虛擬仿真技術(shù)對(duì)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索*

王嘉晨，劉 璐，王小鋒，劉光祥，李明海

(1 南京曉莊學(xué)院環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 211171；2 南京師范大學(xué)化學(xué)材料學(xué)院，江蘇 南京 210012)

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，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物[1]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果[2]。

南京曉莊學(xué)院環(huán)境科學(xué)學(xué)院基于以成果為導(dǎo)向的OBE理念，采用虛擬仿真技術(shù)建設(shè)以一系列化學(xué)化工虛擬仿真教學(xué)軟件為基礎(chǔ)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室[3]。本文以其中恒壓過(guò)濾試驗(yàn)系統(tǒng)軟件平臺(tái)為例，探討虛擬仿真實(shí)驗(yàn)給實(shí)際教學(xué)帶來(lái)的改變。

1 虛擬仿真技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

在傳統(tǒng)的化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在著一些問(wèn)題，例如學(xué)校準(zhǔn)備的實(shí)驗(yàn)器材不夠齊全，不能很好地滿足實(shí)驗(yàn)的需求；由于學(xué)校的管理制度和維護(hù)的方法還不夠健全，造成實(shí)驗(yàn)儀器的大量損壞，使得很多器材無(wú)法重復(fù)使用；很多化工實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備為模擬運(yùn)行設(shè)備，無(wú)法真實(shí)按照實(shí)際生產(chǎn)模式運(yùn)行[4]。另外，學(xué)生不具備較為全面的化學(xué)素養(yǎng)，不能夠預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的突發(fā)情況。虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)的教學(xué)軟件一次發(fā)布、隨時(shí)隨地運(yùn)行，結(jié)合3D建模技術(shù)可完美展現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式，可解決上述諸多問(wèn)題[5]。

1.1 解決設(shè)備問(wèn)題開(kāi)展創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)

以化工專業(yè)普遍開(kāi)設(shè)的課程《化工原理實(shí)驗(yàn)》為例，涉及大量化工設(shè)備工作原理的課程，包含大量的操作實(shí)驗(yàn)，單靠課堂講解和PPT輔助教學(xué)，很難讓學(xué)生徹底掌握設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，而通過(guò)虛擬仿真技術(shù)可將閥門、調(diào)節(jié)器、泵等直觀展現(xiàn)在學(xué)生面前[6]。利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室可有效開(kāi)展各種化工原理仿真實(shí)驗(yàn)，不僅可以提高實(shí)驗(yàn)效率，降低實(shí)驗(yàn)成本。

1.2 節(jié)約資源實(shí)現(xiàn)綠色實(shí)驗(yàn)教學(xué)

開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)教育可有效地節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，使得實(shí)驗(yàn)課程更小程度的受課時(shí)和實(shí)驗(yàn)室空間的限制。在實(shí)際的化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，常常會(huì)產(chǎn)生一些實(shí)驗(yàn)廢液、垃圾等，對(duì)于后期的處理成本高且不可避免的對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較大的污染，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有效地解決了這些問(wèn)題[7]。同時(shí)有利于個(gè)性化教學(xué)的實(shí)現(xiàn)且規(guī)避了在實(shí)驗(yàn)室中的各種安全隱患。

1.3 以O(shè)BE理念改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)

OBE理念強(qiáng)調(diào)以成果為導(dǎo)向，我們通過(guò)以虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)的教學(xué)軟件中將平面紙質(zhì)的知識(shí)點(diǎn)以可交互的方式呈現(xiàn)，學(xué)生對(duì)本次實(shí)驗(yàn)需要取得的學(xué)習(xí)成果一目了然。通過(guò)知識(shí)點(diǎn)與技能拓展相結(jié)合，學(xué)生可以了解到每個(gè)知識(shí)點(diǎn)細(xì)節(jié)在實(shí)際應(yīng)用中的作用。通過(guò)不斷練習(xí)、仿真操作和測(cè)試來(lái)幫助學(xué)生取得這些學(xué)習(xí)成果，通過(guò)虛擬仿真操作考核、實(shí)驗(yàn)報(bào)告來(lái)知道學(xué)生是否已經(jīng)取得這些學(xué)習(xí)成果[8]。

2 以恒壓過(guò)濾常數(shù)實(shí)驗(yàn)為例在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革應(yīng)用

