虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)在新工科建設(shè)中的作用＊

滕洪輝，高秀紅，湯 茜，任 新，李雨珊

（1.吉林師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 四平 136000；2.吉林師范大學(xué)教務(wù)處，吉林 四平 136000）

突如其來(lái)的新冠疫情對(duì)人類(lèi)生活秩序造成了極大沖擊，深刻改變了人們常規(guī)的生活、工作、學(xué)習(xí)方式，對(duì)各層級(jí)教學(xué)工作的影響還在持續(xù)著。在線(xiàn)教學(xué)已經(jīng)成為無(wú)法避開(kāi)的話(huà)題，相對(duì)于中小學(xué)以知識(shí)學(xué)習(xí)為主的教學(xué)活動(dòng)，高等教育承擔(dān)著“為黨與人、為國(guó)育才”的使命，除了知識(shí)傳授外，更要使學(xué)生通過(guò)知識(shí)學(xué)習(xí)獲得的實(shí)踐、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)思維和能力，引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立正確的人生觀(guān)、價(jià)值觀(guān)和社會(huì)責(zé)任感。所以，高等教育要求線(xiàn)上教學(xué)內(nèi)容和載體更豐富，更能體現(xiàn)時(shí)代感。信息技術(shù)的運(yùn)用和發(fā)展已經(jīng)成為當(dāng)今世界發(fā)展的主旋律，信息技術(shù)在教學(xué)中的運(yùn)用已經(jīng)被定義為中國(guó)高等教育趕超世界一流的重要支撐[1-2]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是將傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)通過(guò)信息技術(shù)手段呈現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上，虛擬現(xiàn)實(shí)并實(shí)現(xiàn)可互動(dòng)式的信息交換，達(dá)到現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)。新工科建設(shè)是一項(xiàng)龐雜的系統(tǒng)工程，是中國(guó)因應(yīng)世界高等工程教育改革提出的國(guó)家戰(zhàn)略，在新工科建設(shè)起點(diǎn)“天大行動(dòng)路線(xiàn)”中明確指出：推進(jìn)信息技術(shù)和教育教學(xué)深度融合，建設(shè)和推廣應(yīng)用在線(xiàn)開(kāi)放課程，充分利用虛擬仿真等技術(shù)創(chuàng)新工程實(shí)踐教學(xué)方式[3]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)必將在新工科建設(shè)中發(fā)揮重要作用。

1 豐富實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，助力新工科建設(shè)

實(shí)踐教學(xué)改革與創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)新工建設(shè)目標(biāo)的有力保障。在工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)中，涉及到的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容廣泛，許多實(shí)踐教學(xué)因?yàn)椴痪邆溟_(kāi)設(shè)條件無(wú)法有效開(kāi)出。實(shí)踐是檢驗(yàn)理論、鞏固知識(shí)、深化理解、創(chuàng)新思維的唯一有效途徑，沒(méi)有其他方式可以代替實(shí)踐在大學(xué)生學(xué)習(xí)中的重要作用。但是，因?yàn)橐兹家妆卸镜任ｋU(xiǎn)性、實(shí)驗(yàn)室條件不可及性、實(shí)踐基地不完善，化工、環(huán)境工程、土木工程、采礦工程、機(jī)械工程、海洋技術(shù)、制藥工程、核物理等工科專(zhuān)業(yè)無(wú)法保質(zhì)保量地完成實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)環(huán)節(jié)有所打折扣。因?yàn)閷?shí)踐教學(xué)的不足，導(dǎo)致有些關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的理論與實(shí)踐聯(lián)系緊密度不夠，達(dá)不到應(yīng)有的教學(xué)效果，嚴(yán)重制約新工科建設(shè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。虛擬仿真信息技術(shù)可以彌補(bǔ)實(shí)踐教學(xué)方面的不足，豐富實(shí)踐教學(xué)課程體系，完善和增加實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，充分挖掘新的實(shí)踐教育教學(xué)方法，為新工科建設(shè)開(kāi)辟新途徑。這種新途徑將使得理論課程體系、實(shí)踐課程體系相互融合貫通，形成緊密交叉的知識(shí)鏈條、實(shí)踐認(rèn)知鏈條和工程創(chuàng)新鏈條，圍繞工科專(zhuān)業(yè)性質(zhì)和專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，遵循教育科學(xué)規(guī)律，將工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)細(xì)分為五個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，分別為實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、實(shí)訓(xùn)、工程實(shí)踐、項(xiàng)目創(chuàng)新。

