國內(nèi)外高等學(xué)校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)展綜述

侯 慧 朱韶華 張清勇 李向舜 楊 旭

(武漢理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 武漢 430070)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神、實(shí)踐創(chuàng)新能力和承擔(dān)社會(huì)實(shí)踐責(zé)任感的重要教育內(nèi)容，而現(xiàn)在高校傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系和教育方法已經(jīng)不能充分滿足這兩個(gè)方面的實(shí)際需求，必須進(jìn)行教學(xué)變革和技術(shù)更新，以能夠適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷進(jìn)步和高校人才培養(yǎng)發(fā)展需要，同時(shí)也必須滿足高校對于實(shí)驗(yàn)教學(xué)自身文化內(nèi)涵不斷發(fā)展的實(shí)際需求[1]。另一方面，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程是學(xué)校理論教學(xué)的有效延續(xù)，是教師使全體學(xué)生對以前所學(xué)到的知識(shí)進(jìn)行消化吸收的重要過程[2]。然而由于受到實(shí)驗(yàn)教學(xué)場地以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的嚴(yán)重限制，很多實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目達(dá)不到補(bǔ)充理論教學(xué)的基本要求。而基于這種虛擬仿真技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于投資少、安全性高，可以將其設(shè)計(jì)為在極端惡劣條件下運(yùn)行的虛擬實(shí)驗(yàn)，為學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展提供了有力的技術(shù)支持[3-4]。

2020年，在疫情沖擊的背景之下，教育部出臺(tái)了《關(guān)于在疫情防控期間做好普通高等學(xué)校在線教學(xué)組織與管理工作的指導(dǎo)意見》，保證了疫情期間的教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)“離校不離教，停課不停學(xué)”[5]。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以完全脫離教學(xué)時(shí)空的限制，構(gòu)建一個(gè)近乎真實(shí)的虛擬課堂作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)對象和教學(xué)環(huán)境，能夠讓高校學(xué)生在一個(gè)虛擬的課堂環(huán)境中輕松實(shí)現(xiàn)各種自主實(shí)驗(yàn)操作，滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱規(guī)定要求的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。所以在疫情嚴(yán)重的背景下，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對高校學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義，是對高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)很好的補(bǔ)充[6]。

所以在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的重要性越顯突出，有必要對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的發(fā)展進(jìn)行探討。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

教育部在2013年啟動(dòng)了國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)工作，已建成國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心300個(gè)[7]覆蓋全國27個(gè)省、自治區(qū)和直轄市。300個(gè)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心覆蓋了除哲學(xué)外的12個(gè)學(xué)科門類，其中理工類215個(gè)，農(nóng)林醫(yī)藥類42個(gè)，人文社科類43個(gè)。從中可以明顯看出大學(xué)理工類相關(guān)學(xué)科對進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的技術(shù)需求量和要求遠(yuǎn)比人文類和社科類高。同時(shí)，教育部也十分看重大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的自主創(chuàng)新研發(fā)，啟動(dòng)了2017-2020年建設(shè)1000項(xiàng)左右示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)開發(fā)工作[8]。截止至2020年2月，在國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)：iLab實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，已經(jīng)接入2079項(xiàng)擁有自主產(chǎn)權(quán)的優(yōu)質(zhì)可共享的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，涵蓋41個(gè)專業(yè)類別中的255個(gè)專業(yè)和1561門課程[9]。iLab實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)數(shù)量如表1所示。

表1 iLab實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中各專業(yè)實(shí)驗(yàn)數(shù)量

中南大學(xué)成立了“機(jī)械工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”，將機(jī)械工程專業(yè)作為基礎(chǔ)，以高性能復(fù)雜構(gòu)件裝備、復(fù)雜曲面制造、微電子制造等學(xué)科作為特色，積極探索拓展了學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理論深度和知識(shí)廣度，發(fā)揮了與互聯(lián)網(wǎng)和其他學(xué)科融合優(yōu)勢。建立了與“機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心國家示范實(shí)驗(yàn)室”相輔相成、優(yōu)勢互補(bǔ)的綜合教學(xué)資源，做到了對教學(xué)理論實(shí)踐教學(xué)的優(yōu)質(zhì)化和補(bǔ)充[10]。

