虛擬仿真實驗室的建設(shè)與實驗教學(xué)的改革

張云峰 宋英

摘要：虛擬仿真實驗室是真實實驗室的有效延伸，對實驗教學(xué)改革具有十分重要的作用。目前，學(xué)校正逐步通過信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將全新的教育教學(xué)理念變成現(xiàn)實，構(gòu)建一個個體系完備的虛擬仿真實驗室，這對提高實驗教學(xué)效果、培養(yǎng)高素質(zhì)人才隊伍具有重要影響。本文對虛擬仿真實驗室建設(shè)過程中的指導(dǎo)思想及其主要內(nèi)容進行了有效梳理，并提出實驗教學(xué)改革的主要策略。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實驗室;試驗教學(xué);改革

隨著虛擬實驗技術(shù)的發(fā)展，自主性、探究性教學(xué)理念逐漸得以推廣，越來越多的人意識到虛擬仿真實驗室在教育中的作用與價值，虛擬仿真實驗室不僅可有效推動教師的科研工作，還可提高試驗教學(xué)的效率，并使試驗器具在短時間內(nèi)得到有效維護。近年來，為滿足科研及教學(xué)的需要，越來越多的學(xué)校建立了較有針對性的虛擬仿真實驗室，以期推動實驗教學(xué)改革，從而拓寬虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用范疇。

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》明確規(guī)定，學(xué)校要積極利用信息技術(shù)的優(yōu)勢，加快建設(shè)虛擬仿真實驗室的建設(shè)，推動教育信息化與試驗教學(xué)改革。教育部也明確提出，高級高校要積極建設(shè)實驗室與實訓(xùn)基地，構(gòu)筑實踐教學(xué)共享平臺，提高實驗教學(xué)水平，提升人才培養(yǎng)的質(zhì)量與層次。另外，《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》也指出，高等教育要積極與信息技術(shù)尋求融合，將大量的網(wǎng)絡(luò)資源整合成可利用的教學(xué)資源，并形成虛擬仿真實驗室建設(shè)的相關(guān)經(jīng)驗，推動信息化平臺的發(fā)展與構(gòu)建。

一、虛擬仿真實驗室的建設(shè)

（一）指導(dǎo)思想

虛擬仿真實驗室是高等教育信息化建設(shè)的重要組成部分。在信息化的倡導(dǎo)下，學(xué)校的教育教學(xué)改革逐漸向信息化推進，而虛擬仿真試驗室的建立與完善就是教育信息化的重要舉措。另外，虛擬仿真實驗室建設(shè)也是實驗教學(xué)的重要內(nèi)容。虛擬仿真實驗室為實驗教學(xué)注入了新的活力與內(nèi)容，對啟發(fā)式教學(xué)的推進具有十分重要的作用與意義，且能實現(xiàn)虛實結(jié)合的目的，有利于將真實的運行環(huán)境附加于虛擬的網(wǎng)絡(luò)中，便于提升實驗教學(xué)的效率。

虛擬仿真實驗室的建設(shè)要與不斷發(fā)展的信息技術(shù)相結(jié)合，遵循教育教學(xué)的普遍規(guī)律，并充分考慮學(xué)科的發(fā)展特點與要求，從而實現(xiàn)資源貢獻、持續(xù)發(fā)展的教育教學(xué)理想。虛擬仿真試驗室要堅持科學(xué)規(guī)劃的原則，充分考慮師生的主動性與創(chuàng)造性，使之主動參與教育教學(xué)，從而推動學(xué)校、學(xué)科、專業(yè)的發(fā)展;堅持資源共享的原則，推動構(gòu)建良性互補的教育教學(xué)機制，健全實驗教學(xué)資源，讓所有學(xué)生都參與使用，形成合理的有償循環(huán)模式;堅持重點突出的原則，大力推動實驗教學(xué)的支持服務(wù)，兼顧運行平臺、教學(xué)隊伍及管理機制的完善，提高學(xué)生參與實驗教學(xué)的主動性與積極性;堅持效益優(yōu)先、兼顧社會效益的原則，全面提升實驗室資源的使用效率，推動高校實驗教學(xué)的創(chuàng)新與改革，提升高校教育教學(xué)的質(zhì)量。

（二）任務(wù)與內(nèi)容

一是了解虛擬仿真實驗室的特征。虛擬仿真實驗室是信息化技術(shù)背景下的虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等為一體的虛實環(huán)境。一旦構(gòu)筑了較高仿真度的虛擬實驗環(huán)境，學(xué)生就可在相對預(yù)定的環(huán)境中開展各種實驗，并獲得較高的技能與技術(shù)。這種實驗室是在教學(xué)大綱的前提下建立起來的，對實驗教學(xué)具有積極的推動作用。

