面向混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)與教學(xué)研究

張 望

(大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧大連，116026)

一、前言

“雙一流”建設(shè)是推動(dòng)我國(guó)邁向高等教育強(qiáng)國(guó)的重要舉措，一流大學(xué)需要一流學(xué)科作為支撐，一流學(xué)科需要一流本科課程作為基礎(chǔ)。針對(duì)2017—2020年示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)情況，教育部辦公廳發(fā)布的相關(guān)通知指出，到2020年認(rèn)定1000項(xiàng)左右的示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化作為高等教育系統(tǒng)性變革的內(nèi)生變量。[1]在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系、教學(xué)方法的改革中，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目發(fā)揮了極其關(guān)鍵的引領(lǐng)作用，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)代表了現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的新方向。

大連海事大學(xué)(以下簡(jiǎn)稱我校)以“造就業(yè)界精英、社會(huì)棟梁，服務(wù)國(guó)家海運(yùn)強(qiáng)國(guó)、海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)”為使命，致力于培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神、健全人格、開(kāi)發(fā)潛質(zhì)、豐富知識(shí)、健康體魄、實(shí)踐能力，又同時(shí)兼具國(guó)際視野、社會(huì)責(zé)任、民族精神、海洋意識(shí)的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才。[2]在創(chuàng)新型工程人才培養(yǎng)工作中，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)已被視為一個(gè)直接關(guān)系到畢業(yè)生能力水平的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量、質(zhì)量及實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的不足在很大程度上制約了教學(xué)活動(dòng)的開(kāi)展。同時(shí)，在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，共享程度低下、師生溝通不暢、信息傳遞滯后等問(wèn)題都影響了培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。隨著虛擬仿真技術(shù)的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的高校開(kāi)始利用此項(xiàng)技術(shù)解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的各種局限性與不足之處。[3]

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的意義

虛擬仿真又稱為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，其能夠利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成逼真的數(shù)字化虛擬環(huán)境，使得用戶更為自然地操縱虛擬設(shè)備，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自由活動(dòng)與探索行為，并通過(guò)置身于虛擬世界而獲得相應(yīng)的真實(shí)體驗(yàn)與感受。[4]作為一種利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)展的開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)手段，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)要想實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備、項(xiàng)目的虛擬化、數(shù)字化，離不開(kāi)完備的技術(shù)基礎(chǔ)，即虛擬現(xiàn)實(shí)、網(wǎng)絡(luò)通信、多媒體、人機(jī)交互等技術(shù)的支持。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)充分利用了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，如計(jì)算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)、新媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等，通過(guò)對(duì)圖像、動(dòng)畫(huà)等信息處理技術(shù)，以及模型構(gòu)建與可視化渲染等，營(yíng)造了一個(gè)可實(shí)時(shí)交互的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，利用多模態(tài)的內(nèi)容表征與情景環(huán)境幫助學(xué)生進(jìn)行高效深入地學(xué)習(xí)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠提供一個(gè)具有物理環(huán)境和行為真實(shí)感知的虛擬實(shí)踐空間，為學(xué)生創(chuàng)建一個(gè)經(jīng)濟(jì)便捷、安全可靠的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生能夠在類似真實(shí)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)境中體驗(yàn)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的解決過(guò)程，讓學(xué)生得以親身嘗試和探索。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所受到的時(shí)間、場(chǎng)地等的限制，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)踐平臺(tái)的短板。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)拓展了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)方式，能夠更好地滿足學(xué)生對(duì)知識(shí)的驗(yàn)證、強(qiáng)化、創(chuàng)新等多方面的需求。

三、混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的建設(shè)要點(diǎn)

混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系需要真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的共同支撐，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置應(yīng)以“能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合”為導(dǎo)向，特別是實(shí)現(xiàn)難度較大的科研成果及工程問(wèn)題向虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的轉(zhuǎn)化。[5]在現(xiàn)有先進(jìn)技術(shù)與設(shè)備的基礎(chǔ)上，高校結(jié)合教研成果進(jìn)一步研發(fā)內(nèi)容與形式更加多樣化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提供具有工程實(shí)踐氛圍的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，為學(xué)生進(jìn)一步掌握、運(yùn)用科研方法，探索、研發(fā)工程創(chuàng)新項(xiàng)目提供條件，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，促進(jìn)工程創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。高校通過(guò)建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，可以促進(jìn)學(xué)科專業(yè)與信息化技術(shù)的高度融合，在原有專業(yè)知識(shí)教學(xué)體系和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)成“虛實(shí)互補(bǔ)、以虛促實(shí)”的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系。