為了對(duì)接社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，尤其是工科專(zhuān)業(yè)對(duì)應(yīng)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)人才素質(zhì)和能力的要求，將虛擬仿真技術(shù)與實(shí)踐教學(xué)的五個(gè)環(huán)節(jié)相結(jié)合，在實(shí)踐教學(xué)的五個(gè)環(huán)節(jié)方面進(jìn)行虛擬仿真開(kāi)發(fā)，構(gòu)建五類(lèi)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目，即虛擬仿真實(shí)驗(yàn)類(lèi)、虛擬仿真實(shí)習(xí)類(lèi)、虛擬仿真實(shí)訓(xùn)類(lèi)、虛擬仿真工程類(lèi)、虛擬仿真創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類(lèi)，打造人機(jī)交互式、VR 可視化、智能創(chuàng)新型三種層次虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，形成“五類(lèi)三平臺(tái)”的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系。

1.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)類(lèi)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)類(lèi)主要面向?qū)I(yè)基礎(chǔ)課程和專(zhuān)業(yè)核心課程開(kāi)設(shè)的對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)課程，這類(lèi)實(shí)驗(yàn)課程與理論知識(shí)聯(lián)系緊密，是理論知識(shí)鞏固和理解運(yùn)用的關(guān)鍵。

目前大部分實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)題目是在實(shí)驗(yàn)室條件下完成的，當(dāng)此類(lèi)實(shí)驗(yàn)題目具有危險(xiǎn)性或者不具備開(kāi)出條件時(shí)往往不開(kāi)出，這使得學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解和運(yùn)用不完整。專(zhuān)業(yè)課教師和虛擬仿真技術(shù)開(kāi)發(fā)人員合作，可以根據(jù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)需要，而不是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件或者實(shí)驗(yàn)題目的危險(xiǎn)性等來(lái)考量實(shí)驗(yàn)題目設(shè)置，將一些原本需要但是不具備開(kāi)出條件的實(shí)驗(yàn)題目以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的形式提供給學(xué)生，學(xué)生通過(guò)人機(jī)交互式學(xué)習(xí)平臺(tái)完成此類(lèi)實(shí)驗(yàn)題目，將原來(lái)依靠記憶掌握的知識(shí)形象地進(jìn)行演示，提高學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解和運(yùn)用。例如，在固體廢物處理與處置實(shí)驗(yàn)中“有機(jī)固體廢棄物厭氧發(fā)酵堆肥”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過(guò)人機(jī)交互平臺(tái)，教師能夠利用虛擬仿真軟件系統(tǒng)講解厭氧發(fā)酵裝置的內(nèi)部和外部結(jié)構(gòu)、工作原理，使學(xué)生直觀(guān)形象地感知到厭氧發(fā)酵設(shè)備知識(shí)、發(fā)酵過(guò)程及其工作原理，加強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的知識(shí)運(yùn)用能力訓(xùn)練。

1.2 虛擬仿真實(shí)習(xí)類(lèi)

