虛擬仿真在農(nóng)林院?；A(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用思考

侯學(xué)會(huì),王建玲

(河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院,河南 鄭州 450046)

虛擬仿真(Virtual Reality)是指用一個(gè)系統(tǒng)模仿另一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)?！疤摂M”與“現(xiàn)實(shí)”看似是含義相互矛盾的兩個(gè)詞，但是在當(dāng)前科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的今天，它卻擁有新的含義。虛擬仿真技術(shù)依托計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)虛擬世界的創(chuàng)建和體驗(yàn)，包括再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界，構(gòu)想未知世界。這種技術(shù)在教學(xué)中得到了廣泛的探索和應(yīng)用。

基礎(chǔ)化學(xué)是農(nóng)林院校相關(guān)專(zhuān)業(yè)的必修專(zhuān)業(yè)課，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)是其中的重要組成部分。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐教學(xué)，出于條件、經(jīng)濟(jì)、安全環(huán)保等方面的制約，使學(xué)生對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中的裝置、模式缺乏體驗(yàn)和認(rèn)識(shí)。尤其是在安全生產(chǎn)方面學(xué)生更是無(wú)法獲得任何親臨現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)會(huì)，這必將導(dǎo)致學(xué)生在安全生產(chǎn)方面的意識(shí)非常薄弱甚至缺失，不具備任何的應(yīng)急處理能力。因此，在當(dāng)前國(guó)家對(duì)環(huán)保和安全生產(chǎn)高度重視的嚴(yán)峻形勢(shì)下，對(duì)高等院校對(duì)化學(xué)生產(chǎn)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)提出了新的更高要求[1]。 在這種新形勢(shì)下，高等院校對(duì)于一些高風(fēng)險(xiǎn)，高污染，高消耗的化學(xué)實(shí)驗(yàn)通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的訓(xùn)練和體驗(yàn)，從而對(duì)實(shí)現(xiàn)具備工業(yè)化生產(chǎn)技能的工程型人才培養(yǎng)。河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院在化學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法、手段等方面進(jìn)行了初步的探索，實(shí)踐證明這種方法可以大大提高學(xué)生的動(dòng)手能力、解決實(shí)際問(wèn)題能力和應(yīng)急處理能力。下面陳述一下我們的一點(diǎn)體會(huì)。

1 為什么要進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

2012年3月，教育部印發(fā)了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011～2020年)》，規(guī)劃要求開(kāi)發(fā)整合各類(lèi)優(yōu)質(zhì)教育教學(xué)資源，建立高等教育資源共建共享機(jī)制，建立優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源和共建共享環(huán)境。2013年，教育部印發(fā)了《關(guān)于開(kāi)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》[2]。自此，虛擬仿真技術(shù)在高等院校教學(xué)工作中拉開(kāi)了應(yīng)用的序幕。隨著“5G”時(shí)代的到來(lái)，虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用更加廣泛和深入。

社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度和水平高低與一個(gè)國(guó)家高等院校培養(yǎng)的畢業(yè)生的實(shí)踐能力息息相關(guān)。學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)離不開(kāi)各種現(xiàn)代信息技術(shù)和優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)資源。但是，當(dāng)前高等教育存在的一個(gè)突出的問(wèn)題是實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)缺乏或內(nèi)容滯后。傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)受到教學(xué)學(xué)時(shí)、場(chǎng)地、儀器、安全環(huán)保等問(wèn)題的制約；另外，對(duì)于一些復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)過(guò)程無(wú)法觀測(cè)。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)則不存在這些問(wèn)題，達(dá)到了課堂教學(xué)的要求，成為教師有力的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工具，而且這種模式大大激發(fā)了學(xué)生的求知欲。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)使學(xué)生如同身臨其境般的融入到本來(lái)難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)踐環(huán)境中去。這樣極大地誘發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)了學(xué)生將所學(xué)的不同學(xué)科知識(shí)進(jìn)行交叉，從而迸發(fā)出創(chuàng)造的思維火花。另外，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，虛實(shí)結(jié)合，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以解決部分成本高、危險(xiǎn)性大、污染嚴(yán)重的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，解決資源不足的難題[3]。當(dāng)前，隨著相關(guān)部門(mén)的大力支持，虛擬仿真教學(xué)技術(shù)日臻成熟，很多高等院校已經(jīng)積累了很多成功的經(jīng)驗(yàn)和共享化的作品，而對(duì)于一些專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)的院校尚需建立具有自己特色的虛擬仿真課程體系。

2 如何構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

2.1 把握虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵建設(shè)

