高校虛擬仿真實驗室的建設(shè)與改革研究

王慧　白紅英　馬麗

[摘 要] 作為高等教育信息化的重要組成部分，虛擬仿真實驗室是多學(xué)科多專業(yè)與現(xiàn)代信息技術(shù)相互融合的必然產(chǎn)物。在其蓬勃發(fā)展的過程中，存在共享程度低、師資隊伍薄弱、跨專業(yè)融合程度不足、實驗教程未普及以及利用率較低等特點。對此，進(jìn)一步提出了整改建議：組建虛擬仿真實驗教學(xué)聯(lián)盟實現(xiàn)資源共享，領(lǐng)頭人牽頭制定虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)及教程，鼓勵建設(shè)綜合性虛擬仿真實驗室，組建監(jiān)督隊伍完善監(jiān)督機制，制定政策、建立激勵機制、促進(jìn)隊伍建設(shè)。

[關(guān)鍵詞] 虛擬仿真實驗室；示范；實驗教學(xué)；資源共享

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 07. 089

[中圖分類號] G647；TP391.9 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2019）07- 0216- 03

0 引 言

綜合多媒體技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人機交互、傳感器技術(shù)、三維建模技術(shù)以及云計算等多種技術(shù)手段于一身的虛擬仿真實驗室，在高校的教學(xué)實驗過程中能達(dá)到以“虛”代“實”，學(xué)生由被動學(xué)習(xí)變主動學(xué)習(xí)的效果，實驗教學(xué)效果也得到了顯著地提高 [1]。以信息技術(shù)應(yīng)用為本質(zhì)特征的虛擬仿真實驗教學(xué)，適應(yīng)了信息時代高等教育開放辦學(xué)、資源共享的變革要求，為學(xué)生開展探究性學(xué)習(xí)、自主實驗和創(chuàng)新實踐提供了先進(jìn)手段、開放平臺和優(yōu)質(zhì)資源，在提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的同時，也為實驗教學(xué)改革和實驗室建設(shè)增添了活力和動力[2]。虛擬仿真技術(shù)在實踐教學(xué)中的應(yīng)用，打破了傳統(tǒng)實物實驗室在時間和空間上的局限性，同時有效地解決了高校實驗經(jīng)費、設(shè)備、場地不足的問題，在提高高校實踐教學(xué)質(zhì)量、改進(jìn)實踐教學(xué)模式和增強學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識方面具有重要的意義。虛擬仿真實驗室的建設(shè)受到各大高校的高度重視，其發(fā)展也面臨著一些新問題和新挑戰(zhàn)。

1 高校虛擬仿真實驗室的建設(shè)意義

虛擬仿真實驗室，以多種現(xiàn)代技術(shù)為依托，通過仿真各種大型儀器設(shè)備，設(shè)計各種實驗場景和實驗步驟，使學(xué)生在虛擬場景中通過人機交互的方式按照各種步驟開展實驗，達(dá)到教師指定的各種實驗項目的目的。虛擬仿真實驗室是虛擬仿真技術(shù)、計算機技術(shù)和其他多學(xué)科專業(yè)理論知識深度融合的結(jié)晶。

在國內(nèi)，正興起一股建設(shè)虛擬仿真實驗室的熱潮。北京大學(xué)利用沉浸式系統(tǒng)，結(jié)合G-Motion光學(xué)位置追蹤系統(tǒng)，構(gòu)建了沉浸式虛擬現(xiàn)實展示交互實驗室。清華大學(xué)通過搭建一面墻虛擬現(xiàn)實投影系統(tǒng)和多人異地協(xié)同設(shè)計工具構(gòu)建了成形制造模擬仿真三維虛擬現(xiàn)實實驗室，應(yīng)用于材料的快速成型與虛擬制造。上海交通大學(xué)建設(shè)的虛擬現(xiàn)實創(chuàng)新教育實驗中心打造了集教學(xué)、實訓(xùn)、實踐、科研于一體的大型創(chuàng)新教育實驗中心。南京理工大學(xué)通過樓上實物實驗室樓下虛擬實驗室模式實現(xiàn)了 “虛實相結(jié)合”，虛擬仿真技術(shù)進(jìn)入課堂、融入教材，提高學(xué)生的全數(shù)字化設(shè)計水平。

