虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目應(yīng)用研究

高文曦

（南通大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院，江蘇南通 226000）

0 引言

社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步對(duì)高等院校學(xué)生的實(shí)踐能力提出了較高要求，這給相對(duì)固定的專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)內(nèi)容帶來(lái)了挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)已難以滿足當(dāng)前高等教育信息化需求。鑒于此，自2013 年以來(lái)，國(guó)家教育部相繼出臺(tái)一列文件以重點(diǎn)推進(jìn)信息技術(shù)與高等實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合［1-3］，在全國(guó)各高校陸續(xù)推進(jìn)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)。自此，各類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目紛紛涌現(xiàn)，涉及醫(yī)藥學(xué)、護(hù)理學(xué)、教育學(xué)以及理工科類等各個(gè)學(xué)科方向［4-7］。為了給這些項(xiàng)目提供集中展示的平臺(tái)，由高等教育出版社負(fù)責(zé)建設(shè)運(yùn)營(yíng)的國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)——“實(shí)驗(yàn)空間”已對(duì)外開(kāi)放使用。本文通過(guò)搜集該平臺(tái)2017-2021 年開(kāi)放的虛擬仿真項(xiàng)目作為研究對(duì)象，對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)獲得國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)現(xiàn)狀和應(yīng)用情況進(jìn)行詳細(xì)分析。并針對(duì)應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)一步提出優(yōu)化策略，從而為我國(guó)高校建設(shè)出更好的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目和系統(tǒng)提供可供參考的實(shí)踐啟示。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)與應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)情況

依托虛擬仿真技術(shù)的“網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)”“虛擬實(shí)驗(yàn)”為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)辟了新途徑［8］。因此，國(guó)內(nèi)眾多高校和研究所一直在積極利用VR/AR 技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)以及三維展現(xiàn)技術(shù)等，建立各類高仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)在真實(shí)環(huán)境中不具備條件或者實(shí)驗(yàn)難度較大的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目虛擬化，保證學(xué)生在模擬的環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的效果與真實(shí)環(huán)境一致［9］。

目前，國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)申報(bào)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目共有3 250 個(gè)，時(shí)間跨度為2017-2021 年，涵蓋了理、工、農(nóng)、醫(yī)、文等學(xué)科中的61 個(gè)大類，詳細(xì)分布情況如表1 所示。其中被認(rèn)定為國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的共有728 個(gè)，由于2021 年申報(bào)工作剛結(jié)束不久，相關(guān)項(xiàng)目還在建設(shè)過(guò)程中，尚未進(jìn)行成果認(rèn)定，因此該平臺(tái)暫時(shí)沒(méi)有公布2021年的國(guó)家級(jí)虛擬仿真認(rèn)定項(xiàng)目。

Table 1 Distribution of virtual simulation project categories 2017-2019（Top 20）表1 2017-2019年虛擬仿真項(xiàng)目類別分布情況（前20名）

分析表1 發(fā)現(xiàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目申報(bào)數(shù)量排名前20的專業(yè)大類中，申報(bào)管理類虛擬仿真項(xiàng)目的數(shù)量最多，高達(dá)221 個(gè)；申報(bào)數(shù)量在100 以上的專業(yè)大類有8 個(gè)，分別是機(jī)械類、藝術(shù)學(xué)類、土木類和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)類等，表明虛擬仿真技術(shù)在這幾個(gè)專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)而言更加成熟，技術(shù)優(yōu)勢(shì)更加明顯，具有廣闊的發(fā)展前景。并且，在排名前20 的學(xué)科門類中，理工科類的虛擬仿真項(xiàng)目數(shù)量占比更高，這也從側(cè)面反映了相較于農(nóng)林醫(yī)藥和人文社科類等，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在理工科門類中的應(yīng)用范圍更為廣范。

此外，按照年份對(duì)認(rèn)定為國(guó)家級(jí)的728 個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目展開(kāi)進(jìn)一步分析，認(rèn)定數(shù)量排名前20 的專業(yè)大類情況如圖1所示。

Fig.1 The recognition time distribution of national virtual simulation experiment teaching project圖1 國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目認(rèn)定時(shí)間分布情況