同時(shí)，高校還應(yīng)通過(guò)完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行的保障措施，將原有的真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備與虛擬平臺(tái)進(jìn)行融合，將傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)合在一起；通過(guò)建立資源共享系統(tǒng)以促進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室資源開(kāi)放共享，滿足開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)任務(wù)需求和開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室管理需求；通過(guò)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)師資隊(duì)伍建設(shè)和引入適當(dāng)?shù)募?lì)措施，吸引更多有能力的教師參與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)。[6]實(shí)驗(yàn)教師參與度的提高能夠促使其進(jìn)一步發(fā)掘現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)開(kāi)展過(guò)程中存在的問(wèn)題與不足，并進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化與調(diào)整，以此改進(jìn)過(guò)去不合理的教學(xué)方式，提高知識(shí)轉(zhuǎn)化的效率和效果。

此外，高校還需建立新型校企合作模式，增進(jìn)與有關(guān)企業(yè)之間的交流與合作，結(jié)合雙方長(zhǎng)處開(kāi)發(fā)優(yōu)質(zhì)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。一方面，對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)自身來(lái)說(shuō)，校企間的資源合作能夠在很大程度上提高虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的數(shù)量和質(zhì)量。另一方面，校企間的技術(shù)合作也有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，培養(yǎng)兼具專業(yè)知識(shí)與實(shí)踐技能的高質(zhì)量人才，以應(yīng)對(duì)科技創(chuàng)新競(jìng)賽和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)過(guò)程中可能遇到的多方面挑戰(zhàn)。

四、混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施方案

(一)根據(jù)教學(xué)需要開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

根據(jù)光電信息科學(xué)與工程專業(yè)必修課程光電檢測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)的線上線下混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，我校信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院(以下簡(jiǎn)稱我院)專業(yè)實(shí)驗(yàn)中心與相關(guān)企業(yè)合作開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)通過(guò)虛實(shí)結(jié)合的方式逼真地模擬出所需的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，仿真效果更接近于工業(yè)生產(chǎn)中苛刻的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，特別是圖像采集過(guò)程的仿真效果已超出了真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備所能提供的實(shí)驗(yàn)條件。該平臺(tái)還能定量模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中多種因素產(chǎn)生的不同影響，進(jìn)而通過(guò)逐漸增加各種因素的影響效果，循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生挑戰(zhàn)更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，從而順利完成真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備上的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。與此同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也為新冠肺炎疫情期間的線上教學(xué)提供了重要的技術(shù)支撐。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠提供光電檢測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)所包含的全部5個(gè)題目所涉及的仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，并可通過(guò)設(shè)定參數(shù)調(diào)整場(chǎng)景內(nèi)目標(biāo)物的特征。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不但可以提供USB攝像頭采集圖像過(guò)程中可能涉及的曝光、顏色、噪聲、透視、角度等變化仿真，而且能夠通過(guò)模擬串口接收MATLAB軟件回傳的圖像分析結(jié)果，并根據(jù)仿真場(chǎng)景檢驗(yàn)圖像分析結(jié)果的正確性。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的相關(guān)功能是對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能的補(bǔ)充和延伸，對(duì)提高教學(xué)效果大有裨益。

(二)基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)試點(diǎn)

借助“雨課堂”直播平臺(tái)開(kāi)展的線上和線下互動(dòng)教學(xué)試點(diǎn)，打破了光電檢測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)以往的教學(xué)模式，為多種新穎教學(xué)手段的應(yīng)用提供了條件。我院專業(yè)實(shí)驗(yàn)中心特別邀請(qǐng)了行業(yè)專家共同參與教學(xué)，為學(xué)生講解課程設(shè)計(jì)題目在工業(yè)中應(yīng)用的背景知識(shí)，介紹虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各部分功能與線下課程所用實(shí)驗(yàn)設(shè)備的對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體演示使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成課程設(shè)計(jì)的交互性操作步驟。行業(yè)專家不但隨時(shí)在微信群里對(duì)學(xué)生在課上產(chǎn)生的疑問(wèn)進(jìn)行解答，而且還不定期地通過(guò)ZOOM視頻會(huì)議對(duì)學(xué)生提出的復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行線上指導(dǎo)。

參與教學(xué)試點(diǎn)的各位教師還特別關(guān)注學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展需要，圍繞“培養(yǎng)創(chuàng)新型工程人才”的目標(biāo)開(kāi)展相關(guān)課程與項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。如此一來(lái)，教學(xué)內(nèi)容既保留了原有教學(xué)體系的優(yōu)點(diǎn)，又吸收了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的長(zhǎng)處，將兩者進(jìn)行充分、深入地融合。教學(xué)重點(diǎn)不再限于提升學(xué)生知識(shí)的系統(tǒng)性，還在此基礎(chǔ)上促進(jìn)了多學(xué)科之間的滲透，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力為主，構(gòu)建多學(xué)科交叉、多層次融合的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系。