江蘇大學(xué)于2016年獲批成立“車輛工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”。中心圍繞“汽車構(gòu)造”“汽車?yán)碚摗薄捌囋O(shè)計(jì)”“汽車電子”“汽車測試技術(shù)”“新能源汽車”等六個(gè)核心學(xué)科特色并將專業(yè)課程建設(shè)作為學(xué)科教學(xué)建設(shè)目標(biāo)，將車輛結(jié)構(gòu)原理、車輛動(dòng)力學(xué)性能、汽車電子與測試技術(shù)、新能源汽車、汽車制造技術(shù)等知識(shí)模塊相結(jié)合。通過企業(yè)自主創(chuàng)新開發(fā)、科研成果高效轉(zhuǎn)化、資源合理的充分利用，構(gòu)建了“汽車構(gòu)造原理與虛擬拆裝”“汽車性能仿真”“汽車電子與測試技術(shù)”“新能源汽車”及“汽車制造技術(shù)”等五大專業(yè)虛擬仿真課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)平臺(tái)，主要可以服務(wù)于車輛工程、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、熱能與動(dòng)力工程等多個(gè)專業(yè)，共累計(jì)開發(fā)了48個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目[11]。

南開大學(xué)醫(yī)學(xué)院成立“醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”。該校的虛擬人體仿真解剖實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究中心具有知識(shí)點(diǎn)含量非常豐富的人體影像解剖病例數(shù)據(jù)庫，使解剖實(shí)驗(yàn)教學(xué)擺脫了傳統(tǒng)解剖實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對解剖人體以及尸體的嚴(yán)重依賴，同時(shí)也充分做到了與真實(shí)實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合，既大大提高了虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)成功率,改善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，也徹底打破了實(shí)驗(yàn)時(shí)間和教學(xué)空間的雙重限制，擴(kuò)充了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的內(nèi)容。同時(shí)還積極響應(yīng)黨的國家號(hào)召，落實(shí)執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)提出的“減少”“替代”“優(yōu)化”實(shí)驗(yàn)室和動(dòng)物保護(hù)使用的“3R”保護(hù)原則，更好地有效保護(hù)環(huán)境[12]。

大連理工大學(xué)依托校內(nèi)資源“軟件工程綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”“省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心”，成立了“軟件工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”，發(fā)揮了大連理工大學(xué)學(xué)校軟件信息工程實(shí)驗(yàn)學(xué)科的自身優(yōu)勢，堅(jiān)持軟件教學(xué)與實(shí)驗(yàn)科研有機(jī)結(jié)合，將教學(xué)科研成果不斷創(chuàng)新轉(zhuǎn)化并成為軟件實(shí)驗(yàn)教學(xué)科研資源。同時(shí)它還綜合利用學(xué)校云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、多媒體等信息技術(shù)，支持其他重點(diǎn)大學(xué)、合作教育企業(yè)進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用，充分體現(xiàn)了教學(xué)資源整合開放、應(yīng)用技術(shù)開放、服務(wù)開放的辦學(xué)特色[13]。

南昌大學(xué)建立了“醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”，該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心包含主要包含基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、臨床醫(yī)學(xué)教育虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)、護(hù)理學(xué)教育虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，里面分別內(nèi)置了大量自行自主開發(fā)或國外購置的學(xué)科教育虛擬學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)課程、資源庫等。同時(shí)該學(xué)院醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)中心先后承擔(dān)了包括臨床醫(yī)學(xué)、預(yù)防疾病醫(yī)學(xué)、醫(yī)學(xué)動(dòng)物檢驗(yàn)、衛(wèi)生醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)與動(dòng)物檢疫、麻醉學(xué)、醫(yī)學(xué)影像處理學(xué)、口腔醫(yī)學(xué)、護(hù)理學(xué)、藥學(xué)、眼科等10個(gè)臨床醫(yī)學(xué)大類本科專業(yè)及中英班、卓越學(xué)院醫(yī)生精英班、留學(xué)生班的各類醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)任務(wù)，開設(shè)各類實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程30門。此外，南昌大學(xué)醫(yī)院作為華東地區(qū)主要的市級(jí)醫(yī)療衛(wèi)生部門從業(yè)人員技能培訓(xùn)基地，承接了很多附近醫(yī)院附屬醫(yī)院及江西省委派的專業(yè)醫(yī)護(hù)人員衛(wèi)生技能素質(zhì)培訓(xùn)及開展實(shí)踐衛(wèi)生技能訓(xùn)練比賽等培訓(xùn)活動(dòng)[14]。

廈門大學(xué)組建了“廈門大學(xué)機(jī)電類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心依托物理與機(jī)電工程學(xué)院，構(gòu)建了高度仿真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，包括電氣技術(shù)實(shí)踐訓(xùn)練、數(shù)控技術(shù)實(shí)踐訓(xùn)練、電子技術(shù)實(shí)踐訓(xùn)練以及模具設(shè)計(jì)與制造四個(gè)實(shí)訓(xùn)門類共15門課程。并且，實(shí)訓(xùn)中心通過一個(gè)遠(yuǎn)程控制實(shí)訓(xùn)共享網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)面向廣大全校學(xué)生進(jìn)行共享，學(xué)生們也可隨時(shí)遠(yuǎn)程訪問這個(gè)實(shí)訓(xùn)共享平臺(tái)。中心主要面向?qū)W院全校16個(gè)本科專業(yè)學(xué)生開設(shè)遠(yuǎn)程實(shí)踐技能訓(xùn)練系列課程，并在遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上免費(fèi)開設(shè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)訓(xùn)練課程[15]。

