虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

馮元　海鵬博　吳宏岐

摘 要：隨著科技手段的不斷提高，對(duì)于工科專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)室提出了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室這一創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式改革。本文將對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)特點(diǎn)、教學(xué)改革方式進(jìn)行詳細(xì)的討論闡述。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù);實(shí)驗(yàn)室;創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué);教學(xué)改革

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室概述

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是基于大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)編程等科技手段快速發(fā)展而產(chǎn)生的虛擬操作和測(cè)試的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室能夠?yàn)閷W(xué)生提供自主性和交互性的虛擬環(huán)境以此來實(shí)現(xiàn)開放性、高效性和經(jīng)濟(jì)性的實(shí)驗(yàn)空間。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是“加快教育信息化進(jìn)程”的重要載體之一。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可避免實(shí)驗(yàn)的干擾項(xiàng)達(dá)到實(shí)驗(yàn)效果的真實(shí)性。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室能夠有效避免實(shí)驗(yàn)過程中的毒物以及有害實(shí)驗(yàn)環(huán)境，確保實(shí)驗(yàn)的安全性。在較為復(fù)雜或是資源消耗嚴(yán)重的實(shí)驗(yàn)中，能夠最大限度的降低實(shí)驗(yàn)成本，從這些方面上來說，虛擬實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的就有很明顯的發(fā)現(xiàn)。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室教學(xué)作用

（一）提高仿真實(shí)驗(yàn)的還原性

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，使學(xué)生通過人機(jī)交互的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、將虛擬仿真技術(shù)、場(chǎng)景和軟件中的模擬現(xiàn)實(shí)情況來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將虛擬仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及各個(gè)專業(yè)的理論專業(yè)知識(shí)進(jìn)行多維度結(jié)合^[1]。實(shí)驗(yàn)過程可以通過視頻、圖片、圖表等形式來向?qū)W生還原實(shí)驗(yàn)過程，并記錄實(shí)驗(yàn)操作過程。能夠幫助學(xué)生在聽教師講解的過程中同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，達(dá)到理論知識(shí)學(xué)習(xí)同時(shí)進(jìn)行實(shí)踐操作的教學(xué)效果。

（二）高安全性和高創(chuàng)新性

在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，實(shí)驗(yàn)的安全性是一個(gè)難以控制的情況。如果學(xué)生不能夠熟悉實(shí)驗(yàn)操作的順序步驟，在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)操作性失誤，就會(huì)造成嚴(yán)重的危險(xiǎn)后果。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室能夠避免這一問題，在學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中，能夠確保學(xué)生的個(gè)人安全問題以及實(shí)驗(yàn)室器械損耗。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室虛擬化能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，在實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)于不同的因素變量進(jìn)行試驗(yàn)嘗試，以及對(duì)于自身所感興趣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在自由學(xué)習(xí)的環(huán)境中，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力與創(chuàng)新機(jī)會(huì)。

（三）緩解實(shí)驗(yàn)室教學(xué)資源

現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)器械不足、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地不足以及實(shí)驗(yàn)器械不能及時(shí)更新，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果不佳。經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)需要輪流分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)于理論知識(shí)實(shí)驗(yàn)不能進(jìn)行及時(shí)的實(shí)驗(yàn)練習(xí)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室能夠滿足每個(gè)學(xué)生不同的實(shí)驗(yàn)練習(xí)需求，在教師的指導(dǎo)之下，進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)練習(xí)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室能夠高度還原實(shí)驗(yàn)條件以及準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室也能夠有效的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，從而解決了現(xiàn)實(shí)情況中無法及時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的教學(xué)損失，緩解實(shí)驗(yàn)室教學(xué)資源緊張的情況。

（四）多學(xué)科交叉

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是基于互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及應(yīng)用而產(chǎn)生的。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室具有大數(shù)據(jù)的多學(xué)科、廣覆蓋的教學(xué)實(shí)驗(yàn)資料的特點(diǎn)?？梢詽M足學(xué)生對(duì)于本專業(yè)不同層次的知識(shí)需求，數(shù)據(jù)需要以及專業(yè)技術(shù)技能的訓(xùn)練。同樣，還可以滿足學(xué)生對(duì)于不同學(xué)科的實(shí)驗(yàn)成果借鑒，實(shí)驗(yàn)參數(shù)參考，以及跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室能夠有效提高學(xué)生的跨學(xué)科研究的實(shí)踐機(jī)會(huì)。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的多學(xué)科、廣覆蓋的資源數(shù)據(jù)庫，能夠?yàn)閷W(xué)生的研究學(xué)習(xí)提供巨大的幫助。學(xué)生自主進(jìn)行多學(xué)科交叉知識(shí)的學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)研究，能夠更好的培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新能力、以及復(fù)合型人才的特性。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)特點(diǎn)

（一）可擴(kuò)充性

在信息知識(shí)高速發(fā)展的時(shí)代，不同學(xué)科的創(chuàng)新性知識(shí)不斷涌現(xiàn)出來。因此，在學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)過程中，就需要對(duì)新知識(shí)進(jìn)行不同的實(shí)驗(yàn)研究與創(chuàng)新研究。不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要不同的試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)于試驗(yàn)器械也不盡相同，因此傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)就需要進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)備、精密儀器、試驗(yàn)臺(tái)搭建;造成了實(shí)驗(yàn)成本過高的事實(shí)。對(duì)于此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室能夠彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的更新成本較高的問題，對(duì)于最新的科技知識(shí)、實(shí)驗(yàn)成果等等，都能通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，模擬實(shí)驗(yàn)室。讓學(xué)生能夠?qū)τ诟鱾€(gè)學(xué)科的新知識(shí)及時(shí)的進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M;對(duì)于多學(xué)科的交叉實(shí)驗(yàn)也能夠無阻礙進(jìn)行，具有較強(qiáng)的可擴(kuò)充性。