在高校，一個成功的虛擬仿真實驗室能積極促進(jìn)科研人員、教師以及學(xué)生廉價質(zhì)優(yōu)、團隊合作、主動進(jìn)行學(xué)習(xí)交流和創(chuàng)新開發(fā)，虛擬仿真實驗室成為了大家獲得知識技能的重要場所[3]。特別是在技術(shù)飛速發(fā)展的今天，虛擬仿真實驗室的建設(shè)將推動高等院校教育教學(xué)改革、科研人員主動創(chuàng)新、學(xué)生自主實驗的快速變化[4]。虛擬仿真實驗室是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，在高校，應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)建設(shè)實驗室是實驗室建設(shè)方面發(fā)展的趨勢，是推動高校實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新的重要方向[5]。

虛擬實驗室的建設(shè)解決了難以進(jìn)行真實實驗或者因資金缺乏不能建設(shè)實體實驗室的情況，虛擬實驗室解決了高危或極端環(huán)境作業(yè)、高投入高成本以及對操作成功率要求極高等問題。虛擬仿真實驗具有較明顯的教學(xué)效果，學(xué)生在實驗過程中興趣濃厚，自組織和實踐能力顯著增強；教師在授課過程中減少了重復(fù)介紹實驗過程和步驟，而且在虛擬實驗的設(shè)計和制作過程中一定程度上提高了其科研能力，受益面極廣。

2 國內(nèi)高校虛擬仿真實驗室建設(shè)特點和存在問題

在中國制造2025重點領(lǐng)域技術(shù)路線圖中，虛擬現(xiàn)實被列為智能制造核心信息設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)之一[6]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實驗室中的成功應(yīng)用產(chǎn)生了各種虛擬仿真實驗室，如模擬機械加工虛擬仿真實驗室、全國景區(qū)旅游虛擬仿真實驗室、醫(yī)學(xué)內(nèi)科手術(shù)仿真實驗室等，這些實驗室極大地提升了全國高校實驗教學(xué)水平。通過大量調(diào)研和實地考察，有些院校的虛擬仿真實驗室正如火如荼地蓬勃發(fā)展著，學(xué)生和老師的參與程度達(dá)到了80%以上，但有些高校的虛擬仿真實驗室實際利用率非常低。本文總結(jié)了全國高校的虛擬仿真實驗室普遍存在的問題。

2.1 各大院校虛擬仿真實驗室的教學(xué)資源整合與開放共享程度普遍較低

當(dāng)前各大高校越來越注重實踐教育在本科教學(xué)中的重要地位，尤其是教育部發(fā)布本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的指導(dǎo)意見以來，各個高校紛紛開始增建實驗室，加大對學(xué)生實驗教育的培養(yǎng)，虛擬仿真實驗室應(yīng)運而生。然而目前大部分高校的虛擬仿真實驗室彼此封閉、煙囪式的發(fā)展。對軟硬件供應(yīng)商的依賴程度較大，與周邊院校的合作共享開放程度較低。在相同專業(yè)領(lǐng)域中，各個院校針對自己的專業(yè)所創(chuàng)作的虛擬仿真實驗項目整體內(nèi)容一致。如果能形成一種開放共享資源模式，則可避免不必要的重復(fù)勞動，還可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補。

2.2 虛擬仿真實驗室開展實驗所使用教材的普及程度較低

目前，在虛擬仿真實驗教程這塊兒沒有國家統(tǒng)編的教程。大多高校以虛擬仿真實驗軟件供應(yīng)商所提供的設(shè)備手冊作為實驗指導(dǎo)書[7]。然而，設(shè)備手冊不能完全滿足實驗教學(xué)的需求，學(xué)校應(yīng)根據(jù)所設(shè)專業(yè)的特點，組織編寫更實用的虛擬仿真實驗指導(dǎo)書。指導(dǎo)書中，對于軟件供應(yīng)商提供的實驗項目，要結(jié)合自己的實際授課背景，進(jìn)行相應(yīng)的增刪改，優(yōu)化實驗步驟，擴展實驗項目。重點在實驗的教學(xué)體系、實驗基本原理、實驗方法以及大型設(shè)備的構(gòu)造原理和注意事項方面進(jìn)行詳細(xì)的描述。

2.3 虛擬仿真實驗室跨專業(yè)融合程度較低

虛擬仿真技術(shù)集多學(xué)科知識于一身，在各個學(xué)科都能得到很好的利用。例如在計算機領(lǐng)域、機械工程領(lǐng)域、旅游管理領(lǐng)域以及現(xiàn)在開始應(yīng)用的手術(shù)培訓(xùn)、導(dǎo)航、心理治療和康復(fù)訓(xùn)練等領(lǐng)域都可以得到很好的綜合利用[8]。目前大部分院校為了打造特色專業(yè)，虛擬仿真實驗室的建設(shè)只是針對單點專業(yè)進(jìn)行的。據(jù)統(tǒng)計，全國現(xiàn)有理工類的虛擬仿真實驗室大約占比為70%，文科類的則應(yīng)沒有得到重視而少之又少[9]。甚至有些院校由于資金實力雄厚，為多個重點理工學(xué)科分別建設(shè)虛擬仿真實驗室，造成了軟硬件資源的浪費，也不利于多種信息技術(shù)的整合。