不難看出，擁有國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)量排名前三的專業(yè)大類分別是臨床醫(yī)學(xué)類、機(jī)械類和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)類。并且，這幾個(gè)專業(yè)大類的虛擬仿真項(xiàng)目不僅在數(shù)量上具有明顯優(yōu)勢(shì)，而且相較于管理類、電氣類、物理學(xué)類、教育學(xué)類等幾個(gè)類別的虛擬仿真項(xiàng)目，它們的認(rèn)定年份也更早。這進(jìn)一步支撐了表1 的結(jié)論，虛擬仿真技術(shù)在工、醫(yī)兩個(gè)學(xué)科中應(yīng)用得較早，技術(shù)也更加成熟。但隨著虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，其在文學(xué)類、管理類、教育學(xué)類、交通運(yùn)輸類等文、理、農(nóng)學(xué)科中也備受青睞，近兩年涌現(xiàn)了大批量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。此外，在分析國(guó)家級(jí)虛擬仿真項(xiàng)目時(shí)還發(fā)現(xiàn)，雖然地質(zhì)學(xué)類、紡織類、海洋科學(xué)類、天文學(xué)類等專業(yè)也積極建設(shè)了大量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，但其中高質(zhì)量的國(guó)家級(jí)虛擬仿真項(xiàng)目數(shù)量仍未實(shí)現(xiàn)零的突破。一方面，可能是由于技術(shù)水平限制，虛擬仿真技術(shù)在這幾個(gè)專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用尚不成熟；另一方面，虛擬仿真技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展尚未引起足夠重視。教育和虛擬仿真技術(shù)的不斷融合，勢(shì)必為這些學(xué)科的教學(xué)模式改革帶來(lái)新的突破［10-11］。

對(duì)728個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)高校分布情況展開(kāi)分析，結(jié)果如表2所示。

可以看出，擁有國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)量在5 個(gè)以上（包括5 個(gè)）的高校共有43 所，項(xiàng)目數(shù)量共計(jì)291 個(gè)，占國(guó)家級(jí)項(xiàng)目總數(shù)的39.97%。其中排名前5 的高校分別為天津大學(xué)、山東大學(xué)、陜西師范大學(xué)、西安交通大學(xué)和浙江大學(xué)，這5 所高校建設(shè)的國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目數(shù)量都在10 個(gè)以上，位居全國(guó)前列，且均為雙一流高校。分析表2 數(shù)據(jù)還可以發(fā)現(xiàn)，在43 所高校中，雙一流高校共有31 所，占比74.42%，其中雙一流高校建設(shè)的國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共有220 個(gè)，占比75.60%。這說(shuō)明雙一流高校建設(shè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目在數(shù)量上占比更高，具有明顯優(yōu)勢(shì)，反映了擁有優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源、先進(jìn)軟硬件設(shè)備以及高水平人才隊(duì)伍的雙一流高校在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)方面整體實(shí)力更強(qiáng)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源也更加豐富。這種情況對(duì)于規(guī)模較小且專項(xiàng)資金和資源不夠的高校而言，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)無(wú)疑是難上加難。要彌補(bǔ)這一短板，可以共享現(xiàn)有虛擬仿真項(xiàng)目資源，優(yōu)化資源配置，避免重復(fù)投入。同時(shí)，可通過(guò)增加平臺(tái)用戶數(shù)，更好地發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足，并加以完善，從而進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

1.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目應(yīng)用現(xiàn)狀

針對(duì)平臺(tái)開(kāi)放的61 個(gè)專業(yè)大類中的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目（包括申報(bào)和認(rèn)定為國(guó)家級(jí)的），進(jìn)一步按照理工、農(nóng)林、醫(yī)藥以及人文社科等學(xué)科門類進(jìn)行歸納分析，以全面了解當(dāng)前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在各學(xué)科專業(yè)的應(yīng)用情況，如表3所示。

