虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀＊

關(guān)松磊

在國(guó)家信息化發(fā)展戰(zhàn)略的引導(dǎo)下，教育部于2013年3月頒布《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011～2020年）》，分別制定了基礎(chǔ)教育、職業(yè)教育、高等教育、繼續(xù)教育和教育管理信息化發(fā)展水平框架。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，也是近年來我國(guó)在高等院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中主要推進(jìn)的項(xiàng)目。根據(jù)2013年教育部《關(guān)于開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》精神，將利用10年的時(shí)間連續(xù)資助開展1000個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)，遴選和開發(fā)1500套虛擬仿真實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。[1]從2013-2015年，已經(jīng)建成了300個(gè)國(guó)家級(jí)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，涉及理工、農(nóng)林醫(yī)藥、人文社科各個(gè)學(xué)科方向，普及至中央部級(jí)院校、省屬院校、軍隊(duì)院校等各級(jí)各類高校，惠及東、中、西部各地區(qū)的高校。[2][3]

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)和應(yīng)用

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（Thevirtualsimulationlaboratory）作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能培養(yǎng)的輔助手段，可以與實(shí)際操作相結(jié)合、相補(bǔ)充，虛實(shí)結(jié)合，在虛擬操作平臺(tái)可以進(jìn)行各類實(shí)驗(yàn)操作，[4]可以同時(shí)操縱多臺(tái)儀器，將來可能會(huì)顛覆傳統(tǒng)的教學(xué)理念和教學(xué)模式，成為新時(shí)代教學(xué)改革的主要方向之一。300個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，從學(xué)科分布來看，理工類占優(yōu)勢(shì)，達(dá)70%左右，而農(nóng)林醫(yī)藥學(xué)科和人文社科類數(shù)量較少，說明理工類學(xué)科更適合開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。從學(xué)校來看，中央部屬院校占的比例較大，省屬院校的比例在逐年增加，說明國(guó)家前期投入中央部署院校較多，以后逐步向地方院校傾斜。從地區(qū)分布來看，東部11個(gè)省份所占的比例明顯優(yōu)于中部和西部，說明東部院校普遍更加注重教學(xué)改革和教學(xué)創(chuàng)新，重視虛擬仿真教學(xué)。（見表1）

（一）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

生物學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多、種類復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)要求高，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)迫在眉睫。生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的信息化建設(shè)體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，在2013—2015年評(píng)估建設(shè)的300個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心中，有11個(gè)生物類的國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，代表了生物類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的最高水平。虛擬實(shí)驗(yàn)中心可以延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間，克服生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中共聚焦顯微鏡、流式細(xì)胞儀等儀器貴重、標(biāo)本資源短缺的困難，大大提升了實(shí)驗(yàn)效果。[5]如華中師范大學(xué)利用虛擬平臺(tái)開發(fā)了6個(gè)模塊、75個(gè)項(xiàng)目的虛擬實(shí)驗(yàn)，包括分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)、生物形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)、動(dòng)物生理及人體解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)、師范生實(shí)驗(yàn)教學(xué)技能訓(xùn)練模塊、儀器設(shè)備培訓(xùn)模塊、動(dòng)植物野外實(shí)習(xí)模塊，大大提高了學(xué)生的動(dòng)手和創(chuàng)新能力，促進(jìn)了實(shí)踐教學(xué)的改革。[6]王甜等[7]總結(jié)反思了生物類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)過程的問題與對(duì)策，從指導(dǎo)思想到教學(xué)資源建設(shè)、軟件共享等層面，提出了相應(yīng)的共享平臺(tái)、共享機(jī)制等對(duì)策，為更好地建設(shè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)了良好的思路。