明確建設(shè)思路，堅(jiān)持高校人才培養(yǎng)緊跟社會(huì)發(fā)展需求，堅(jiān)持密切把握行業(yè)發(fā)展新動(dòng)向，在發(fā)展中體現(xiàn)特色的戰(zhàn)略。堅(jiān)持將緊密人才培養(yǎng)與學(xué)校特色定位相結(jié)合。拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容深度和廣度，重點(diǎn)解決真實(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目條件不具備或?qū)嶋H運(yùn)行困難，涉及高?；驑O端環(huán)境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓(xùn)練等問(wèn)題。凸出虛擬仿真的優(yōu)勢(shì)；擴(kuò)展互動(dòng)式、研究型、團(tuán)隊(duì)式教學(xué)方法，推進(jìn)探究式教學(xué)方法的普遍運(yùn)用；采用多途徑、多方案、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)方法，凸顯學(xué)生綜合設(shè)計(jì)與創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)的深度和廣度[4]。

2.2 積極開(kāi)發(fā)與共享虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源

虛擬仿真仿真軟件是虛擬仿真資料庫(kù)的重要組成部分。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是信息化教育建設(shè)的重要內(nèi)容，在實(shí)施虛擬仿真教學(xué)的過(guò)程中要堅(jiān)持“規(guī)劃科學(xué)、資源共享、重點(diǎn)突出、效益最大、發(fā)展持續(xù)”的正確方向。目前，世界更都爭(zhēng)相發(fā)展5G通訊技術(shù)，我過(guò)在此方面處在領(lǐng)先地位，“5G+教育”時(shí)代應(yīng)運(yùn)而生，5G通訊技術(shù)數(shù)據(jù)容量劇增，傳輸速度大大提升，幾乎沒(méi)有傳輸時(shí)耗。所有這些特點(diǎn)使得我國(guó)現(xiàn)有教育教學(xué)資源共享化進(jìn)程加快，及時(shí)是偏遠(yuǎn)地區(qū)，先進(jìn)的教學(xué)手段和前沿的教育資源也會(huì)瞬間獲得。因此，高質(zhì)量的虛擬仿真教學(xué)資源的開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為改變教育教學(xué)資源分布不均，師資力量差別較大等現(xiàn)狀的前提條件。只有高質(zhì)量的虛擬仿真教學(xué)資源才能真正共享，所得的學(xué)生成績(jī)才能相互承認(rèn)，教學(xué)效果才有可比性。

2.3 合理設(shè)置虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程內(nèi)容

①以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，根據(jù)培養(yǎng)對(duì)象的需求，設(shè)置的教學(xué)內(nèi)容要充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極和主動(dòng)性，注重學(xué)生能力提升。②準(zhǔn)確適宜的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，以問(wèn)題、需求導(dǎo)向，本科教學(xué)人才培養(yǎng)為目標(biāo)，體現(xiàn)必要性，適用性，堅(jiān)持能實(shí)不虛。③創(chuàng)新多樣的教學(xué)方式方法利用各種可提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的方式方法，比如研討式、探究式，倡導(dǎo)學(xué)生自主式、合作式、探究式學(xué)習(xí)。④先進(jìn)可靠的實(shí)驗(yàn)研發(fā)技術(shù)，結(jié)合學(xué)科特點(diǎn)和教學(xué)目標(biāo)，選擇合適的研發(fā)技術(shù)。⑤虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目應(yīng)該是開(kāi)放的，所建立的平臺(tái)和系統(tǒng)應(yīng)該是穩(wěn)定的、安全的。⑥敬業(yè)專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍，完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍考核、獎(jiǎng)勵(lì)、監(jiān)督機(jī)制，鼓勵(lì)及支持教師參與。⑦在相關(guān)專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)方案中，不斷改進(jìn)修正虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的評(píng)價(jià)體系，探索優(yōu)質(zhì)資源共享機(jī)制和學(xué)業(yè)成績(jī)相互承認(rèn)的機(jī)制。⑧顯著示范的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，注重實(shí)際應(yīng)用、教學(xué)效果、服務(wù)質(zhì)量、持續(xù)更新， 提升學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

2.4 正確把握項(xiàng)目建設(shè)方向

①堅(jiān)持問(wèn)題導(dǎo)向和需求導(dǎo)向；②符合培養(yǎng)計(jì)劃中既定的能力培養(yǎng)的目標(biāo)；③把握好學(xué)生各種能力培養(yǎng)過(guò)程中傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法中難以取得突破的環(huán)節(jié)；④教學(xué)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)具有獨(dú)立性，同時(shí)還應(yīng)該適合開(kāi)發(fā)性操作和實(shí)施；⑤加大探索性實(shí)驗(yàn)分量，減少演示性實(shí)驗(yàn)比例；⑥培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)。

3 虛擬仿真教學(xué)采用何種教學(xué)方式實(shí)施

虛擬仿真教學(xué)模式的總體原則是“虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛”，通過(guò)模擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，學(xué)生可以在開(kāi)放、獨(dú)立、交叉的虛擬環(huán)境中開(kāi)展效率高、安全性高而且低消耗、低污染的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而達(dá)到傳統(tǒng)教學(xué)中難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果；將實(shí)驗(yàn)由被動(dòng)模式變?yōu)橹鲃?dòng)模式；形成一個(gè)系統(tǒng)的、虛實(shí)結(jié)合、課內(nèi)與課外、教與學(xué)為一體，具有基礎(chǔ)性、集成性、先進(jìn)性的創(chuàng)新人才培養(yǎng)的化學(xué)類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系。

