虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)利用策略*

曹洪玉，馮寶民，唐 川，史麗穎

(大連大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 遼寧省制藥工程技術(shù)與生物工程技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，遼寧 大連 116622)

實(shí)踐教學(xué)是激發(fā)學(xué)生探索欲望和創(chuàng)新精神的必要途徑，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的必經(jīng)過(guò)程，是發(fā)揮高校產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的必需環(huán)節(jié)。許多工程類學(xué)科是實(shí)踐性很強(qiáng)的應(yīng)用學(xué)科，要求實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)占較高比例[1]，由于學(xué)科的自身特點(diǎn)，實(shí)踐教學(xué)工作往往存在大量困難。以制藥工程和生物工程為例，兩個(gè)專業(yè)所需實(shí)踐教學(xué)設(shè)備種類多，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)設(shè)成本過(guò)高；大型設(shè)備臺(tái)套數(shù)有限，難以保證每個(gè)學(xué)生都有實(shí)際操作機(jī)會(huì)；兩專業(yè)面向的藥品、食品等企業(yè)[2]對(duì)于衛(wèi)生、環(huán)境及安全性要求頗高[3]，難以接納大量學(xué)生進(jìn)行實(shí)習(xí)。這些問(wèn)題都為相關(guān)實(shí)踐教學(xué)開(kāi)展帶來(lái)一定困難，很大程度上限制著學(xué)生專業(yè)知識(shí)的應(yīng)用和工程實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用[4]為上述問(wèn)題的解決提供了一條新的思路，但制藥工程和生物工程設(shè)備技術(shù)更新速度較快，自動(dòng)化設(shè)備發(fā)展迅速，相關(guān)虛擬資源需要半年至2年的開(kāi)發(fā)周期，若開(kāi)發(fā)期間不能使用，完成后不及時(shí)利用，則很快會(huì)面臨技術(shù)落后的尷尬境地。因此，將平臺(tái)建設(shè)過(guò)程中所涉及的知識(shí)與方法合理發(fā)掘，使資源應(yīng)用最大化的思路勢(shì)在必行。

以我校省級(jí)制藥工程技術(shù)與生物工程技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)情況為例，中心目前主要承擔(dān)制藥工程、生物工程、生物技術(shù)等專業(yè)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，建設(shè)許多制藥工程和生物工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源項(xiàng)目，在以上資源建設(shè)過(guò)程中，在重視過(guò)程利用，爭(zhēng)取時(shí)效思路下，積極運(yùn)用相關(guān)資源開(kāi)展科研與教學(xué)工作，產(chǎn)生較為明顯成效。

1 重視過(guò)程——虛擬仿真中心建設(shè)思路拓展

教育部提出虛擬仿真中心建設(shè)目標(biāo)為堅(jiān)持“資源共享、持續(xù)發(fā)展”的指導(dǎo)思想，以提高學(xué)生的質(zhì)量意識(shí)、實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維為宗旨，以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)為重點(diǎn)，建設(shè)成為具有良好教學(xué)效果虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心。本文在這一建設(shè)思想基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展和豐富，提出重視過(guò)程，爭(zhēng)取虛擬仿真資源利用時(shí)效策略。

為保證虛擬教學(xué)平臺(tái)資源充分利用，首要思路是資源使用不能僅局限于課堂的虛擬教學(xué)中，在開(kāi)發(fā)虛擬仿真資源建設(shè)過(guò)程中，注重發(fā)現(xiàn)和發(fā)掘所涉及的知識(shí)與方法，思考其在教學(xué)外環(huán)節(jié)中使用設(shè)計(jì)，保證資源學(xué)習(xí)的深入性，提升資源使用時(shí)效性，使資源得到最大化應(yīng)用。

虛擬仿真資源建設(shè)過(guò)程是一個(gè)與時(shí)俱進(jìn)的長(zhǎng)期工程，需要學(xué)校、企業(yè)的緊密合作，需要教師、學(xué)生的持續(xù)參與。因此充分發(fā)掘資源建設(shè)過(guò)程的使用價(jià)值，保證資源時(shí)效性和實(shí)效性，既需注重引入資源建設(shè)平臺(tái)，也需注重自主創(chuàng)新研發(fā)，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，將建設(shè)過(guò)程融入到教師的科研和學(xué)生的學(xué)習(xí)中，這一思路同時(shí)為制藥工程和生物工程專業(yè)今后的工程教育專業(yè)認(rèn)證[5]工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 爭(zhēng)取時(shí)效——資源建設(shè)過(guò)程的發(fā)掘利用策略