表12013—2015年300個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的分布情況

（二）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在理工學(xué)科實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在理工學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用范圍和應(yīng)用價(jià)值最大。理工學(xué)本科實(shí)驗(yàn)包括的學(xué)科種類和項(xiàng)目很復(fù)雜，諸如土木工程、機(jī)械工程、化學(xué)工程、建筑工程、自動(dòng)化、化學(xué)、物理、電子等，這類實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目往往需要大型的實(shí)習(xí)基地和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，屬于高成本、高消耗的項(xiàng)目。如，東南大學(xué)國(guó)家級(jí)機(jī)電綜合虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心依托十多個(gè)機(jī)電類專業(yè)的學(xué)科優(yōu)勢(shì)，開設(shè)基礎(chǔ)課程40多門和綜合實(shí)踐項(xiàng)目200多項(xiàng)，涵蓋機(jī)械、電子、信息，自動(dòng)化等專業(yè)領(lǐng)域，形成了分層次、模塊化的虛擬仿真與訓(xùn)練課程體系，為高水平本科生培養(yǎng)和創(chuàng)新能力塑造打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。[8]另外，如機(jī)車、大型船舶、飛機(jī)的操作等涉及高危和極端環(huán)境，都需要虛擬仿真的幫助。清華大學(xué)材料科學(xué)與工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心開設(shè)了高危、高成本、高污染、極端條件下的材料制備分析及加工的虛擬仿真課程30門，組建了專用的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，3D立體顯示平臺(tái)，15萬億/s計(jì)算集群及多種材料加工分析軟件，并且還自主開發(fā)了鑄造過程模擬軟件，建立了安全可靠、綠色節(jié)約的教學(xué)平臺(tái)，加速了教學(xué)模式創(chuàng)新和科技成果轉(zhuǎn)化，成了培養(yǎng)高素質(zhì)人才的教學(xué)平臺(tái)。[9]另外，隨著招生規(guī)模的擴(kuò)大，學(xué)校的教學(xué)設(shè)備和實(shí)習(xí)場(chǎng)地往往不足，還有一些實(shí)驗(yàn)，如機(jī)械模具設(shè)計(jì)等，本身就需要在計(jì)算機(jī)軟件的輔助下完成。

（三）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在醫(yī)藥學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)的對(duì)象往往是動(dòng)物或微生物，實(shí)驗(yàn)操作難度大，結(jié)果難以控制，學(xué)生由于缺乏實(shí)際的操作經(jīng)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)失敗率很高，嚴(yán)重挫傷了其參與實(shí)驗(yàn)的積極性。利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以讓學(xué)生在真實(shí)實(shí)驗(yàn)之前進(jìn)行預(yù)演，不僅可以提高實(shí)驗(yàn)的成功率，還可以增加學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣。2013—2015年，教育部高教司共評(píng)估組建了近30個(gè)醫(yī)學(xué)類的國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，各省醫(yī)學(xué)類虛擬仿真教學(xué)中心也紛紛建立，大大促進(jìn)了醫(yī)學(xué)院校的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和實(shí)踐教學(xué)水平。門秀麗等[10]在病理生理學(xué)實(shí)驗(yàn)中分3個(gè)階段推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，制作了實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊。通過座談、問卷調(diào)查、期末考試等方式進(jìn)行了結(jié)果考核，發(fā)現(xiàn)，實(shí)施1年后，實(shí)驗(yàn)班的考試成績(jī)明顯優(yōu)于對(duì)照班，說明虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K確實(shí)提高了實(shí)踐學(xué)習(xí)的效果。田星等[11]在藥劑學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的GMP虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中應(yīng)用了虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用了仿真軟件模擬GMP的要求，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)場(chǎng)景進(jìn)行模擬，完成藥品的生產(chǎn)工藝流程，彌補(bǔ)了現(xiàn)實(shí)中GMP實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地和設(shè)備的短缺。

（四）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在農(nóng)林類實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

300個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心中，農(nóng)林院校和專業(yè)所占的比例較低，一共組織建設(shè)了14個(gè)實(shí)驗(yàn)室，多數(shù)集中在森林、農(nóng)業(yè)機(jī)械、園林、野生動(dòng)物等極端環(huán)境或需要大型設(shè)備的專業(yè)。2013年，中南林業(yè)科技大學(xué)的森林防火虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心成為首批國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，為森林防火應(yīng)急行動(dòng)和快速滅火支援模擬訓(xùn)練提供了良好的平臺(tái)。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的李潤(rùn)聲等[12]以機(jī)械類課程中的制缽機(jī)的動(dòng)畫制作為案例，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，學(xué)生接受度很高，成績(jī)明顯提高，證明虛擬仿真平臺(tái)在農(nóng)業(yè)機(jī)械教學(xué)中可以發(fā)揮重要作用。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)在微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行虛擬仿真教學(xué)的探索，構(gòu)建了基礎(chǔ)微生物學(xué)和應(yīng)用微生物學(xué)兩大教學(xué)模塊，同時(shí)將污水生物處理技術(shù)、食用菌資源等該校的科研成果也轉(zhuǎn)化為仿真教學(xué)資源，既發(fā)揮了自身的特色優(yōu)勢(shì)，又豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容，提升了學(xué)生參與動(dòng)手實(shí)踐的興趣。[13]此外，周彥珍等[14]提出了建設(shè)中國(guó)農(nóng)業(yè)科教虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的構(gòu)想，并形成了比較可行的構(gòu)建思路和建設(shè)方案。利用農(nóng)業(yè)科教虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)，將推動(dòng)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域相關(guān)實(shí)驗(yàn)水平的提高。