目前，工科專(zhuān)業(yè)的實(shí)習(xí)教學(xué)包括多種形式，以認(rèn)知實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)和畢業(yè)實(shí)習(xí)為主，但不論哪一種實(shí)習(xí)，都離開(kāi)實(shí)踐基地的支撐，需要深入企業(yè)、工廠(chǎng)等實(shí)體單位，了解實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程。但是因?yàn)楸究粕鷶U(kuò)招，學(xué)生數(shù)量動(dòng)輒幾十人，有的甚至上百人，這么多學(xué)生進(jìn)入生產(chǎn)單位，無(wú)形中給安全生產(chǎn)和實(shí)習(xí)生人身安全帶來(lái)較大負(fù)擔(dān)和隱患，所以，企業(yè)接受學(xué)生實(shí)習(xí)意愿不強(qiáng)烈，學(xué)校和指導(dǎo)教師也顧慮學(xué)生安全問(wèn)題，導(dǎo)致學(xué)生實(shí)習(xí)過(guò)程“走馬觀(guān)花”，無(wú)法深入生產(chǎn)一線(xiàn)了解生產(chǎn)過(guò)程，使得實(shí)習(xí)教學(xué)效果不理想，急需改變現(xiàn)狀。這也是新工科建設(shè)與改革的目的之一。采用虛擬仿真技術(shù)恰好可以解決這一問(wèn)題，聯(lián)合教師、企業(yè)工程師、生產(chǎn)一線(xiàn)工人和虛擬仿真技術(shù)開(kāi)發(fā)人員，將某一實(shí)習(xí)基地的生產(chǎn)布局、工藝工序、企業(yè)產(chǎn)品流程、物料存儲(chǔ)、服務(wù)保障等通過(guò)3D 仿真形式虛擬現(xiàn)實(shí)，集成后構(gòu)建生產(chǎn)全流程的互動(dòng)式和開(kāi)放式的虛擬仿真實(shí)習(xí)基地，學(xué)生能夠通過(guò)進(jìn)入虛擬實(shí)習(xí)基地，產(chǎn)生與實(shí)際一樣的實(shí)習(xí)感知，觀(guān)察生產(chǎn)流程、記錄生產(chǎn)參數(shù)、了解具體工藝、掌握企業(yè)生產(chǎn)布局，通過(guò)實(shí)習(xí)了解并掌握支撐企業(yè)生產(chǎn)的輔助設(shè)施與服務(wù)，形成更全面的實(shí)習(xí)報(bào)告。

另外，這種虛擬仿真實(shí)習(xí)項(xiàng)目資源建設(shè)增多，可以打破地域產(chǎn)業(yè)發(fā)展不均衡帶來(lái)的實(shí)習(xí)基地類(lèi)型少的限制，學(xué)生坐在教室內(nèi)通過(guò)虛擬仿真足不出戶(hù)就可以進(jìn)入到多種類(lèi)型實(shí)習(xí)基地虛擬實(shí)習(xí)，這不但拓展了學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)，而且解決了交通住宿費(fèi)用等經(jīng)費(fèi)支出，節(jié)約了辦學(xué)經(jīng)費(fèi)。

1.3 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)類(lèi)

相比實(shí)習(xí)教學(xué)，實(shí)訓(xùn)更貼近實(shí)際生產(chǎn)，專(zhuān)業(yè)性更強(qiáng)，或者可以說(shuō)實(shí)訓(xùn)教學(xué)就是直接參與本產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域相關(guān)行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)學(xué)生未來(lái)就業(yè)非常重要，所以相對(duì)于實(shí)習(xí)，要求學(xué)生更深入生產(chǎn)一線(xiàn)，參與生產(chǎn)活動(dòng)。目前，存在的問(wèn)題與實(shí)習(xí)類(lèi)似，無(wú)法有效開(kāi)展此類(lèi)教學(xué)活動(dòng)。虛擬仿真技術(shù)為解決這個(gè)問(wèn)題也提供了可行方案。需要將生產(chǎn)工藝流程、每個(gè)工序參數(shù)、操作步驟等通過(guò)3D 虛擬顯示并能夠通過(guò)人機(jī)交互系統(tǒng)進(jìn)行自主互動(dòng)式操作，將專(zhuān)業(yè)知識(shí)點(diǎn)融合到工藝中，將實(shí)際出現(xiàn)的問(wèn)題引入到參數(shù)設(shè)置，從而使學(xué)生能夠通過(guò)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)，體驗(yàn)與現(xiàn)實(shí)一樣的訓(xùn)練過(guò)程，將操作記錄及核心知識(shí)點(diǎn)考核記錄等作為學(xué)生實(shí)訓(xùn)效果評(píng)價(jià)的重要依據(jù)。