(三)通過(guò)完善制度保障平臺(tái)運(yùn)行

我院專業(yè)實(shí)驗(yàn)中心通過(guò)完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相關(guān)規(guī)章制度，積極發(fā)揮其在實(shí)驗(yàn)室科學(xué)化、規(guī)范化、制度化運(yùn)行上起到的引導(dǎo)作用。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方式與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式有著較大差別，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師在完成原有實(shí)驗(yàn)工作的基礎(chǔ)上，還要進(jìn)一步滿足學(xué)生在不同時(shí)段的自主實(shí)驗(yàn)實(shí)踐需求。為此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)必須建立安全準(zhǔn)入制度，對(duì)登錄平臺(tái)的學(xué)生進(jìn)行必要的網(wǎng)絡(luò)安全和操作規(guī)范培訓(xùn)，以此保障平臺(tái)的平穩(wěn)運(yùn)行。

在保證虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，我院專業(yè)實(shí)驗(yàn)中心還積極組織教師探索促進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與真實(shí)設(shè)備的整合方法，做到虛實(shí)結(jié)合、取長(zhǎng)補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備能夠使學(xué)生置身真實(shí)情境，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為真實(shí)設(shè)備的補(bǔ)充和延伸，其優(yōu)勢(shì)在于能通過(guò)虛擬的方式創(chuàng)造傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中無(wú)法提供的真實(shí)工業(yè)環(huán)境，使學(xué)生更加立體地感知實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而帶動(dòng)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)模式的創(chuàng)新。

(四)通過(guò)建設(shè)隊(duì)伍促進(jìn)平臺(tái)發(fā)展

我院專業(yè)實(shí)驗(yàn)中心特別關(guān)注實(shí)驗(yàn)教師專業(yè)知識(shí)提升與業(yè)務(wù)能力的培養(yǎng)，通過(guò)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)師資隊(duì)伍建設(shè)，吸引更多有能力的教師參與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)?；旌鲜綄?shí)驗(yàn)教學(xué)中的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有更高的專業(yè)性要求，一方面要求教師具有扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，另一方面也需要教師廣泛了解相關(guān)工程知識(shí)和信息技術(shù)，并能夠在教學(xué)過(guò)程中不斷地改進(jìn)授課方式，彌補(bǔ)現(xiàn)有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的缺陷，不斷地提高授課質(zhì)量。

為此，我院專業(yè)實(shí)驗(yàn)中心充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍“傳幫帶”的優(yōu)秀傳統(tǒng)，為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)提供進(jìn)一步可持續(xù)發(fā)展的保障。尤其是針對(duì)實(shí)驗(yàn)教師中的中青年群體，我院專業(yè)實(shí)驗(yàn)中心通過(guò)適當(dāng)?shù)莫?jiǎng)勵(lì)政策促進(jìn)其積極參加相關(guān)培訓(xùn)活動(dòng)，把握好每一次合作、交流、切磋的機(jī)會(huì)，共享學(xué)習(xí)資源，相互學(xué)習(xí)借鑒虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的經(jīng)驗(yàn)。

(五)通過(guò)合作共建提高平臺(tái)效能

我院專業(yè)實(shí)驗(yàn)中心還積極推進(jìn)學(xué)校與相關(guān)企業(yè)之間的交流與合作，結(jié)合雙方的優(yōu)勢(shì)資源和特色技術(shù)共同開(kāi)發(fā)優(yōu)質(zhì)的虛擬仿真軟件，不但注重增加實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)資源的數(shù)量，而且注重提升虛擬仿真軟件的質(zhì)量。我院專業(yè)實(shí)驗(yàn)中心與企業(yè)通過(guò)共建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程等方式，推動(dòng)雙方交流與合作的持續(xù)加深，進(jìn)一步構(gòu)建雙方互利互惠的合作機(jī)制。

此外，我院專業(yè)實(shí)驗(yàn)中心還邀請(qǐng)行業(yè)專家與學(xué)生共同討論工程案例，引導(dǎo)學(xué)生提出問(wèn)題并找出解決問(wèn)題的具體途徑，促使學(xué)生熟練掌握專業(yè)技能和工程實(shí)踐方法。我校各專業(yè)實(shí)驗(yàn)室也相應(yīng)地加大虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)放力度，為培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和科技創(chuàng)新意識(shí)提供演練平臺(tái)，進(jìn)而助力在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等活動(dòng)中開(kāi)展創(chuàng)新性工作。

五、總結(jié)

面向混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為建設(shè)“虛實(shí)互補(bǔ)、以虛促實(shí)”的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)新體系提供了重要支撐。虛實(shí)結(jié)合的方式能夠逼真地模擬所需的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能的補(bǔ)充和延伸，從而循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生挑戰(zhàn)更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)而順利完成真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備上的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在實(shí)施混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程中，高?？梢越柚喾N新穎的教學(xué)手段構(gòu)建多學(xué)科交叉、多層次融合的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系。此外高校還應(yīng)重視虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相關(guān)規(guī)章制度的健全與完善，關(guān)注實(shí)驗(yàn)教師業(yè)務(wù)能力的提升，加強(qiáng)和企業(yè)的交流與合作，逐漸形成持續(xù)改進(jìn)的良好發(fā)展態(tài)勢(shì)。