可以看出，在理工科類、醫(yī)藥類、農(nóng)林類、人文社科4個(gè)大學(xué)科門類中，理工科類的虛擬仿真項(xiàng)目無(wú)論是在申報(bào)數(shù)量上，還是在認(rèn)定為國(guó)家級(jí)虛擬仿真項(xiàng)目的數(shù)量上都遙遙領(lǐng)先其他3 個(gè)學(xué)科門類。相較于農(nóng)林類和人文社科類兩大學(xué)科門類，理工科類的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目更多、種類也更加復(fù)雜，對(duì)學(xué)生的動(dòng)手操作能力要求也更高，如機(jī)械類、電子信息類、土木類、自動(dòng)化類、化學(xué)類等，這類實(shí)驗(yàn)往往都屬于高成本、高消耗，甚至高危險(xiǎn)的項(xiàng)目［12-15］。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目具有高性價(jià)比、交互性、安全性以及開(kāi)放性等優(yōu)點(diǎn)，可以有效緩解傳統(tǒng)理工科類實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中的資源短缺、場(chǎng)地限制及高風(fēng)險(xiǎn)性等弊端，因此理工科類實(shí)驗(yàn)更適合開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。例如，天津大學(xué)的姜杉團(tuán)隊(duì)將虛擬仿真技術(shù)與機(jī)械專業(yè)課程相結(jié)合，幫助學(xué)生在線完成一系列實(shí)驗(yàn)操作。他們可以在線反復(fù)觀察機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理，反復(fù)動(dòng)手拆洗齒輪油泵等零件，讓書(shū)本上原本靜態(tài)的零件和儀器統(tǒng)統(tǒng)“活”了起來(lái)，極大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。并且，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在理工類學(xué)科中的發(fā)展較早，應(yīng)用價(jià)值也更廣泛。依托虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生可以在沉浸式的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中重復(fù)操作實(shí)驗(yàn)，甚至可以體驗(yàn)實(shí)際教學(xué)中無(wú)法操作的一些具有危險(xiǎn)性、破壞性的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)，從而避免實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度和深度，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。例如，天津大學(xué)趙溫濤團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的“加壓氫化反應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”，學(xué)生可以在線使用易燃易爆氣體、高壓釜等特種設(shè)備，仿真操作加壓氫化裝置，使學(xué)生體會(huì)重大發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

Table 2 Distribution of national virtual simulation experiment teaching items表2 國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的分布情況

Table 3 The application of virtual simulation experiment teaching items in various disciplines表3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目在各學(xué)科門類中的應(yīng)用情況

同時(shí)，醫(yī)藥類實(shí)驗(yàn)也是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的重要應(yīng)用領(lǐng)域［16-18］。相較于其他幾個(gè)學(xué)科門類，虛擬仿真技術(shù)在我國(guó)醫(yī)藥學(xué)類實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究起步最早，技術(shù)也更加成熟完善。觀察表3 可以看出，雖然醫(yī)藥類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)量不是最多的，但是認(rèn)定為國(guó)家級(jí)虛擬仿真項(xiàng)目的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于理工科類。由于醫(yī)藥學(xué)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象大都是動(dòng)物或者微生物，其實(shí)驗(yàn)操作具有一定的創(chuàng)傷性、不可逆性，甚至具有極大的風(fēng)險(xiǎn)性。如果學(xué)生缺乏實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)很容易失敗，這將挫傷學(xué)生繼續(xù)實(shí)驗(yàn)的積極性和自信心。醫(yī)藥類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為學(xué)生們提供了一種動(dòng)態(tài)和有效的學(xué)習(xí)途徑，可以讓學(xué)生在安全的環(huán)境中重復(fù)和標(biāo)準(zhǔn)化臨床經(jīng)驗(yàn)，并且允許學(xué)生試錯(cuò)，從而提高他們的臨床技能和信心。例如，暨南大學(xué)的查振剛教授在其臨床醫(yī)學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中通過(guò)虛擬仿真技術(shù)模擬出清創(chuàng)、消毒、鋪巾以及肌腱縫合4 個(gè)階段的手術(shù)操作場(chǎng)景，使學(xué)生沉浸在虛擬仿真手術(shù)室里，并掌握骨科創(chuàng)傷急診相關(guān)知識(shí)點(diǎn)和操作。