（二）教學(xué)交流的流暢性

現(xiàn)代通訊技術(shù)的普及也能夠?qū)τ诮虒W(xué)效率有一定的幫助，最大程度上實(shí)現(xiàn)教學(xué)流暢性。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室可以通過線上教學(xué)指導(dǎo)幫助學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)，解決問題。對(duì)于學(xué)生在操作中的問題，可以直接在網(wǎng)絡(luò)上上傳實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等，對(duì)于自己遇到的問題能夠直接在線上提問教師。同時(shí)，線上提問還不僅限于學(xué)生自己的教師，同時(shí)還可以通過向不同專業(yè)領(lǐng)域的教師、同學(xué)們進(jìn)行提問，相互交流學(xué)習(xí)，極大程度上提高了學(xué)習(xí)的效率以及減少時(shí)間成本的浪費(fèi)。教師和學(xué)生都以通過移動(dòng)終端，在不同時(shí)間和環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)和交流討論學(xué)習(xí)。

（三）教學(xué)資源投資的節(jié)約

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室對(duì)于精密儀器的維護(hù)，實(shí)驗(yàn)材料的損耗以及對(duì)于新設(shè)備的投入，是高校工科專業(yè)的重要投資。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)是通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組建的一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室，因此相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行和維護(hù)成本就有了較為明顯的優(yōu)勢(shì)。這樣的教學(xué)資源利用能夠兼顧學(xué)生的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練機(jī)會(huì)與學(xué)校對(duì)于實(shí)驗(yàn)室的投資。虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)能夠達(dá)成現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室同樣的實(shí)驗(yàn)效果，同時(shí)能夠避免一定的實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)。教師可以通過學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)，增加試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，從而在進(jìn)入現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室中避免一些基礎(chǔ)性試驗(yàn)錯(cuò)誤，減少試驗(yàn)中的危險(xiǎn)行為和對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差損害實(shí)驗(yàn)設(shè)備而造成的實(shí)驗(yàn)室成本增加。

四、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

（一）創(chuàng)建共同的高校實(shí)驗(yàn)資源網(wǎng)絡(luò)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)前提是互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)，能夠擁有完善的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，是為學(xué)生提供真實(shí)有效的虛擬實(shí)驗(yàn)效果的前提。建立高效實(shí)驗(yàn)資源網(wǎng)絡(luò)，能夠更好地幫助計(jì)算機(jī)整合實(shí)驗(yàn)資源信息，能夠?yàn)閷W(xué)生提供更多的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于不同高校，在不同的專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)有不同的學(xué)術(shù)建樹，通過建立高校實(shí)驗(yàn)資源網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，能夠滿足學(xué)生不同的專業(yè)需求，更好的提高我國高校的教學(xué)水平。

（二）建立不同的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室和真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的共同作用下，達(dá)到更好的教學(xué)效果。一方面，在教學(xué)過程中加入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，能夠豐富教學(xué)方式;另一方面，教師通過教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，讓實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源合理化使用。教師可以通過教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行分配。學(xué)生可以先通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的模擬練習(xí)，掌握實(shí)驗(yàn)過程的實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)過程以及實(shí)驗(yàn)中的問題。通過學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)感受，教師可以對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行靈活性調(diào)整，進(jìn)而提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣。再學(xué)生進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)和教師對(duì)于理論知識(shí)講述后，可以進(jìn)入真實(shí)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)操。

（三）組建完善的師資團(tuán)隊(duì)

完善的教師團(tuán)隊(duì)能夠幫助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室更好更快得在高校中得以有效的應(yīng)用。教師可以通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，進(jìn)行創(chuàng)新研究實(shí)驗(yàn)等。高校應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)教師團(tuán)隊(duì)發(fā)揮教師團(tuán)隊(duì)的優(yōu)勢(shì)，開展更多新鮮的、高端的實(shí)驗(yàn)展示。并且，在高校之間可以進(jìn)行學(xué)術(shù)交流，學(xué)術(shù)溝通，為學(xué)生提供更多的參與我國高精尖技術(shù)實(shí)驗(yàn)研發(fā)的機(jī)會(huì)與觀摩學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。同時(shí)能夠利用這個(gè)平臺(tái)，為教師們的實(shí)驗(yàn)成果轉(zhuǎn)變成優(yōu)秀的線上實(shí)驗(yàn)課程，極大的利用教學(xué)資源。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是在科技不斷發(fā)展的過程中衍生而出的科學(xué)的學(xué)習(xí)方式之一，能夠?yàn)楝F(xiàn)代教學(xué)提供更多的有效的便利條件。但是，也需要高校以及教師們科學(xué)合理的進(jìn)行應(yīng)用，并不斷發(fā)現(xiàn)這其中的問題，加以改善。

參考文獻(xiàn)

[1] 張任平.基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索[J].教育教學(xué)論壇，2017（11）：273-274.