1.4 虛擬仿真工程類(lèi)

虛擬仿真工程類(lèi)課程是基于項(xiàng)目式教學(xué)的虛擬，與上述三種類(lèi)型課程明顯的區(qū)別是，上述三類(lèi)實(shí)踐課程主要是培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)的理解和運(yùn)用能力，虛擬仿真工程類(lèi)課程主要培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)集成與貫通、解決工程問(wèn)題的能力，需要建立龐大的資源庫(kù)。工程項(xiàng)目信息、項(xiàng)目可研、各類(lèi)工藝設(shè)計(jì)、項(xiàng)目施工、生產(chǎn)運(yùn)行、設(shè)備選型與維護(hù)等全流程虛擬仿真呈現(xiàn)，學(xué)生通過(guò)選定某一項(xiàng)目的信息，虛擬進(jìn)行項(xiàng)目的可研分析，然后選擇工藝組合、選型設(shè)備開(kāi)展項(xiàng)目建設(shè)，調(diào)試運(yùn)行并日常維護(hù)，在每一個(gè)環(huán)節(jié)提供多種選擇，學(xué)生需要根據(jù)所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行合理選擇和組合，給出適當(dāng)專(zhuān)業(yè)性提示和結(jié)果預(yù)測(cè)，幫助學(xué)生開(kāi)展建立全知識(shí)鏈的實(shí)踐，達(dá)到知識(shí)的融會(huì)貫通、集成運(yùn)用。學(xué)生通過(guò)集中虛擬實(shí)踐，可以將現(xiàn)實(shí)中長(zhǎng)時(shí)間的工程項(xiàng)目立項(xiàng)、建設(shè)與運(yùn)行維護(hù)過(guò)程短時(shí)間就可以全部完成，這種虛擬仿真工程類(lèi)實(shí)踐課程更能夠高效地培養(yǎng)出適合社會(huì)發(fā)展需求的新工科人才。

1.5 虛擬仿真創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類(lèi)

當(dāng)前，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育已經(jīng)成為高等院校人才培養(yǎng)的必修環(huán)節(jié)，知識(shí)陳舊和局限性較大的傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)顯然無(wú)法滿(mǎn)足創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育需要，無(wú)法支撐創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學(xué)，學(xué)生在這樣的教學(xué)條件下也很難激發(fā)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)潛力，開(kāi)展卓有成效的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)。另外，各個(gè)高校開(kāi)展的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育還不能達(dá)到全體學(xué)生參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐，現(xiàn)階段能夠進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐的學(xué)生比例并不高，究其原因是多方面的，無(wú)法提供充足實(shí)踐條件保障是重要因素之一。虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)軟件的開(kāi)發(fā)和使用能夠一定程度彌補(bǔ)此方面的不足，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)模擬工程實(shí)際難題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性工程研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)；通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)模擬創(chuàng)業(yè)環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展創(chuàng)業(yè)活動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)上述虛擬現(xiàn)實(shí)并互動(dòng)操作，需要更高層次的人工智能技術(shù)，可以根據(jù)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)狀態(tài)、學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)給出不同的隨機(jī)的結(jié)果，開(kāi)拓創(chuàng)新。這種虛擬現(xiàn)實(shí)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐教學(xué)能夠?yàn)槿w學(xué)生提供創(chuàng)業(yè)創(chuàng)業(yè)學(xué)習(xí)實(shí)踐機(jī)會(huì)，將大大提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，錘煉學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2 創(chuàng)新實(shí)踐學(xué)習(xí)模式，促進(jìn)新工科建設(shè)