除理工科類、醫(yī)藥類外，農(nóng)林類、人文社科類的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)也碩果累累。觀察表3 可以看出，由于農(nóng)林院校和專業(yè)總體數(shù)量相對(duì)較少，因此該門類的虛擬仿真項(xiàng)目數(shù)量也最少，但認(rèn)定為國(guó)家級(jí)虛擬仿真項(xiàng)目的比例最高。這也從側(cè)面反映了虛擬仿真技術(shù)在農(nóng)林類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有巨大的發(fā)展空間。例如，浙江農(nóng)林大學(xué)依托虛擬仿真技術(shù)開(kāi)發(fā)的土污染修復(fù)仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，解決了傳統(tǒng)土壤污染修復(fù)實(shí)驗(yàn)中對(duì)特定教學(xué)場(chǎng)地、修復(fù)工程大、周期長(zhǎng)等問(wèn)題，將有限的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練拓展成無(wú)限學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)模式，提升學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維。此外，作為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新興領(lǐng)域，各大高校也緊跟時(shí)代步伐，積極部署虛擬仿真技術(shù)在教育學(xué)類、法學(xué)類、管理學(xué)類等人文社科領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。從表3 可以看出，人文社科類的虛擬仿真項(xiàng)目數(shù)量?jī)H次于理工科類，這為文科類的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革構(gòu)建了新途徑，有著十分廣闊的發(fā)展前景。例如，南通大學(xué)的沈小燕團(tuán)隊(duì)針對(duì)會(huì)計(jì)學(xué)專業(yè)核心課程，基于國(guó)家級(jí)制造企業(yè)的真實(shí)場(chǎng)景和多年數(shù)據(jù)構(gòu)建管理會(huì)計(jì)虛擬仿真項(xiàng)目。利用該平臺(tái)，學(xué)生可以切換多種工作角色，置身于虛擬企業(yè)環(huán)境中，按照任務(wù)指引，運(yùn)用管理會(huì)計(jì)知識(shí)，開(kāi)放式地進(jìn)行模擬運(yùn)營(yíng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)很受學(xué)生歡迎，極大提高了學(xué)習(xí)效果。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目中存在的問(wèn)題

虛擬仿真項(xiàng)目在實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用過(guò)程中，還利用實(shí)驗(yàn)空間平臺(tái)提供的測(cè)試賬號(hào)和密碼，對(duì)各學(xué)科門類的虛擬仿真項(xiàng)目進(jìn)行一一測(cè)試。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目在實(shí)際應(yīng)用中存在一些不足。

2.1 豐富性與典型性有待提升

盡管當(dāng)前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目在一定程度上緩解了傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)資源短缺的困境，然而各學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目種類遠(yuǎn)不止于此。以文科為例，對(duì)法學(xué)類、經(jīng)濟(jì)學(xué)類、教育學(xué)類、文學(xué)類等幾大門類的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的課時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖2所示。

Fig.2 Class hour statistics of virtual simulation experiment in liberal arts圖2 文科類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目課時(shí)統(tǒng)計(jì)

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以直觀地看出，總體上各學(xué)科的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所占課時(shí)普遍偏低，無(wú)法滿足教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果，其中虛擬仿真項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)課時(shí)占總實(shí)驗(yàn)課時(shí)百分比超過(guò)15%只有經(jīng)濟(jì)學(xué)類和藝術(shù)學(xué)類兩大類，歷史學(xué)類占比只有7.66%。虛擬仿真項(xiàng)目的建設(shè)重點(diǎn)是將項(xiàng)目落實(shí)到教學(xué)資源和教學(xué)服務(wù)上，擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目課時(shí)比，有助于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，提高學(xué)生動(dòng)手能力，增強(qiáng)高校學(xué)生的社會(huì)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新能力。此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目偏少，容易讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中淺嘗輒止，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果大打折扣，這些問(wèn)題在理工科、醫(yī)藥學(xué)科等其他學(xué)科門類中的一些項(xiàng)目中也普遍存在。鑒于此，提升虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源種類的豐富性和典型案例數(shù)量十分必要。

2.2 互動(dòng)性有待加強(qiáng)

互動(dòng)性是虛擬仿真技術(shù)的必要特性之一，也是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)中面臨的主要問(wèn)題之一。實(shí)踐證明，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目已成為提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維的有力補(bǔ)充。由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)時(shí)間、空間和實(shí)驗(yàn)條件的局限性，讓學(xué)生隨時(shí)可以利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)或?qū)嶒?yàn)。但如果實(shí)驗(yàn)過(guò)程中缺乏與學(xué)生的有效互動(dòng)，針對(duì)學(xué)生的問(wèn)題不能夠提供及時(shí)的反饋和幫助，這樣容易讓學(xué)生處于“無(wú)人管理”的狀態(tài)，打擊學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性。如圖3 所示，對(duì)實(shí)驗(yàn)空間中認(rèn)定為國(guó)家級(jí)虛擬仿真項(xiàng)目數(shù)量排名前10 的專業(yè)大類的平均實(shí)驗(yàn)人數(shù)、平均點(diǎn)贊量、平均評(píng)分量和平均評(píng)論量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以揭示當(dāng)前國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的互動(dòng)情況。觀察圖3 可以看出，排名10 的學(xué)科大類分別涵蓋了理工、農(nóng)林、醫(yī)藥以及人文社科等學(xué)科門類，總體上各學(xué)科大類的平均實(shí)驗(yàn)人數(shù)、平均點(diǎn)贊量、平均評(píng)分量均不高，特別是參與留言評(píng)論的人數(shù)更是少之甚少，比如文學(xué)類平均參與評(píng)論的只有5 人，其他學(xué)科大類也只有幾十人。這反映出在一些學(xué)科的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目中，學(xué)生的參與度明顯不夠，平臺(tái)互動(dòng)性有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

