建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化平臺(tái)的探索和思考

周廣迪

摘 要：國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的建設(shè)，極大的推動(dòng)了我國高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，促進(jìn)了高校優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的整合和共享。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)內(nèi)容既包括軟硬件基礎(chǔ)條件、教學(xué)資源、管理系統(tǒng)和共享平臺(tái)，也包括人才隊(duì)伍、保障制度和運(yùn)行機(jī)制等。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心已超越單一機(jī)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施的范疇，而構(gòu)成了一個(gè)協(xié)調(diào)運(yùn)行、資源共享、提高效益、持續(xù)發(fā)展的能力體系。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心；信息化；共享；持續(xù)發(fā)展

一、教育部對教育信息化建設(shè)的要求

2012 年 3 月《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》（下簡稱《意見》）提出了學(xué)校要加強(qiáng)高等教育實(shí)踐環(huán)節(jié)教育力度，提高實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)水平；加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地、實(shí)踐教學(xué)共享平臺(tái)建設(shè)，重點(diǎn)建設(shè)一批國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、國家大學(xué)生校外實(shí)踐教育基地、高職實(shí)訓(xùn)基地；加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)管理，提高實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)、實(shí)踐和畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）質(zhì)量。《意見》也提出了學(xué)校要建設(shè)優(yōu)質(zhì)教育資源共享體系，加強(qiáng)信息化資源共享平臺(tái)建設(shè)。同時(shí)，教育部印還發(fā)了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020）》（下簡稱《發(fā)展規(guī)劃》）?！栋l(fā)展規(guī)劃》要求推動(dòng)信息技術(shù)與高等教育深度融合，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式；利用先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)，整合資源，推進(jìn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)信息化建設(shè)；建立優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源和共建共享環(huán)境，遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，建設(shè)優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)課程和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、虛擬實(shí)驗(yàn)室等。由以上教育部印發(fā)的兩個(gè)文件內(nèi)容可看出，教育部對高等教育信息化建設(shè)的重視，地方院校要緊跟國家教育信息化建設(shè)的步伐，加強(qiáng)實(shí)踐教育力度。

二、國外虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)進(jìn)展

通過信息化平臺(tái)的搭建與互聯(lián)可以使學(xué)生有更多機(jī)會(huì)參加高水平的實(shí)驗(yàn)，也滿足了信息技術(shù)發(fā)展對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新的要求，讓更多的學(xué)生隨時(shí)隨地的更好享用優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神得到提升；也可以使教師的教學(xué)理念得到更新，教學(xué)能力得到提升，教學(xué)水平進(jìn)一步提高。因此實(shí)驗(yàn)室信息化平臺(tái)如何科學(xué)合理的搭建就顯得尤為重要。美國的諸多著名大學(xué)，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心信息化平臺(tái)建設(shè)和管理方面具有完備的專業(yè)管理標(biāo)準(zhǔn)和信息化管理體系在這方面值得我們參考。

（1） VLAB是美國俄勒岡大學(xué)物理系主辦的物理實(shí)驗(yàn)網(wǎng)站，網(wǎng)站包含天體物理、能量與環(huán)境、力學(xué)、熱學(xué)等方面的幾十種虛擬實(shí)驗(yàn)。

（2） 麻省理工學(xué)院的Web Lab遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室于1998年開發(fā)并投入使用。它提供了用于進(jìn)行微電子學(xué)和電路設(shè)計(jì)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，它允許學(xué)生在自己的計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)并修改電路模型，然后通過一個(gè)用Java激活的Web瀏覽器使用在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室里的昂貴的測試設(shè)備來獲取測試數(shù)據(jù)，驗(yàn)證自己的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了通過手機(jī)遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)的功能。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的必要性

教育信息化對提升高校教育質(zhì)量具有重要意義，推動(dòng)信息技術(shù)與高等教育深度融合是一場改革。作為教育信息化的有機(jī)組成部分，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是以全面提高高校學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為宗旨，以共享優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為核心，以建設(shè)信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為重點(diǎn)開展的，實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化包括教學(xué)資源的信息化、教學(xué)管理的信息化和支持服務(wù)的信息化。

1、無法滿足新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的要求

互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代正在打破傳統(tǒng)學(xué)校和教師對學(xué)習(xí)資源的壟斷，教育的途徑和方式正在發(fā)生質(zhì)的變化。未來大學(xué)教育中灌輸知識(shí)的份量會(huì)降低，實(shí)際操作和討論的課程將增加。在這種形勢下，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為現(xiàn)代教育技術(shù)在信息時(shí)代新的表現(xiàn)形式，依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，完成教學(xué)任務(wù)，達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。

2、真實(shí)實(shí)驗(yàn)開設(shè)困難

真實(shí)環(huán)境下，受專業(yè)方向的影響，一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具有一定的危險(xiǎn)性和破壞性。搭建這類課程的實(shí)驗(yàn)難度大且成本高。為此，很多學(xué)校和專業(yè)放棄了此類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)，這不僅影響學(xué)生學(xué)習(xí)和吸收理論知識(shí)，也嚴(yán)重影響對其專業(yè)實(shí)踐能力和實(shí)用技能的培養(yǎng)。

3、實(shí)體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)成本高

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與管理會(huì)受到成本預(yù)算的制約，從實(shí)驗(yàn)設(shè)備的購置與維護(hù)到實(shí)驗(yàn)環(huán)境的建設(shè)與管理，都需要消耗大量的人力物力，不論哪個(gè)環(huán)節(jié)滯后或缺失，都將造成學(xué)生理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作的嚴(yán)重脫節(jié)。因此，在現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)中提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的投入產(chǎn)出比，控制實(shí)驗(yàn)成本就顯得格外重要。顯然，引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，可以大大減少經(jīng)費(fèi)投入，有效控制實(shí)驗(yàn)成本。