2.1 共享學(xué)習(xí)模式

受實(shí)驗(yàn)條件限制而不能開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)可以使用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行，一些地方院校無(wú)法購(gòu)置大型儀器和仿真實(shí)驗(yàn)裝置，無(wú)力購(gòu)買(mǎi)足夠臺(tái)數(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，難以解決辦學(xué)硬件條件薄弱的難題，而采用這一技術(shù)可以彌補(bǔ)辦學(xué)資金不足，極大地提升辦學(xué)能力，有力地保障新工科建設(shè)任務(wù)。建設(shè)一批虛擬教學(xué)資源，搭建一批云資源平臺(tái)，形成資源共享、模式共享、機(jī)會(huì)共享的教學(xué)體系，開(kāi)放式共享，拉平地區(qū)間、學(xué)校層次間的差距，給學(xué)生提供公平的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)和條件。

2.2 融合學(xué)習(xí)模式

虛擬仿真類(lèi)實(shí)踐教學(xué)完全擺脫了傳統(tǒng)教學(xué)在時(shí)間和空間上的制約，實(shí)現(xiàn)了理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐運(yùn)用的緊密結(jié)合，不同知識(shí)點(diǎn)交叉融會(huì)貫通，更重要的是將產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)、專(zhuān)業(yè)教學(xué)活動(dòng)和學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)進(jìn)行了有效的融合，為學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)、實(shí)踐知識(shí)、運(yùn)用知識(shí)提供了大平臺(tái)，有利于創(chuàng)新學(xué)生學(xué)習(xí)模式，豐富人才培養(yǎng)方式，使學(xué)習(xí)內(nèi)容更貼近實(shí)際，全面提升學(xué)生工程能力。

2.3 發(fā)展學(xué)習(xí)模式

新工科建設(shè)要突出學(xué)生為中心的教學(xué)理念，學(xué)生為主的問(wèn)題導(dǎo)向式、任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法是虛擬仿真實(shí)踐課程的主要特色之一，契合了學(xué)生為中心的教學(xué)理念，而這種理念得以落實(shí)除教學(xué)方法的變革外，發(fā)展學(xué)習(xí)模式的構(gòu)建也起到?jīng)Q定性作用。通過(guò)學(xué)生過(guò)程的引導(dǎo)深入，學(xué)習(xí)內(nèi)容的擴(kuò)展，學(xué)生對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)不再是孤立的知識(shí)點(diǎn)，而是各個(gè)知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)出的知識(shí)鏈學(xué)習(xí)，完全改變了以往的學(xué)習(xí)模式，形成了融會(huì)貫通的專(zhuān)業(yè)發(fā)展學(xué)習(xí)模式，充分展現(xiàn)了學(xué)生為中心的理念。

3 結(jié)語(yǔ)

在新工科建設(shè)中，實(shí)踐教學(xué)具有不可替代的作用而且是新工科專(zhuān)業(yè)建設(shè)重中之重，各個(gè)工科專(zhuān)業(yè)結(jié)合本專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)要求，構(gòu)建“五類(lèi)三平臺(tái)”虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系，將能夠彌補(bǔ)現(xiàn)有實(shí)踐教學(xué)的不足，促進(jìn)實(shí)踐教學(xué)發(fā)展以適應(yīng)新工科建設(shè)需求。在高等工程教育改革和信息技術(shù)變革浪潮中，搶占發(fā)展先機(jī)，必將給專(zhuān)業(yè)發(fā)展和人才培養(yǎng)質(zhì)量提升帶來(lái)巨大優(yōu)勢(shì)，帶動(dòng)中國(guó)高等教育創(chuàng)新與發(fā)展。