2.1 恒壓過(guò)濾常數(shù)測(cè)定虛擬仿真軟件

恒壓過(guò)濾教學(xué)系統(tǒng)可以分為四大模塊：實(shí)驗(yàn)講解模塊、恒壓過(guò)濾操作模塊、預(yù)習(xí)和自測(cè)記錄模塊及實(shí)驗(yàn)考試模塊。

實(shí)驗(yàn)講解模塊：在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，可以預(yù)先展示實(shí)驗(yàn)儀器的各個(gè)零部件如圖1所示，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)講解界面后包含了壓力儲(chǔ)槽加料、壓力儲(chǔ)槽通壓縮空氣、板框壓濾機(jī)工作原理、濾板濾框?yàn)V布組裝、配料槽通壓縮空氣五個(gè)視頻講解如圖2所示。通過(guò)視頻講解學(xué)生可熟悉板框過(guò)濾機(jī)的構(gòu)造和操作方式。

圖1 實(shí)驗(yàn)儀器零部件模型圖

圖2 實(shí)驗(yàn)流程講解圖

恒壓過(guò)濾模擬操作模塊：進(jìn)入實(shí)驗(yàn)操作界面，使用者可以在仿真設(shè)備上按照實(shí)驗(yàn)順序進(jìn)行動(dòng)手操作，操作過(guò)程正確完成后，系統(tǒng)可以根據(jù)仿真函數(shù)出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后所采集到的模擬數(shù)據(jù)如表1所示，進(jìn)行兩組試驗(yàn)后，學(xué)生們可以利用所學(xué)公式進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。通過(guò)多組平行仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)會(huì)測(cè)定過(guò)濾常數(shù)K、qe、τe及濾餅壓縮性指數(shù)S的方法，了解操作壓力對(duì)過(guò)濾速度的影響[8]。

表1 模擬數(shù)據(jù)采集列表

預(yù)習(xí)和自測(cè)記錄模塊：學(xué)生可以通過(guò)此模塊進(jìn)行恒壓過(guò)濾常數(shù)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)內(nèi)容預(yù)習(xí)，對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。教師可以登錄管理系統(tǒng)，進(jìn)入預(yù)習(xí)、自測(cè)記錄界面如圖3所示，可以查詢到學(xué)生的預(yù)習(xí)、自測(cè)的記錄和回放，打分后可作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程的平時(shí)成績(jī)，而學(xué)生登錄平臺(tái)可以看到自己的預(yù)習(xí)自測(cè)情況。

圖3 操作自測(cè)界面

實(shí)驗(yàn)考試模塊：學(xué)生登錄虛擬仿真系統(tǒng)，可以進(jìn)行在線操作仿真考試如圖4所示，系統(tǒng)可以對(duì)學(xué)生的操作進(jìn)行過(guò)程記錄，自動(dòng)判分?？荚囘^(guò)程中，系統(tǒng)有時(shí)間提醒，到達(dá)交卷時(shí)間，系統(tǒng)自動(dòng)交卷；考試結(jié)束后，學(xué)生可以調(diào)取自己的考試過(guò)程，回看整個(gè)操作過(guò)程，最終達(dá)到熟練正確完成恒壓過(guò)濾常數(shù)的測(cè)定。

圖4 仿真考試界面

2.2 虛擬仿真教學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的促進(jìn)意義

以O(shè)BE理念進(jìn)行課程改革的過(guò)程中，教師須明確以成果導(dǎo)向的理念如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施，通過(guò)教學(xué)解決四個(gè)核心問(wèn)題：是什么、為什么、如何幫助及如何知道，使教學(xué)內(nèi)容最終轉(zhuǎn)化為學(xué)生技能[9]。

2.2.1 優(yōu)化教學(xué)方法

在化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)，簡(jiǎn)單的授課以及多媒體輔助教學(xué)顯得抽象，學(xué)生很難直觀的了解實(shí)驗(yàn)的儀器構(gòu)造、過(guò)程、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等，真實(shí)實(shí)驗(yàn)出錯(cuò)后會(huì)造成儀器損壞、試劑浪費(fèi)等。而虛擬仿真技術(shù)利用了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)創(chuàng)建一個(gè)可視化的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境，通過(guò)操作這些虛擬的實(shí)驗(yàn)儀器或設(shè)備來(lái)反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。教師教學(xué)中可通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的三維模型講解，提高實(shí)驗(yàn)中的知識(shí)點(diǎn)的直觀性和形象性，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。

