虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性、存在問題及其可持續(xù)發(fā)展機(jī)制

李磊

[摘要]高校開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化的重要內(nèi)容。本文根據(jù)國(guó)內(nèi)高等教育實(shí)驗(yàn)實(shí)踐活動(dòng)的情況指出了開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性，對(duì)目前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目發(fā)展存在的問題進(jìn)行了分析，提出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目可持續(xù)發(fā)展機(jī)制。

[關(guān)鍵詞]虛擬仿真實(shí)驗(yàn);可持續(xù)發(fā)展;高等教育

[中圖分類號(hào)]G642

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1671-5918（2019）07-0151-03

doi：10.3969/j.issn.1671-5918.2019.07.064

[本刊網(wǎng)址]http：//www.hbxb.net

在當(dāng)前新工科教育背景下，工科學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐能力培養(yǎng)顯得極其重要。當(dāng)前，伴隨“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的蓬勃發(fā)展，課堂教學(xué)逐漸呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、信息化、虛擬化的發(fā)展趨勢(shì)，涌現(xiàn)出一批國(guó)家精品資源共享課程。但由于在線教學(xué)課程缺少實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，日益引起廣大國(guó)內(nèi)教育工作者的關(guān)注。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)一個(gè)逼真的、具有視、聽、觸等多種感知的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生產(chǎn)生身臨其境感覺，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度、延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)借助于虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)仿真、多媒體和人機(jī)交互等先進(jìn)技術(shù)手段，能夠使實(shí)驗(yàn)者通過高度仿真的實(shí)驗(yàn)對(duì)象和實(shí)驗(yàn)環(huán)境在線完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。作為一種新興的教學(xué)工具，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于高校傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式極具挑戰(zhàn)意義。教育部辦公廳印發(fā)的<2017年教育信息化工作要點(diǎn)》提出要深化數(shù)字教育資源開發(fā)與應(yīng)用，遴選一批典型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)共享平臺(tái)建設(shè)。2018年教育部下發(fā)了開展國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知，并公布105個(gè)首批國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。生動(dòng)、逼真的表現(xiàn)形式讓抽象的實(shí)驗(yàn)過程以動(dòng)畫形式形象逼真的展示，教師根據(jù)實(shí)際教學(xué)的需要，虛實(shí)結(jié)合，最大限度發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，提高教學(xué)效果。

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性

高校畢業(yè)生的實(shí)踐能力與社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平密切相關(guān)。各種現(xiàn)代信息技術(shù)和優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)資源是增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力的重要手段。當(dāng)前，各種在線教學(xué)課程在高校逐漸得到推廣和應(yīng)用，但存在一個(gè)突出的問題一實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的缺乏。而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)一方面存在時(shí)間、空間以及實(shí)驗(yàn)臺(tái)套數(shù)的限制，另一方面還存在實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)過程等不可視等限制。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與學(xué)科專業(yè)深度融合的產(chǎn)物，為學(xué)生提供具有良好沉浸感和獲得感的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生多學(xué)科、多專業(yè)知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通的能力。目前，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的日漸成熟，以及國(guó)內(nèi)高校信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)越來越完備，不少國(guó)內(nèi)高校已具備開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的條件，并根據(jù)教學(xué)和科研的需求建立了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。

（一）實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，突破了實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)客觀條件的依賴性，滿足實(shí)際課堂教學(xué)需要，逐步成為老師得力的實(shí)驗(yàn)制作工具。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)一方面通過模擬虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，將知識(shí)可視化呈現(xiàn)，調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐活動(dòng)的積極性和主動(dòng)性，另一方面使學(xué)生對(duì)那些真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以開展的實(shí)驗(yàn)機(jī)理和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行深入了解。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新的需要

為了滿足我國(guó)走新型工業(yè)化道路、建立創(chuàng)新型國(guó)際、提高國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力，高校需要培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的復(fù)合型人才。因此，需要加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力。全天候接收信息的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和立體化、全方位的感官刺激的虛擬仿真技術(shù)使學(xué)生能夠全天候、全空間、高效和高保真的獲取教學(xué)信息。當(dāng)代大學(xué)生具備應(yīng)用良好信息技術(shù)手段來獲取學(xué)習(xí)知識(shí)的能力，具有良好的創(chuàng)新精神和獨(dú)立思考的能力。原有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)意愿和動(dòng)力，需要轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式以適應(yīng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的需要。學(xué)生可以對(duì)虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行操作，并能如同在真實(shí)世界中一樣得到實(shí)在的反饋，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是以自然的方式進(jìn)行交互，實(shí)時(shí)地與在真實(shí)環(huán)境中一樣的感知，從而忽略了計(jì)算機(jī)的存在。使學(xué)習(xí)者置身于其中的感覺，能夠?qū)崿F(xiàn)互動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，可最大限度地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，有助于發(fā)展學(xué)生的構(gòu)建思維，具有獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐作用。