二是進一步界定虛擬仿真實驗室的功能。虛擬仿真實驗室的出現(xiàn)并不意味著取消實體實驗室，相反，我們要充分利用虛擬仿真實驗室來完成真實實驗室所不具備的教學(xué)功能。虛擬仿真實驗室可在高危與極端環(huán)境、不可操作、高成本與高消耗、綜合實訓(xùn)中提供可靠的實驗項目，從而拓寬實驗領(lǐng)域，提高教學(xué)能力與學(xué)習(xí)能力。

三是積極推動構(gòu)建相對完善的虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容。將虛擬仿真實驗教學(xué)資源、教學(xué)管理與共享平臺、管理隊伍、管理體系等四個方面結(jié)合起來，實現(xiàn)軟件共享、儀器共享與遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)二次開發(fā)與建設(shè);積極引入企業(yè)，讓有實力的企業(yè)參與開發(fā)與服務(wù)，將資源開發(fā)、管理與更新結(jié)合起來，推動實驗教學(xué)的發(fā)展;積極加強隊伍管理，注重績效考核，實現(xiàn)資源開放、共享。

二、實驗教學(xué)的改革

（一）轉(zhuǎn)變教師角色

虛擬仿真實驗室的建立標(biāo)志著教師的角色開始發(fā)生轉(zhuǎn)變，學(xué)生主體、教師主導(dǎo)的啟發(fā)式教學(xué)模式基本形成。一方面，虛擬仿真試驗室構(gòu)筑了相對虛擬的試驗環(huán)境，教師要從知識的傳授者轉(zhuǎn)變成為教學(xué)的設(shè)計者與輔導(dǎo)者。另一方面，在具體的教育教學(xué)過程中，教師還要根據(jù)學(xué)習(xí)任務(wù)與內(nèi)容的不同，幫助學(xué)生適當(dāng)修訂實驗環(huán)境，實現(xiàn)“先學(xué)后教”“先練后講”，推動構(gòu)建學(xué)生自定步調(diào)、教師異步指導(dǎo)的教育教學(xué)模式，將學(xué)生培養(yǎng)成為自主、能動與創(chuàng)造為一體的社會主體。

（二）完善實驗?zāi)Ｊ?/p>

虛擬仿真實驗室的實驗可設(shè)定為三種基本模式，分別是演示模式、練習(xí)模式和考試模式，學(xué)生可根據(jù)需要，將這三種模式進行組合，衍生出滿足不同需求的實驗?zāi)Ｊ?。在演示模式中，學(xué)生科了解虛擬實驗的內(nèi)容和實現(xiàn)步驟;在練習(xí)模式中，有正確的連線提示功能，學(xué)生可多次進行實驗練習(xí)，從而掌握實驗內(nèi)容及實驗操作;在考試模式中，學(xué)生的所有操作都將被作為評分的依據(jù)，點擊“提交”按鈕之后，系統(tǒng)將會自動給學(xué)生打分，以及記錄操作時間，成績達標(biāo)的學(xué)生可進入實驗室進行真實實驗項目動手實踐，從而起到虛擬實驗與真實實驗項目的有效對接。

（三）推動構(gòu)建相對完善的實驗教學(xué)體系

一方面，重新認(rèn)識虛擬仿真試驗室的內(nèi)涵，更新實驗教學(xué)理念，利用相對平民化技術(shù)推動虛擬仿真實驗室的建設(shè)與應(yīng)用，建立相對完善的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，解決實驗教學(xué)過程中可能碰到的各種問題。另一方面，構(gòu)建虛擬現(xiàn)實應(yīng)用開發(fā)平臺，健全軟件平臺與硬件平臺，實現(xiàn)高性能圖像生成及處理系統(tǒng)、立體式虛擬三維顯示系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實交互系統(tǒng)、集成應(yīng)用控制系統(tǒng)的統(tǒng)一，使虛擬仿真實驗教學(xué)改革有序進行。

虛擬仿真實驗室與實驗教學(xué)相輔相成、相互影響。虛擬仿真實驗室系統(tǒng)的完善有利于推動實驗室教學(xué)改革。所以，我們要積極健全虛擬仿真試驗室系統(tǒng)，推動實驗教學(xué)改革，培養(yǎng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型專業(yè)人才隊伍。

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通訊作者：宋? 英