而在國外，美國新媒體聯(lián)盟早在2002年就開始了對虛擬仿真融入到教育領(lǐng)域的規(guī)劃。耶魯大學(xué)充分發(fā)揮學(xué)校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢，采用智能平板電腦模擬完成分子生物學(xué)、細(xì)跑生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)等學(xué)科課程的虛擬實(shí)驗(yàn)。學(xué)生們可以共同分享在實(shí)驗(yàn)室光學(xué)顯微鏡中實(shí)時(shí)獲取的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)圖像等信息資源，對實(shí)驗(yàn)圖像數(shù)據(jù)分析進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄、分析?？屏_拉多大學(xué)構(gòu)建了一個(gè)結(jié)構(gòu)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室，可以讓學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化的學(xué)習(xí)和自主性的實(shí)驗(yàn)。加州大學(xué)圣迭戈分校開發(fā)了虛擬仿真系統(tǒng)為學(xué)生們展現(xiàn)了公元前十世紀(jì)的約旦堡壘，以破解這一巨型堡壘的建筑之謎。

英國開放大學(xué)開發(fā)了支持遠(yuǎn)程控制、虛擬儀器、交互式多媒體實(shí)驗(yàn)、在線分析與綜合研究的大學(xué)實(shí)驗(yàn)管理平臺(tái)，可以在線快速實(shí)現(xiàn)所有大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的管理功能。學(xué)生同時(shí)可以通過網(wǎng)上下載遙控虛擬儀器應(yīng)用軟件直接進(jìn)行手機(jī)在線模擬實(shí)驗(yàn)。其中,應(yīng)用于地球科學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究的各種虛擬巖石顯微鏡設(shè)備可直接提供當(dāng)前全球存放在來自世界各地科學(xué)博物館、大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)倉庫中的各種地球表面優(yōu)質(zhì)巖石材料和數(shù)百種地球優(yōu)質(zhì)巖石材料樣本。既有效避免了昂貴的顯微鏡、薄膜和切片等的制備基礎(chǔ)設(shè)施與儀器設(shè)備的前期購置費(fèi)，還同時(shí)可以直接作為全球開放資源共享的各種虛擬儀器設(shè)備使用。

作為印美高等教育領(lǐng)域校際合作重要內(nèi)容,美國21所頂尖大學(xué)充分利用印度甘露大學(xué)的遠(yuǎn)程國際教育網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)為印度幾百所高校的國際學(xué)生提供開設(shè)了包括“計(jì)算機(jī)工程科學(xué)”“信息與電子通信”“生物技術(shù)”“材料科學(xué)”等多門網(wǎng)絡(luò)教育課程并與印度高校開展網(wǎng)上技術(shù)協(xié)作。在此基礎(chǔ)上印度甘露大學(xué)相繼成功啟動(dòng)了虛擬機(jī)器學(xué)習(xí)平臺(tái)、網(wǎng)上聯(lián)合研究中心和在線學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)室(online-labs)等一批重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。

1）開啟智能手機(jī)的APP功能，下載百詞斬、扇貝打卡等客戶端，結(jié)合自身情況，規(guī)定任務(wù)量，每天記憶單詞，反復(fù)鞏固，擴(kuò)充詞匯量，夯實(shí)聽力基礎(chǔ)。

澳大利亞雷德蘭茲大學(xué)利用智能平板電腦易隨身攜帶、高分辨率大屏顯示和智能觸摸屏的三大特點(diǎn)，以此方式替代笨重的科學(xué)實(shí)驗(yàn)地理儀器、視頻廣播設(shè)備和其他的昂貴教學(xué)工具，開展了野外實(shí)地體驗(yàn)教學(xué)，與在校學(xué)生們一起分享地圖拍攝全景照片、地圖注解、全球地形等圖片相關(guān)資料，同時(shí)收集和整理分享了地球巖石地理數(shù)據(jù)。

西班牙馬德里IE商學(xué)院運(yùn)用名為唐寧街10號(hào)的職業(yè)教育教學(xué)游戲軟件開展專題教學(xué)，可以有效讓廣大學(xué)生快速學(xué)習(xí)和深入了解當(dāng)前全球相關(guān)經(jīng)濟(jì)、政治領(lǐng)域的巨大復(fù)雜性，寓教于樂，使廣大學(xué)生能夠站在更高更深層次角度進(jìn)行問題思考，培養(yǎng)學(xué)生了解全球經(jīng)濟(jì)相關(guān)領(lǐng)域緊迫性和解決問題的實(shí)際操作能力[16]。