（五）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

300個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，學(xué)科門類非常廣泛，除了理工科類、農(nóng)林類、生物學(xué)類、醫(yī)藥類以外，還有人文社科類。涉及的院校除了綜合類大學(xué)、理工類大學(xué)、農(nóng)林醫(yī)藥類大學(xué)，還有師范類、民族類、軍隊(duì)院校、體育、藝術(shù)、政法等。例如，在2013年首次獲批的國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心就包括了武警學(xué)院消防虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，有效地提高了武警院校消防實(shí)戰(zhàn)演練的水平。2015年中國(guó)美術(shù)學(xué)院跨媒體藝術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心也成為國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，是國(guó)內(nèi)藝術(shù)教育最先進(jìn)、最新銳的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。李虹[15]介紹了經(jīng)濟(jì)管理類科目構(gòu)建國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建了“互聯(lián)網(wǎng)+云計(jì)算+大數(shù)據(jù)”，搭建了具有“O2O協(xié)同+流程仿真”特色的實(shí)驗(yàn)→實(shí)訓(xùn)→實(shí)戰(zhàn)→研究一體化教學(xué)平臺(tái)，拓展經(jīng)濟(jì)管理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)空間。

二、虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)中的不足

（一）虛實(shí)結(jié)合程度把握不準(zhǔn)確

教育部曾明確要求，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心要充分體現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛的原則。不可以盲目追求信息化教學(xué)和虛擬操作，將在實(shí)際操作中很成功的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都放在虛擬平臺(tái)上操作，能讓學(xué)生親自動(dòng)手操作的項(xiàng)目一定要大力主張親自動(dòng)手。這是在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)教學(xué)資源建設(shè)中存在的主要問題之一[2]。張晴晴等[16]分析了在中藥提取與分離中采用虛擬仿真教學(xué)的問題，指出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作確實(shí)有利于學(xué)生的規(guī)范操作，提高了實(shí)驗(yàn)成功率，但是，中藥的提取和分離的實(shí)驗(yàn)會(huì)受到諸多因素的影響，對(duì)影響因素的考察也是提取工藝的主要部分，虛擬的實(shí)驗(yàn)難以培養(yǎng)學(xué)生真正的動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題的能力。哈爾濱工程大學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)中心根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和類型進(jìn)行虛實(shí)比例的設(shè)置，沒有“一刀切”，船海虛擬仿真中心遵循五個(gè)虛實(shí)結(jié)合原則，很好地解決了船舶和航海專業(yè)虛實(shí)結(jié)合的問題，學(xué)生既可以通過虛擬軟件進(jìn)行三維模型設(shè)計(jì)和艦船操縱，又可以將設(shè)計(jì)方案導(dǎo)入成型機(jī)打印出三維零件，再將零件組裝成作品，還可以下廠實(shí)習(xí)，形成了教學(xué)改革的新特色。[17]。

（二）實(shí)驗(yàn)室開放共享程度不足

推進(jìn)優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享是高校人才培養(yǎng)的內(nèi)在需求，也是增強(qiáng)高校國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的必然要求。虛擬實(shí)驗(yàn)中心發(fā)揮的作用不僅僅是將教學(xué)信息化、虛擬化，還承載著優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享的作用。所以在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心申報(bào)時(shí)，共享的部分也是考察評(píng)估的一個(gè)主要內(nèi)容。