3.1 以探索研究式教學(xué)為主導(dǎo)

首先，通過(guò)平臺(tái)發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)，要求學(xué)生通過(guò)平臺(tái)系統(tǒng)預(yù)習(xí)并熟悉教學(xué)內(nèi)容，然后登陸系統(tǒng)通過(guò)軟件自主對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，并初步驗(yàn)證，然后點(diǎn)擊標(biāo)準(zhǔn)操作進(jìn)行對(duì)比糾錯(cuò)修正，完成實(shí)驗(yàn)步驟的正確操作，最終形成對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)操作全面完整的認(rèn)識(shí)，深刻理解工藝過(guò)程。通過(guò)這種模式的實(shí)施，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的能動(dòng)性。

3.2 以分組為主，統(tǒng)分結(jié)合的模式為主

在實(shí)驗(yàn)情景的仿真設(shè)計(jì)中采用小組為實(shí)驗(yàn)主體，討論與分組共存的操作方式，通過(guò)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，鍛煉學(xué)生的協(xié)作能力。當(dāng)今時(shí)代不僅要求建設(shè)者具有很好的專(zhuān)業(yè)技能，同時(shí)要求成員間的協(xié)作意識(shí)和能力。因此，在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置時(shí)，增加小組成員間的討論內(nèi)容和不同小組之間的協(xié)作元素。

3.3 以學(xué)生推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)進(jìn)程為主

命題的選擇充分體現(xiàn)學(xué)生為中心的思想理念，要求學(xué)生主動(dòng)地預(yù)習(xí)，討論熟悉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，通過(guò)小組討論自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，通過(guò)系統(tǒng)軟件進(jìn)行驗(yàn)證和修正完善。通過(guò)完成這些任務(wù)激發(fā)了學(xué)生探索實(shí)驗(yàn)機(jī)理的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。

4 如何客觀評(píng)價(jià)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

鑒于虛擬仿真技術(shù)的特點(diǎn)，其考核方式不同于傳統(tǒng)教學(xué)的考核方式。在教師教的方面主要包括以下幾點(diǎn)：①修改采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的相關(guān)專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)方案，使之相互適應(yīng)。②制訂相關(guān)教學(xué)效果評(píng)價(jià)辦法，根據(jù)虛擬仿真實(shí)施過(guò)程中學(xué)生和教師的反饋情況，不斷修正相關(guān)教學(xué)評(píng)價(jià)方法；③采取切實(shí)有效的獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，推動(dòng)教師探索虛擬仿真技術(shù)推廣和共享的績(jī)效評(píng)價(jià)辦法；④基于虛擬仿真技術(shù)平臺(tái)的資源共享下，各資源共享高校成員之間，實(shí)現(xiàn)相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目成績(jī)相互認(rèn)可協(xié)議。

在學(xué)生利用虛擬仿真資源的學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)主要從以下幾個(gè)方面變革。①對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)時(shí)間不再固定在期末課程結(jié)束后進(jìn)行，既然某課程的虛擬實(shí)驗(yàn)課程授課內(nèi)容，學(xué)生可以在該學(xué)年內(nèi)的任何時(shí)段，通過(guò)自己的移動(dòng)終端進(jìn)行學(xué)習(xí)，那么學(xué)生可以在學(xué)年開(kāi)課后的任何時(shí)間根據(jù)個(gè)人掌握的程度進(jìn)行申請(qǐng)考核，如此有利于學(xué)生充分利用學(xué)習(xí)時(shí)間。②虛擬仿真課程的考核模式自由化，在開(kāi)發(fā)虛擬教學(xué)資源時(shí)，設(shè)置多種考核模塊，考核內(nèi)容不局限于相同的試卷或操作項(xiàng)目，不固定時(shí)間和地點(diǎn)進(jìn)行考核。使考核內(nèi)容多樣化，設(shè)置理論，創(chuàng)新、設(shè)計(jì)、應(yīng)急處理等考核內(nèi)容。③在共享虛擬仿真資源的系統(tǒng)內(nèi)，學(xué)生的考核成績(jī)給共享單位應(yīng)當(dāng)給與承認(rèn)，這樣有利于各共享單位對(duì)所開(kāi)發(fā)資源的深度利用、有利于共享教學(xué)資源質(zhì)量和水平的快速提升。

5 結(jié)論

虛擬仿真技術(shù)在高等院校教學(xué)中的應(yīng)用將使實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的示教、訓(xùn)練和考核方式更為科學(xué)、有趣、簡(jiǎn)便易行。虛擬實(shí)驗(yàn)的直觀不抽象、互動(dòng)不被動(dòng)、構(gòu)想早驗(yàn)證等特點(diǎn)可以大大提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣！虛擬實(shí)驗(yàn)的 綠色、安全、可共享 等特點(diǎn)有利于大規(guī)模改善學(xué)校的教學(xué)環(huán)境。