4、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)資源無法共享

實(shí)驗(yàn)資源是指實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備、軟件平臺(tái)、各類教學(xué)文檔等。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室模式下，這些資源都?xì)w屬特定的物理場地、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備或內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，學(xué)生受限于使用時(shí)間和場地，資源利用率不高，共享受益面不大。由于專業(yè)劃分的差別，不同專業(yè)往往依賴于專門用于做此類實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室，且不同類型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目往往依賴不同類型的實(shí)驗(yàn)室，導(dǎo)致有些實(shí)驗(yàn)室利用率非常低，開展過程受時(shí)間、地點(diǎn)、人力、物力、財(cái)力等限制問題，致使實(shí)驗(yàn)教學(xué)無法有效開展，且資源非常有限，實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源無法開發(fā)共享。引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，整合實(shí)驗(yàn)資源，使得學(xué)生在校外和校內(nèi)一樣，隨時(shí)隨地訪問自己感興趣的實(shí)驗(yàn)課程和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，極大地提高了優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)資源的利用率，擴(kuò)大了受益面。

四、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)思考與建議

1、 制定實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化工作政策法規(guī)，構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心能力體系以教育信息化發(fā)展規(guī)劃為指導(dǎo)，統(tǒng)籌做好虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的整體規(guī)劃和頂層設(shè)計(jì)。

（1） 加強(qiáng)導(dǎo)向性。制定實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化工作政策法規(guī)，建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)與管理規(guī)定；

（2） 注重體系化。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)內(nèi)容既包括軟硬件基礎(chǔ)條件、教學(xué)資源、管理系統(tǒng)和共享平臺(tái)，也包括人才隊(duì)伍、保障制度和運(yùn)行機(jī)制等。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心已超越單一機(jī)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施的范疇，而構(gòu)成了一個(gè)協(xié)調(diào)運(yùn)行、資源共享、提高效益、持續(xù)發(fā)展的能力體系；

（3）增強(qiáng)規(guī)范性。采取研究、改造、二次開發(fā)、優(yōu)選等方式，制定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開發(fā)與應(yīng)用規(guī)范、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用和環(huán)境建設(shè)要求、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)等。同時(shí)，建立相應(yīng)職能機(jī)構(gòu)，完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化標(biāo)準(zhǔn)研究、測試、檢驗(yàn)、認(rèn)證與培訓(xùn)環(huán)節(jié)，以更好地規(guī)范和加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)、設(shè)備、平臺(tái)、資源、信息等方面的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。

2、建立和完善資源共享的長效機(jī)制，形成和促進(jìn)優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，高校每年實(shí)際應(yīng)用超過600學(xué)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室僅占到27%，而設(shè)備的折舊率很高，從而造成了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的極大浪費(fèi)。由于管理體制和運(yùn)行機(jī)制不完善，優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的持續(xù)性共享受到很大限制，資源不均衡現(xiàn)象依然嚴(yán)重鑒于此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)應(yīng)以建立和完善資源共享的長效機(jī)制，形成和促進(jìn)優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享為核心。

（1）要明確以軟件共享、儀器共享、遠(yuǎn)程控制虛擬實(shí)驗(yàn)為主的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開發(fā)與應(yīng)用要求，制定資源審查與評價(jià)指標(biāo)體系，完善使用者網(wǎng)上評價(jià)和專家審查相結(jié)合的資源評價(jià)機(jī)制；

（2）要加大政策支持和引導(dǎo)性投入力度，發(fā)揮教育部門、高校、科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)和其他社會(huì)力量的多元主體作用，實(shí)行一線教師、實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員、專業(yè)隊(duì)伍以及企業(yè)工程師相結(jié)合，共同開發(fā)、協(xié)同推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)；

（3）要制定有利于提高虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源服務(wù)能力的激勵(lì)措施，促進(jìn)學(xué)校間、地區(qū)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程互選和平臺(tái)共用，支持使用者按需購買資源與服務(wù)，鼓勵(lì)企業(yè)和其他社會(huì)力量提供個(gè)性化的資源服務(wù)。

3、建立知識(shí)共享環(huán)境與開放聯(lián)合機(jī)制，統(tǒng)一科研協(xié)作平臺(tái)和技術(shù)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)是一項(xiàng)涉及多層面、體謀劃來導(dǎo)向，也需要團(tuán)隊(duì)協(xié)作和聯(lián)合攻關(guān)來保證。首先，需要突破支撐虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的共性關(guān)鍵技術(shù)，如虛擬實(shí)驗(yàn)的可視化設(shè)計(jì)軟件工具與集成環(huán)境、高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)場景與對象構(gòu)建、虛擬實(shí)驗(yàn)構(gòu)件的多領(lǐng)域建模與裝配等。其次，需要研發(fā)集實(shí)物仿真、虛擬實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、智能指導(dǎo)和教學(xué)管理于一體，能夠滿足多地區(qū)、多學(xué)校、多學(xué)科專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，且具有良好自主性、交互性、擴(kuò)展性、兼容性、安全性的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)和開放共享平臺(tái)。然而，目前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域的同一課題往往有多個(gè)團(tuán)隊(duì)在研究，既造成了方向及內(nèi)容的重疊，其成果共享還存在著對不同的開發(fā)環(huán)境、異構(gòu)的技術(shù)平臺(tái)加以整合等問題，在一定程度上也影響了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的使用率。

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（作者單位： 遼寧對外經(jīng)貿(mào)學(xué)院，遼寧 大連 116000）