虛擬實(shí)驗(yàn)中心的資源共享包括信息共享、教學(xué)資源共享、大型設(shè)備共享。使虛擬實(shí)驗(yàn)中心只能發(fā)揮有限的作用，沒有實(shí)現(xiàn)建設(shè)的初衷。應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步探索共享的機(jī)制和模式，例如，建立區(qū)域共享平臺(tái)、大型儀器有償服務(wù)機(jī)制、教學(xué)資源有償使用機(jī)制等，努力拓寬共享的渠道與范圍。北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心對(duì)共享模式進(jìn)行了探索，提出了特色化、立體化、信息化的開放共享模式，根據(jù)自身特色建設(shè)了鐵路運(yùn)輸、交通工程、城市軌道交通3個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開放對(duì)象包括中小學(xué)生、大學(xué)生、科研人員、社會(huì)團(tuán)體等，采用固定時(shí)間開放、預(yù)約開放、靈活開放、遠(yuǎn)程共享的立體開放模式，不僅教學(xué)場(chǎng)館開放，教學(xué)資源也實(shí)現(xiàn)信息化開放，探索了一條全面的開放之路。[18]胡今鴻等[19]對(duì)178所高校的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開放共享研究調(diào)查問卷進(jìn)行了分析，提出了資源共享面臨的實(shí)際困難，認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的共享，必須建立科學(xué)的管理體系，需要有頂層管理平臺(tái)、區(qū)域內(nèi)政策平臺(tái)保障和基礎(chǔ)應(yīng)用平臺(tái)的支持，還要有完善的運(yùn)行機(jī)制，尤其要有評(píng)價(jià)機(jī)制和獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制。各高校應(yīng)當(dāng)互相學(xué)習(xí)借鑒，從內(nèi)容，方法、模式上全面探索共享開發(fā)的模式。

（三）亟待建設(shè)專業(yè)的教學(xué)和管理隊(duì)伍

合理的人才隊(duì)伍是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)和發(fā)展的前提條件。無論是教學(xué)資源的建設(shè)、學(xué)生的管理，還是共享開放的實(shí)現(xiàn)，都需要有專業(yè)的人才來支撐?？傮w來講，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的師資和管理人員處于嚴(yán)重缺乏的狀態(tài)，并且年齡老化，難以適應(yīng)目前高水平的工作要求。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人應(yīng)當(dāng)教學(xué)水平與科研水平兼?zhèn)?。[20]應(yīng)對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員進(jìn)行虛擬仿真教學(xué)的培訓(xùn)，并選拔年輕的骨干教師充實(shí)實(shí)驗(yàn)隊(duì)伍，根據(jù)崗位特點(diǎn)，引入計(jì)算機(jī)、軟件、生物信息學(xué)等專門的技術(shù)人才，尤其是虛擬平臺(tái)的日常軟硬件維護(hù)和管理人才。構(gòu)建合理的人才隊(duì)伍才能使實(shí)驗(yàn)室能夠長(zhǎng)期有序地建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展，各高校應(yīng)對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的人才隊(duì)伍有頂層設(shè)計(jì)構(gòu)想，構(gòu)建合理的人才隊(duì)伍，引入不同層次的專門人才，對(duì)教師和實(shí)驗(yàn)室管理人員有獎(jiǎng)勵(lì)和鼓勵(lì)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)久的發(fā)展目標(biāo)。

除以上的主要問題外，已經(jīng)建設(shè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心還存在著諸多問題，如實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目偏少、校企合作不深入、平臺(tái)管理制度不到位、網(wǎng)頁(yè)建設(shè)和宣傳力度不足、學(xué)校的資金投入不足等。這均會(huì)影響虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，尤其會(huì)影響學(xué)生使用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的效果。根本的解決辦法是增加資金投入、加強(qiáng)日常的管理、積極拓展新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，切實(shí)提高學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性。

三、總結(jié)與展望

從教育部提出“教育信息化”理念以來，全國(guó)各大院校紛紛建立了各級(jí)各類的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，各具特色，并且都取得了可喜的成果，極大地提升了實(shí)踐教學(xué)的效果，尤其是在一些高危、材料昂貴、應(yīng)急、技能要求高的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練中發(fā)揮了巨大的作用。盡管在虛擬仿真中心的建設(shè)和運(yùn)行中也存在各種問題和不足，相信在國(guó)家教育部門的監(jiān)管下，在省級(jí)教育主管部門及各大院校的普遍重視和正確指導(dǎo)下，在學(xué)生和廣大教師的共同努力下，存在的不足會(huì)逐漸完善和解決。隨著虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的逐漸普及，虛擬實(shí)踐教學(xué)將成為一種普遍的教學(xué)手段，尤其是在大數(shù)據(jù)和人工智能迅速發(fā)展的背景下，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在實(shí)踐教學(xué)中必將發(fā)揮更大的作用。虛擬仿真模擬教學(xué)是時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)，必將引起一場(chǎng)現(xiàn)代教育理念和教學(xué)方式新的變革。