2.1 前沿成果時(shí)效——發(fā)揮教師科研優(yōu)勢(shì)

教師的科研成果豐富，是極為重要的教學(xué)資源，但科研成本昂貴，不能直接用于教學(xué)，為此教師根據(jù)自己的科研成果，設(shè)計(jì)相關(guān)的虛擬科研模型，重要的成熟的科研流程及重要特殊設(shè)備也可開(kāi)發(fā)為新的虛擬仿真軟件，供學(xué)生學(xué)習(xí)。本策略建設(shè)思路包括以下三個(gè)方面：

(1)教師自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，將學(xué)院教師強(qiáng)大的科研實(shí)力融入到仿真實(shí)踐教學(xué)中，積極將科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝備的現(xiàn)代化，使學(xué)生接受最新科技成果的熏陶和培養(yǎng)，鼓勵(lì)教師出版各類信息化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)素材。

(2)鼓勵(lì)教師將資源設(shè)計(jì)成學(xué)生課題項(xiàng)目，讓學(xué)生參與資源的開(kāi)發(fā)建設(shè)，學(xué)生在此過(guò)程中對(duì)科研加深了解，發(fā)掘自己的科研方向和科研興趣，更有目標(biāo)性和針對(duì)性地學(xué)習(xí)；大三、大四學(xué)生參與到發(fā)表科研論文、撰寫(xiě)專利等過(guò)程，相關(guān)成果可以用于參加創(chuàng)新比賽等，一舉多得，學(xué)生學(xué)以致用，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，同時(shí)也促進(jìn)虛擬仿真中心教師科研工作的發(fā)展。

(3)教師與企業(yè)合作開(kāi)發(fā)資源，如果教師科研成果較為先進(jìn)，價(jià)值高，或難度過(guò)大，教師可以聯(lián)合企業(yè)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，同時(shí)學(xué)習(xí)企業(yè)相關(guān)開(kāi)發(fā)思路，促進(jìn)教師科研工作；教師也可以利用虛擬仿真教學(xué)中心的相關(guān)資源開(kāi)展科研工作，根據(jù)中心資源開(kāi)展的科研工作更容易地與教學(xué)實(shí)踐相結(jié)合。

2.2 先進(jìn)技術(shù)時(shí)效——引進(jìn)企業(yè)先進(jìn)資源

制藥工程或生物工程相關(guān)企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)車間、設(shè)備是極為重要的教學(xué)資源，由于專業(yè)的特殊性，企業(yè)車間和設(shè)備在高校實(shí)驗(yàn)室中是不可得或不可多得的教學(xué)資源。高校學(xué)生若無(wú)法親臨生產(chǎn)車間實(shí)習(xí)，無(wú)法實(shí)際操作關(guān)鍵先進(jìn)設(shè)備，學(xué)生必然與企業(yè)脫節(jié)。為此，通過(guò)聯(lián)系制藥工程和生物工程企業(yè)制作相關(guān)虛擬仿真軟件，可以提高教學(xué)水平。將企業(yè)的先進(jìn)生產(chǎn)工藝及規(guī)范流程虛擬仿真化，將車間、重要設(shè)備等拍照或者錄像，制作成實(shí)景三維虛擬仿真軟件供學(xué)生操作使用?，F(xiàn)實(shí)生產(chǎn)車間可通過(guò)三維虛擬化技術(shù)，變成可操作的實(shí)訓(xùn)課堂，把知識(shí)點(diǎn)融入到虛擬場(chǎng)景中，彌補(bǔ)教學(xué)脫離實(shí)踐的不足，并借機(jī)開(kāi)展校企聯(lián)合教學(xué)[6]。