Fig.3 Interaction of virtual simulation experiment teaching items in some subjects圖3 部分學(xué)科虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目互動(dòng)情況

此外，依托實(shí)驗(yàn)空間平臺(tái)，該平臺(tái)開(kāi)放的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目大都已建立了評(píng)價(jià)反饋機(jī)制，如圖3 所示，但仍停留在點(diǎn)贊、留言等簡(jiǎn)單的互動(dòng)形式階段，評(píng)價(jià)反饋體系過(guò)于簡(jiǎn)單。而且，很大一部分項(xiàng)目存在針對(duì)學(xué)生留言、反饋沒(méi)有響應(yīng)或者改進(jìn)滯后的不足，信息傳遞與響應(yīng)速度也有待進(jìn)一步提升。

2.3 后期維護(hù)有待完善

目前，在高校、地方政府以及國(guó)家教育部門等各方的努力支持下，我國(guó)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目發(fā)展已初具規(guī)模。但一般高?；蛘邫C(jī)構(gòu)在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)前期大都會(huì)投入大量的人力、物力和財(cái)力，而對(duì)項(xiàng)目后期維護(hù)的重視程度和投入不夠，不利于平臺(tái)軟件功能完善與資源擴(kuò)充，也帶給學(xué)生不良的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，最終影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。如圖4 所示，在對(duì)實(shí)驗(yàn)空間開(kāi)放的部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，有些項(xiàng)目在學(xué)習(xí)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)無(wú)法進(jìn)行下一步或者圖片無(wú)法放大等問(wèn)題，極少數(shù)項(xiàng)目出現(xiàn)這種情況甚至達(dá)2～3 次。同時(shí)，還有一些項(xiàng)目會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)址錯(cuò)誤、實(shí)驗(yàn)頁(yè)面無(wú)法打開(kāi)、提供的測(cè)試賬號(hào)錯(cuò)誤、無(wú)法下載插件、無(wú)法退出等一系列問(wèn)題。這在一定程度上反映出我國(guó)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目后期維護(hù)還相對(duì)薄弱，在項(xiàng)目功能完善、軟件升級(jí)等方面還有待進(jìn)一步探索。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)使用流暢性是用戶持續(xù)使用的一個(gè)重要原因，如何讓平臺(tái)更個(gè)性、更暢通，是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是否能夠可持續(xù)發(fā)展的重要保障。

Fig.4 Problem Statistics of virtual simulation experiment teaching item圖4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的問(wèn)題統(tǒng)計(jì)

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)優(yōu)化策略

3.1 加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，強(qiáng)化資源開(kāi)發(fā)

雖然虛擬仿真技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中具有多種優(yōu)點(diǎn)和功能，但在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目時(shí)，不能單純?yōu)榱饲笮露笮?，加?qiáng)頂層設(shè)計(jì)是首要條件。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，必須確保教學(xué)內(nèi)容、模型、模型關(guān)系的完整性和系統(tǒng)功能的完整性。此外，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開(kāi)發(fā)和平臺(tái)功能完善的過(guò)程中，各大院校應(yīng)結(jié)合各自發(fā)展需求、專業(yè)特點(diǎn)，多思考、多研究，提前計(jì)劃，打破任務(wù)、學(xué)科甚至專業(yè)約束，靈活地設(shè)置虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，讓學(xué)生以完成項(xiàng)目為抓手，串起各學(xué)科相關(guān)課程和知識(shí)點(diǎn)。同時(shí)，在遵循“虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合、互補(bǔ)、真實(shí)”的原則下，將虛擬仿真內(nèi)容與實(shí)際教學(xué)內(nèi)容建立多樣化的對(duì)接點(diǎn)［19］，提升虛擬仿真教學(xué)資源的多樣性、適用性和共享性，最大化發(fā)揮虛擬仿真項(xiàng)目在實(shí)踐教學(xué)中的作用。

