學(xué)示范中心的重要依據(jù)，同時也是專業(yè)知識和高端科技相互結(jié)合的成果。通過建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)中心可以有效地提高教學(xué)資源利用率，提高學(xué)生的求知欲和創(chuàng)新能力。當(dāng)然在建設(shè)過程當(dāng)中，我們也要逐步分析其中存在的問題，逐步完善建設(shè)思路和管理需求。

參考文獻：

[1]田杰，張民.探究網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的構(gòu)建[J].實驗室研究與探索，2012，31（4）：262-264.

[2]周燕.虛擬仿真技術(shù)在大學(xué)物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].合肥工業(yè)大學(xué)報，2008，22（5）：106-109

[3]黃劍玲，鄒輝.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實驗教學(xué)系統(tǒng)及其特點[J].中國電化教育，2009，（4）：108-111.