2.2.2 創(chuàng)建新型教師隊(duì)伍

結(jié)合虛擬仿真技術(shù)的新型實(shí)驗(yàn)課程，教師可以將知識(shí)點(diǎn)通過(guò)語(yǔ)音、視頻、文字等多維度展現(xiàn)給學(xué)生。教研室中教師可以一起對(duì)仿真模型進(jìn)行探討，結(jié)合以人才培養(yǎng)為模式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)，可以隨時(shí)利用仿真教學(xué)軟件進(jìn)行教學(xué)的研究，以恒壓過(guò)濾參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)為模板創(chuàng)建更多的虛擬仿真教學(xué)軟件應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不斷創(chuàng)新，與時(shí)俱進(jìn)，促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)新人才培養(yǎng)[10]。

2.2.3 構(gòu)建多維度測(cè)評(píng)

新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式對(duì)學(xué)生而言提出了全新的要求，在對(duì)學(xué)習(xí)成果的評(píng)價(jià)方面更是需要從多個(gè)維度評(píng)判。以虛擬現(xiàn)實(shí)恒壓過(guò)濾實(shí)驗(yàn)為例，考查方式可以有在線理論考試、仿真操作考試以及真實(shí)操作考試。理論考試在南京曉莊學(xué)院在線培訓(xùn)與考試系統(tǒng)里面進(jìn)行，虛擬現(xiàn)實(shí)考試在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)里面進(jìn)行。

2.2.4 對(duì)OBE模式人才培養(yǎng)的促進(jìn)

提高創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，對(duì)其的評(píng)價(jià)方式就要進(jìn)行創(chuàng)城，不能單單只借助于傳統(tǒng)的閉卷考試，要結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)的線上學(xué)習(xí)和模擬操作能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高校化工類專業(yè)課程教學(xué)效果的有效提升，培養(yǎng)出綜合素質(zhì)較高的復(fù)合型人才。

2.3 虛擬仿真教學(xué)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)效果

圖5 學(xué)生實(shí)驗(yàn)考查結(jié)果對(duì)比圖

為了驗(yàn)證虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用效果，我們選取了我校2018級(jí)化學(xué)一個(gè)班級(jí)的60位學(xué)生分成2組(1號(hào)組僅使用實(shí)驗(yàn)教材，2號(hào)組結(jié)合使用本仿真軟件號(hào)組)，采用學(xué)校的考試平臺(tái)進(jìn)行隨機(jī)組題進(jìn)行恒壓過(guò)濾實(shí)驗(yàn)的教學(xué)評(píng)估，分別從課前預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作計(jì)時(shí)以及最終學(xué)習(xí)效果三個(gè)維度進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看到通過(guò)仿真操作訓(xùn)練的2組良好和優(yōu)秀率明顯較1號(hào)組要高，掌握知識(shí)技能完成度要好。在評(píng)價(jià)完成后，我們通過(guò)仿真軟件的反饋功能收集學(xué)生對(duì)于軟件操作、軟件知識(shí)內(nèi)容、與實(shí)驗(yàn)課程銜接等各方面的建議，進(jìn)一步優(yōu)化仿真軟件功能。

3 結(jié) 語(yǔ)

我們利用虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，彌補(bǔ)了實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作中危險(xiǎn)性高、重金屬有機(jī)物污染環(huán)境、儀器藥品價(jià)格昂貴等不足，同時(shí)也為化學(xué)化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)提供了全新的教學(xué)模式。利用互聯(lián)網(wǎng)的便利，每位學(xué)生可以隨時(shí)隨地操作實(shí)驗(yàn)，更加直觀地掌握實(shí)驗(yàn)的具體流程，提高實(shí)踐操作能力，同時(shí)與時(shí)俱進(jìn)掌握走在科技前端的虛擬仿真技術(shù)，在日后的工作求職占據(jù)了一定的優(yōu)勢(shì)。

和多媒體教學(xué)一樣，虛擬仿真技術(shù)的引入是為了有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的一些問(wèn)題。但客觀來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)仿真操作和實(shí)際操作儀器設(shè)備還是存在很大差距，VR技術(shù)只是提高了學(xué)生對(duì)實(shí)踐技能的掌握和應(yīng)用，并不能完全代替實(shí)際操作所帶來(lái)的效果[7]。但隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)是大勢(shì)所趨，是順應(yīng)科技發(fā)展的潮流。教師如將仿真軟件與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合應(yīng)用于日常教學(xué)，必將會(huì)大大改善教學(xué)質(zhì)量，全面提升教學(xué)效果和改革教育教學(xué)模式。