3.2 優(yōu)化可操作性與交互性，提升學(xué)生參與度

與PPT 和Flash 教學(xué)相比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)可以幫助學(xué)生在全三維感知的場(chǎng)景中進(jìn)行實(shí)際操作。若系統(tǒng)操作復(fù)雜，步驟繁瑣，或者與實(shí)際情況脫節(jié)，互動(dòng)性差，這些都會(huì)降低學(xué)生參與度和學(xué)習(xí)積極性，影響實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。因此，首先應(yīng)根據(jù)不同的教學(xué)模塊，優(yōu)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的操作程序，避免出現(xiàn)與實(shí)際情況相去甚遠(yuǎn)、操作困難的情況；其次，各高校及其開(kāi)發(fā)者還需要優(yōu)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)本身的交互性，以滿足不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的個(gè)性化需求。比如在技術(shù)方面，可以利用體感、人工智能、人機(jī)交互、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，為學(xué)生呈現(xiàn)更加形象、逼真的實(shí)驗(yàn)情境，使學(xué)生有做真實(shí)實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和主動(dòng)性。在內(nèi)容反饋方面，可以在虛擬實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)一些突發(fā)狀況或者意外情境，或者結(jié)合團(tuán)隊(duì)互助、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)上答疑、實(shí)時(shí)點(diǎn)評(píng)等新的教學(xué)手段，同時(shí)將實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的新問(wèn)題及時(shí)反饋給軟件設(shè)計(jì)者，便于其及時(shí)調(diào)整，增強(qiáng)系統(tǒng)交互性，這樣可持續(xù)滿足實(shí)際操作的具體需要和學(xué)生實(shí)際需求［20］。

3.3 健全長(zhǎng)效管理，完善維護(hù)保障體系

長(zhǎng)效的管理體制和完善的平臺(tái)保障體系是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目開(kāi)放共享和可持續(xù)發(fā)展的重要保障。在搞好虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的同時(shí)要強(qiáng)化平臺(tái)制度建設(shè)，形成一套科學(xué)有效的運(yùn)行管理機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效管理。比如教師方面，可以制定標(biāo)準(zhǔn)化的操作手冊(cè)和考核方法，以避免不遵循指導(dǎo)的學(xué)生自己體驗(yàn)和操作實(shí)驗(yàn)，造成不良結(jié)果；高?；蛘咂脚_(tái)方面，可以建立一套科學(xué)合理的引導(dǎo)政策和激勵(lì)機(jī)制，如制定合理的虛擬仿真項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)績(jī)效評(píng)價(jià)體系，提升平臺(tái)資源認(rèn)可度并設(shè)置相應(yīng)科研獎(jiǎng)勵(lì)等，從而促進(jìn)平臺(tái)利用率和資源開(kāi)發(fā)效率。為提升平臺(tái)項(xiàng)目的口碑與可使用性，完善的維護(hù)保障體系也必不可少。相關(guān)高校要按照國(guó)家要求，加強(qiáng)對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目對(duì)外聯(lián)通和服務(wù)情況的監(jiān)管，并針對(duì)反饋結(jié)果及時(shí)對(duì)項(xiàng)目功能和問(wèn)題進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化，保證虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的可持續(xù)運(yùn)行［21］。

4 結(jié)語(yǔ)

將虛擬仿真技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相融合是高等教育信息化必然趨勢(shì)，不管是從經(jīng)濟(jì)效益、安全角度，還是從人才培養(yǎng)、資源配置的角度，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用發(fā)展都為高等院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革帶來(lái)了極大便利。本文以國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)——“實(shí)驗(yàn)空間”開(kāi)放的2017-2021 年虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目為研究對(duì)象，分析當(dāng)前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)現(xiàn)狀和應(yīng)用情況，并針對(duì)當(dāng)前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題提出優(yōu)化策略，以期為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的未來(lái)應(yīng)用發(fā)展提供實(shí)踐啟示。各大院校應(yīng)積極響應(yīng)教育部關(guān)于推進(jìn)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的工作要求，努力探索全新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，推動(dòng)高等教育事業(yè)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展。