（三）實(shí)踐教學(xué)的需要

針對(duì)高等教育需要開展的部分高成本、高消耗、高危險(xiǎn)、高污染的實(shí)踐環(huán)節(jié)，在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，可以虛實(shí)結(jié)合，開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，解決實(shí)踐教學(xué)資源不足的問題。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以讓學(xué)生在高仿真環(huán)境下，既保證安全又能高效的開展教、學(xué)和練，不僅節(jié)省了大量時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，避免實(shí)際操作過程可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)，又能有效提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)存在的問題

（一）“內(nèi)容”與“骨架”分離

專業(yè)教師是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容質(zhì)量的關(guān)鍵所在。教學(xué)主體的教師是教學(xué)資源的創(chuàng)造者和更新者。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的“內(nèi)容”建設(shè)一定要圍繞著內(nèi)容的創(chuàng)造者（專業(yè)教師）展開。當(dāng)前，可以提供虛擬仿真技術(shù)的公司較多，但只有專業(yè)教師才能夠提供虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)。專業(yè)教師利用豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康拿鞔_、知識(shí)點(diǎn)豐富、通俗易懂、由易入難、專業(yè)素材規(guī)范的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)需組織一批專業(yè)教師完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)，交由專業(yè)軟件公司完成開發(fā)工作，才能完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)建設(shè)。假若專業(yè)教師構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，但由于資金欠缺等原因無(wú)法找到合適的技術(shù)支持，也無(wú)法達(dá)到“內(nèi)容”所需要的虛擬體現(xiàn)。同樣軟件公司雖然在信息技術(shù)方面具有優(yōu)勢(shì)，但不了解學(xué)科專業(yè)，所開發(fā)的軟件存在諸多缺陷，無(wú)法滿足教學(xué)大綱要求的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。因?yàn)?，為了深入推進(jìn)教育信息化，需要進(jìn)一步完善多元化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，將部分專業(yè)教師分離出來，專門從事虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開發(fā)與教學(xué)實(shí)踐。

（二）缺乏標(biāo)準(zhǔn)

目前，各高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)存在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和意識(shí)空白、不統(tǒng)一、資源兼容性差。管理平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)庫(kù)支持、功能模塊、運(yùn)轉(zhuǎn)流程等各不相同，相互對(duì)接存在障礙。部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)為求新而求新，雜亂無(wú)章的堆積硬件的現(xiàn)象。因此，當(dāng)前亟須明確虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)規(guī)范。

（三）開放共享不足

由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)共享機(jī)制的不健全，平臺(tái)的管理制度不完善、知識(shí)產(chǎn)權(quán)的歸屬不明晰等原因，相當(dāng)一部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的共享范圍僅限于校內(nèi)，在國(guó)內(nèi)高校之間尚未形成暢通的共享渠道。各高校的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目必須依托高校校園網(wǎng)公共教學(xué)平臺(tái)，使虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目?jī)?yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)室資源得以開放共享和充分使用，通過建立相應(yīng)的激勵(lì)機(jī)制調(diào)動(dòng)各相關(guān)高校和單位參與共享的積極性。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可持續(xù)發(fā)展機(jī)制

如何實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的可持續(xù)發(fā)展直接影響今后我國(guó)高等教育實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量?？沙掷m(xù)發(fā)展的實(shí)現(xiàn)要有一個(gè)有效的管理體系。管理和決策能力的提高是可持續(xù)發(fā)展能力建設(shè)的重要內(nèi)容。綜合應(yīng)用各種手段，社會(huì)參與和有效的評(píng)價(jià)、反饋體系是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目可持續(xù)發(fā)展的必要保證。

（一）知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)

當(dāng)前中國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)入重要轉(zhuǎn)型期，隨著改革開放的深入發(fā)展，國(guó)內(nèi)外競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈。為了促進(jìn)國(guó)內(nèi)企業(yè)、高校和研究院所在激烈的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中持續(xù)創(chuàng)新，我國(guó)政府始終高度重視對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源是智力勞動(dòng)成果，具有明顯的知識(shí)所屬權(quán)。因此，當(dāng)前一方面應(yīng)逐步健全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的共享機(jī)制，另一方面也需要采取必要的措施，明確知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬，對(duì)其進(jìn)行知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，保護(hù)開發(fā)者的權(quán)益。