以上舉措一則在教學(xué)方面可以彌補(bǔ)學(xué)生無(wú)法學(xué)習(xí)操作重要實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備的缺陷，另一方面可以促成學(xué)生直接和企業(yè)的接軌，培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)[7]。企業(yè)設(shè)備更新較快，為加強(qiáng)與企業(yè)的聯(lián)系，學(xué)校邀請(qǐng)企業(yè)相關(guān)人員到學(xué)校培訓(xùn)學(xué)生，企業(yè)也可以采用建設(shè)的仿真軟件培訓(xùn)新員工，這無(wú)疑對(duì)高校人才培養(yǎng)和企業(yè)員工培訓(xùn)都有巨大促進(jìn)作用，這在一定程度上也帶動(dòng)學(xué)生的就業(yè)。

2.3 創(chuàng)新方法時(shí)效——與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)相結(jié)合

創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新人才是高校人才培養(yǎng)的新方向[8]，學(xué)生對(duì)創(chuàng)新實(shí)踐和創(chuàng)業(yè)活動(dòng)非常感興趣，具有極大的熱情參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)[9]。虛擬仿真建設(shè)過(guò)程可借此契機(jī)進(jìn)一步發(fā)展，為學(xué)生提供更好的實(shí)踐平臺(tái)。創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目可來(lái)自中心教師的科研、教學(xué)資源；創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目可采用仿真教學(xué)平臺(tái)的已有企業(yè)生產(chǎn)工藝軟件資源、自主開(kāi)發(fā)虛擬仿真教學(xué)資源、專利及合作公司產(chǎn)品等；創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目也可在與制藥企業(yè)或生物工程企業(yè)合作時(shí)尋找新的合作項(xiàng)目，成立相關(guān)校內(nèi)工作室或依托于(或合作)虛擬仿真中心的校外創(chuàng)業(yè)公司。在以上思路基礎(chǔ)上，指導(dǎo)學(xué)生在此平臺(tái)中進(jìn)行國(guó)家級(jí)、省級(jí)等多項(xiàng)創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)課題，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)下學(xué)生興趣大增[10]，創(chuàng)意無(wú)限。教師指導(dǎo)與學(xué)生創(chuàng)意結(jié)合，可促進(jìn)平臺(tái)資源的建設(shè)，提高虛擬仿真資源的利用率，拓寬學(xué)生就業(yè)和創(chuàng)業(yè)思路。

2.4 抓住各類競(jìng)賽時(shí)機(jī)

虛擬平臺(tái)已有資源較為豐富，學(xué)生能力有一定提升，但只有課堂操作學(xué)習(xí)，學(xué)生并不能完全領(lǐng)悟平臺(tái)資源內(nèi)容。需求是最好的興趣引發(fā)劑，為激發(fā)更多學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓更多學(xué)生從這個(gè)教學(xué)平臺(tái)中受益，獲得更大成績(jī)，還需與各級(jí)各類競(jìng)賽結(jié)合，以賽促教、以賽促學(xué)[11]?；ヂ?lián)網(wǎng)+或者工程類設(shè)計(jì)大賽等均是學(xué)生大顯身手的舞臺(tái)，引導(dǎo)學(xué)生參加各級(jí)各類比賽，可以在比賽實(shí)踐過(guò)程中指導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用各種資源[12]，在具體應(yīng)用中加深對(duì)各虛擬實(shí)踐環(huán)境的認(rèn)識(shí)。學(xué)生為在競(jìng)賽中獲得優(yōu)勢(shì)，往往不滿足于現(xiàn)有資源，會(huì)創(chuàng)新性提出一些新資源的建設(shè)需求，這無(wú)疑對(duì)平臺(tái)建設(shè)發(fā)展是極為有利的，對(duì)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力提高是有利的。

2.5 已有教學(xué)資源時(shí)效

圖1 虛擬仿真中心平臺(tái)資源建設(shè)過(guò)程的發(fā)掘利用策略簡(jiǎn)圖Fig.1 Utilization strategy of the construction process for virtual reality simulation teaching platform