2.4 虛擬仿真實驗室的利用率情況

一些高校的虛擬仿真實驗室前期投入了大量的建設(shè)經(jīng)費，但是落成后資源利用率并不高，形成了嚴(yán)重的資源浪費。有調(diào)查顯示，年使用在600學(xué)時以上的虛擬仿真實驗室僅占27%，隨著新技術(shù)的更新迭代，相應(yīng)的軟硬件設(shè)施的折舊率很高，從而造成了資源的浪費[5]。通過走訪調(diào)研，發(fā)現(xiàn)有一類虛擬仿真實驗室在建設(shè)初期的目標(biāo)制定得比較高，但是在實際運行過程中，由于各種原因?qū)е吕蠋焸儗嶒炇医虒W(xué)的期望值逐漸降低，甚至有些實驗室逐漸變成了雞肋，形成“僵尸型”實驗室。還有些院校，由于得到政府有關(guān)部門的大力支持，虛擬仿真實驗室的建設(shè)成為了“門面工程”，有的甚至成為政府有關(guān)部門召開會議的專用場所，而實際在教學(xué)中的利用率并不高。

2.5 師資隊伍建設(shè)問題

由于受傳統(tǒng)教學(xué)實驗方式的影響，利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行的“虛”實驗在年齡較大的教師群體中并未得到認(rèn)可。需要在各個高校形成一支以年輕人為主的跨學(xué)科多專業(yè)融合的虛擬仿真實驗師資隊伍。

3 高校虛擬仿真實驗室建設(shè)改革建議

教育部根據(jù)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》在“十二五”期間開展了國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)工作，隨后在教高廳〔2017〕4號文件中提出了在2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知，旨在推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育實驗教學(xué)的深度融合，不斷加強高等教育實驗教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)與應(yīng)用[10]。對于現(xiàn)存的高校虛擬仿真實驗室建設(shè)和應(yīng)用中的諸多問題，本文提出了以下的一些建議。

3.1 組建聯(lián)盟實現(xiàn)虛擬仿真實驗室資源開放與共享

全國高校的虛擬仿真實驗室組成一個聯(lián)盟，建立統(tǒng)一的交流機制。建立平臺門戶系統(tǒng)，科技部、高教部是平臺的宏觀管理部門，負(fù)責(zé)制定平臺發(fā)展規(guī)劃、管理政策和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并組織開展平臺運行服務(wù)評價考核工作。提出積極的鼓勵政策，打破院校保護(hù)主義，鼓勵各個院校將虛擬仿真實驗室的教學(xué)資源在平臺上實現(xiàn)共享，優(yōu)勢互補，實現(xiàn)全國各省各自治區(qū)虛擬仿真實驗教學(xué)水平均衡發(fā)展，提高我國虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高等教育中的整體發(fā)展水平。

國家級示范性虛擬仿真實驗室應(yīng)輻射周邊地區(qū)及其他偏遠(yuǎn)地區(qū)院校，起到帶頭引領(lǐng)作用，并實現(xiàn)資源共享。例如北京、上海、南京等城市的軟硬件資源和人力技術(shù)資源相對較為集中，實驗室的師資力量也是較為雄厚的，開展的虛擬實驗項目較多。而內(nèi)蒙古自治區(qū)目前沒有一所國家級示范性虛擬仿真實驗室，在今年內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)才著手開始申報工作。如果全國高校的虛擬仿真實驗室在示范性實驗室的帶領(lǐng)下能結(jié)成一個聯(lián)盟，實現(xiàn)資源共享，并輻射其他地區(qū)院校，則會整體提高我國高校在虛擬仿真實驗室這方面的發(fā)展水平。

3.2 規(guī)劃制定虛擬仿真實驗室教學(xué)教材

由國家級示范性虛擬仿真實驗室做牽頭人，制定統(tǒng)一的實驗教學(xué)體系，撰寫統(tǒng)一的實驗教材或指導(dǎo)書，形成統(tǒng)一的要求，進(jìn)一步普及所使用的教材。各個院?？梢愿鶕?jù)實際授課情況進(jìn)行部分內(nèi)容的修改，但是整體教學(xué)體系保持不變。