（二）持續(xù)的經(jīng)費(fèi)保障

虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)和發(fā)展均需要充足的經(jīng)費(fèi)。目前項(xiàng)目的建設(shè)經(jīng)費(fèi)主要來自高校、地方政府和教育部等部門。而今后項(xiàng)目的持續(xù)發(fā)展和完善則需要依賴資源的有償共享收入。

（三）社會(huì)參與

高等學(xué)校具有專業(yè)知識(shí)優(yōu)勢(shì)，但利用虛擬仿真技術(shù)方面不占優(yōu)勢(shì)。因此，需要制定校企合作的相關(guān)政策，建立相應(yīng)的激勵(lì)機(jī)制，有效地吸納社會(huì)資源?？梢酝ㄟ^校企合作共同研發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、企業(yè)為高校提供實(shí)際的技能培訓(xùn)、以虛擬仿真資源為依托培訓(xùn)企業(yè)技術(shù)人員以及通過收益合理分配，構(gòu)建利益共享，讓企業(yè)參與共享平臺(tái)的管理和升級(jí)4種合作方式開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)和維護(hù)。

（四）有效的評(píng)價(jià)和反饋體系

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的有效評(píng)價(jià)和反饋體系的建立具有兩方面的優(yōu)勢(shì)：（1）有利于突出優(yōu)質(zhì)資源?？诒己玫奶摂M仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源被越來越多的師生使用而口碑差的逐步被淘汰。（2）有利于資源的完善和改進(jìn)。通過評(píng)價(jià)體系，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目開發(fā)者可以依據(jù)師生反饋意見對(duì)資源進(jìn)行改進(jìn)，持續(xù)性的提升資源質(zhì)量。

四、結(jié)論和討論

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是網(wǎng)絡(luò)化和虛擬仿真技術(shù)催生、發(fā)展起來的一種全新的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)模式，對(duì)實(shí)體實(shí)驗(yàn)具有良好的補(bǔ)充作用。因此，開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)既是適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需要，也是深化教學(xué)改革提升辦學(xué)質(zhì)量的需要。隨著互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)信息技術(shù)以及“互聯(lián)網(wǎng)+教育”模式在國(guó)內(nèi)的快速發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為國(guó)內(nèi)工科院校培養(yǎng)大學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的重要手段。建立以實(shí)為主、虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)體系，彰顯虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)特色和提升學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力。為了滿足我國(guó)走新型工業(yè)化道路、建立創(chuàng)新型國(guó)際、提高國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的復(fù)合型人才。

目前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目?jī)H僅對(duì)實(shí)物和知識(shí)的虛擬仿真實(shí)現(xiàn)，對(duì)高校實(shí)驗(yàn)的程序化教學(xué)具有一定的幫助，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中不會(huì)出現(xiàn)其他意外結(jié)果。由于受軟硬件限制，尚不能對(duì)自然界中的不確定、不可控因素進(jìn)行有效模擬，無(wú)法對(duì)自然界中隨機(jī)產(chǎn)生和進(jìn)化的特征進(jìn)行模擬。隨著5G和AI等科學(xué)技術(shù)深入發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模擬水平必將逐步接近現(xiàn)實(shí)情況。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓文佳，楊桂花，陳嘉川.新工科背景下工科專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建與實(shí)踐[J].大學(xué)教育，2018（9）：61-63.

[2]李夢(mèng)如，奚鷹，于睿坤.探索虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在《機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)》課程中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2018，35（S2）：42-44.

[3]彭敬東，龔成斌，馬學(xué)兵.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在化學(xué)教學(xué)中的作用——以西南大學(xué)化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為例[J].西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，42（7）：193-196.

[4]教育部.精品視頻公開課及國(guó)家級(jí)精品資源共享課和國(guó)家精品在線開放課程名單[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xxgk/zdgk_sxml/sxmlgdjy/gdjy._jpgkk/jpspgkk_kcmd，2018-1-15.

[5]教育部辦公廳.教育部辦公廳關(guān)于開展2014年國(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[EB/OL].教高廳函（2014）30號(hào)，2014-8-22.

[6]教育部.教育部關(guān)于公布首批國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目認(rèn)定結(jié)果的通知[EB/OL].教高廳函（2018）6號(hào)，2018-6-5.

[7]王森，高東峰.在線開放虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的思考[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018，35（5）：115-118.

[8]狄海廷，董喜斌，李耀翔.高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的可持續(xù)發(fā)展機(jī)制研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018，35（5）：236-238.