如果虛擬仿真教學(xué)中心資源過(guò)少且不更新教學(xué)資源，則難以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展，需要對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室認(rèn)真評(píng)估定位，引入相關(guān)資源。本中心針對(duì)制藥工程、生物工程專業(yè)建立，這兩個(gè)專業(yè)均與化學(xué)化工專業(yè)、計(jì)算機(jī)專業(yè)、機(jī)械專業(yè)、藥學(xué)等其他許多專業(yè)密切相關(guān)，可依托學(xué)校網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，借助學(xué)校力量，整合校內(nèi)外各種可用的且合理合法的教學(xué)資源，構(gòu)建綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[13]。中心引入工程制圖、化工制圖、生物大分子模擬、藥物設(shè)計(jì)等軟件，避免專業(yè)限制，實(shí)現(xiàn)相關(guān)相近仿真資源共享，教師學(xué)生接觸不同專業(yè)的軟件，無(wú)論在科研還是教學(xué)，都可以有更多的選項(xiàng)。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)不足與改進(jìn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)目前面臨的許多內(nèi)在問(wèn)題亟需解決[14]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源雖然是在實(shí)際的企業(yè)車間設(shè)備和教師科研成果基礎(chǔ)上建立而成的，但是實(shí)際上屬于電腦虛擬操作或者儀器模型操作，一定程度上不能完全取代實(shí)際設(shè)備操作，因此部分學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中會(huì)不可避免的出現(xiàn)學(xué)習(xí)態(tài)度不重視、模擬體驗(yàn)效果不完善等情況。在虛擬仿真教學(xué)過(guò)程中教師與學(xué)生的實(shí)際體驗(yàn)也不能與實(shí)際車間工作相提并論，設(shè)備操作無(wú)實(shí)物感，結(jié)果也趨于理想化，實(shí)際出現(xiàn)的問(wèn)題可能無(wú)法完全呈現(xiàn)在軟件或模型中，因此教學(xué)也有一定的難度。企業(yè)的先進(jìn)生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備不斷涌現(xiàn)，虛擬仿真資源建設(shè)要緊跟社會(huì)主要企業(yè)生產(chǎn)工藝的發(fā)展，資源建設(shè)周期較長(zhǎng)，難度較大，因此建設(shè)資源選擇要慎重，要有時(shí)效預(yù)見(jiàn)性，避免建設(shè)后工藝落后而產(chǎn)生浪費(fèi)情況。

在此還需特別指出，理論教學(xué)要先于仿真教學(xué)，仿真教學(xué)先于實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，仿真教學(xué)是理論教學(xué)的“復(fù)習(xí)課程”，是實(shí)習(xí)、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的“預(yù)習(xí)課程”，學(xué)生實(shí)習(xí)結(jié)束后，可以再開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室讓學(xué)生自主復(fù)習(xí)回顧，完成“理論學(xué)習(xí)——虛擬訓(xùn)練——企業(yè)實(shí)習(xí)見(jiàn)習(xí)——虛擬訓(xùn)練回顧”整個(gè)過(guò)程。

虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)過(guò)程往往時(shí)間交叉，在建設(shè)過(guò)程中讓教師和學(xué)生參與，既讓教師和學(xué)生在建設(shè)過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)資源充分了解，也珍惜使用建設(shè)過(guò)程的時(shí)間，保證資源時(shí)效，這是對(duì)資源最大程度的充分利用。教師在競(jìng)賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課題和企業(yè)實(shí)踐等指導(dǎo)過(guò)程中也注意引導(dǎo)學(xué)生對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的綜合運(yùn)用；充分利用教師科研和企業(yè)資源，才能使得產(chǎn)學(xué)研結(jié)合效果更加明顯。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)重視虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過(guò)程利用策略，根據(jù)不同建設(shè)過(guò)程的需求充分挖掘其知識(shí)與方法，保證仿真資源時(shí)效性，設(shè)立良好的建設(shè)和運(yùn)行機(jī)制，設(shè)定不同實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，與企業(yè)緊密合作，實(shí)現(xiàn)科研共享、企業(yè)共享、校級(jí)共享。虛擬仿真資源建設(shè)不斷跟進(jìn)新技術(shù)，不斷更新資源過(guò)程中，珍惜和重視資源建設(shè)過(guò)程，在建設(shè)過(guò)程中讓教師、學(xué)生持續(xù)參與，建設(shè)初期即用于教學(xué)，發(fā)掘利用其建設(shè)過(guò)程的價(jià)值，在持續(xù)發(fā)展過(guò)程中提高教學(xué)水平，提高學(xué)生實(shí)踐能力，以更符合社會(huì)企業(yè)的對(duì)人才的需求。