虛擬仿真實驗室實驗內(nèi)容保障參差不齊，國家級示范性虛擬仿真實驗室?guī)ь^人應(yīng)帶領(lǐng)其他院校的相關(guān)實驗室管理人員根據(jù)所屬學(xué)科專業(yè)制定統(tǒng)一的實驗教學(xué)體系，撰寫統(tǒng)一的實驗教材或指導(dǎo)書，形成統(tǒng)一的要求，進(jìn)一步普及所使用的教材。形成統(tǒng)一的實驗資料有助于揚長避短，進(jìn)一步發(fā)揮專業(yè)特長，提高實驗效果。

3.3 融合多個學(xué)科構(gòu)建綜合性虛擬仿真實驗室

鼓勵高校提高信息技術(shù)整合力度，搭建綜合性的虛擬仿真實驗室，避免虛擬仿真實驗室結(jié)構(gòu)單一，功能單一，利用率較低情況的發(fā)生。鼓勵教師將人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)創(chuàng)新性融合于虛擬仿真實驗室中，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)由現(xiàn)在的“3I”變?yōu)椤?I” （第4I是指“智能”）， 提高虛擬仿真實驗室的創(chuàng)新力度。

各個高校虛擬仿真實驗室應(yīng)實現(xiàn)跨專業(yè)融合，形成多個學(xué)科共用綜合性虛擬仿真實驗室，節(jié)約資源，避免重復(fù)建設(shè)，合理制定開放手段，提高實驗室利用率。

3.4 建立持續(xù)有效地虛擬仿真實驗室的監(jiān)督機制

組建虛擬仿真實驗室建設(shè)以及應(yīng)用監(jiān)督隊伍，制定詳細(xì)的監(jiān)督機制。對已建成的虛擬仿真實驗室和正在規(guī)劃籌建的虛擬仿真實驗室展開定期考核工作。主要針對的有：虛擬仿真實驗室利用率情況；虛擬仿真實驗開設(shè)情況；虛擬仿真實驗的內(nèi)容制作及實驗內(nèi)容更新情況。

建立虛擬仿真實驗室監(jiān)督隊伍，完善監(jiān)督機制，形成定期考核制度，督促“僵尸型”虛擬仿真實驗室的改革創(chuàng)新，給“門面工程型”虛擬仿真實驗室的建設(shè)施加壓力。

3.5 建設(shè)敬業(yè)而且專業(yè)的虛擬教學(xué)隊伍

制定政策、建立激勵機制，促進(jìn)隊伍建設(shè)。設(shè)立實驗技術(shù)成果獎，調(diào)動實驗人員技術(shù)創(chuàng)新的積極性，鼓勵實驗技術(shù)的研究和開發(fā)；擺脫虛擬仿真實驗內(nèi)容制作完全依賴購買狀況，鼓勵虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容自制、實驗內(nèi)容升級改造或者實驗內(nèi)容的延伸拓展，設(shè)立各種獎項激勵學(xué)生和教師對虛擬仿真實驗室的興趣，激發(fā)學(xué)生和教師在這方面的創(chuàng)造性發(fā)揮。

重視實驗教學(xué)隊伍建設(shè)，圍繞虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)運行，鼓勵多學(xué)科各個專業(yè)的青年教師主動參與，鼓勵理論知識豐富能力過硬的教師積極從事虛擬仿真實驗項目的設(shè)計與制作。建立完整的虛擬仿真實驗教學(xué)隊伍考核監(jiān)督機制，獎勵利用虛擬仿真實驗室進(jìn)行研發(fā)和實踐教學(xué)實驗的教師，最終促進(jìn)形成一支敬業(yè)專業(yè)的虛擬仿真教學(xué)團隊。

4 結(jié) 語

隨著信息技術(shù)在虛擬仿真實驗室中的不斷深入，虛擬仿真實驗室的建設(shè)進(jìn)入了白熱化階段。建立制度健全的監(jiān)督考核機制有助于消除“僵尸型”和“門面型”虛擬仿真實驗室。建立虛擬仿真實驗室教學(xué)資源共享平臺能夠充分發(fā)揮示范性虛擬仿真實驗室的帶頭作用，引領(lǐng)全國高校高質(zhì)量發(fā)展虛擬仿真實驗教學(xué)。完善教學(xué)體制，制定統(tǒng)一的虛擬仿真實驗教學(xué)指導(dǎo)用書，編制相關(guān)實驗教程，形成標(biāo)準(zhǔn)的考核機制。采取激勵措施，建設(shè)一支高水平的虛擬仿真實驗教學(xué)人員，為虛擬仿真實驗室的長期發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。

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