2 發(fā)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的必要性

如今實(shí)踐教學(xué)的重要性越發(fā)凸顯出來，良好的實(shí)踐教育可以幫助學(xué)生對自己的專業(yè)有更好的了解，使學(xué)生充分的定位自己的職業(yè)方向。而隨著互聯(lián)網(wǎng)、信息化的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)成為了實(shí)踐教學(xué)的重要陣地。目前，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的日漸成熟，以及國內(nèi)高校信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)越來越完備，不少國內(nèi)高校已具備開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的條件，并根據(jù)教學(xué)和科研的需求建立了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室[17]。

首先，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理方式存在很大的技術(shù)局限性。一般來說，普通高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)場地有限，不能提供足夠的場地空間以安放綜合實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備，并無法容納數(shù)量眾多的學(xué)生開展綜合實(shí)驗(yàn)。而且許多大學(xué)精密儀器往往有著昂貴的檢修維護(hù)費(fèi)用，無法及時(shí)供應(yīng)學(xué)生們?nèi)粘２僮魇褂?。專業(yè)人員短缺同樣嚴(yán)重限制著高校傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的發(fā)展，高技術(shù)素質(zhì)的實(shí)驗(yàn)教育人才較為難得，實(shí)驗(yàn)教師的職業(yè)局限性也不可避免[18]。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有著更高效的教學(xué)模式，如圖1所示，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)增強(qiáng)了老師對學(xué)生們的了解，可以更好地進(jìn)行師生間的互動(dòng)。虛擬世界有著無限的空間，可以讓學(xué)生們體驗(yàn)現(xiàn)實(shí)中昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，同時(shí)讓教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中解放出來，更方便地去了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況。所以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有著不可比擬的優(yōu)越性。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)圖

其次，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有開放性，有效地打破了時(shí)間和空間的界限。學(xué)生可以自由地安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間，根據(jù)自己的興趣愛好可以選擇課外實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，也就是可以同時(shí)瀏覽其他高等學(xué)校其他專業(yè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，豐富課外知識(shí)。同時(shí)，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡，教育資源也很不平衡。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成果依托互聯(lián)網(wǎng)，可以有效地拓寬實(shí)驗(yàn)收益覆蓋面積[19]。例如清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)空間(www.ilab-x.com)2018年2月1日開始上線運(yùn)營，40天時(shí)間注冊用戶超10萬，訪問量超186萬，評(píng)論量近9萬條，被收藏3萬多次，美國、加拿大等國家人員訪問量近3萬，單個(gè)項(xiàng)目最多訪問量超過5000次[20]。

最后，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的發(fā)展符合了實(shí)驗(yàn)改革與創(chuàng)新的需要。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)形式，改善教學(xué)互動(dòng)方式，提高學(xué)生興趣，有助于學(xué)生更好地了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，發(fā)展學(xué)生創(chuàng)新思維。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)面臨的挑戰(zhàn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的廣泛應(yīng)用極大地幫助了高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展，豐富了高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，提高了在校學(xué)生們的學(xué)習(xí)積極性，但是我國目前關(guān)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用發(fā)展仍然存有許多現(xiàn)實(shí)問題。

二是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性不強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)的交互方式較為單一。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充與延伸[22]，但是目前國內(nèi)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)多為演示性實(shí)驗(yàn)，仍以圖片、視頻、動(dòng)畫為主，情景創(chuàng)設(shè)較為呆板，只是為學(xué)生們提供了實(shí)驗(yàn)場地，未能很好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。而且實(shí)驗(yàn)流程過于機(jī)械化，學(xué)生需要嚴(yán)格按照操作步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這嚴(yán)重阻礙了學(xué)生對知識(shí)的探索，忽略了學(xué)生的主觀能動(dòng)性。

三是與課程的結(jié)合度不夠。國內(nèi)大多高校都是依托企業(yè)來進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)，甚至直接購買現(xiàn)成的軟件和資源，未經(jīng)過二次加工，實(shí)驗(yàn)缺乏特色，未能發(fā)揮高校的學(xué)科優(yōu)勢與專業(yè)特長。同時(shí)由于開發(fā)技術(shù)人員并不能很好地了解學(xué)科專業(yè)，教師又缺乏與技術(shù)人員的交流，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)與課程內(nèi)容的脫節(jié)，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)并不能與課程教學(xué)進(jìn)行良好互補(bǔ)。

最后是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的適用范圍有限，國內(nèi)多數(shù)高校開發(fā)的仿真實(shí)驗(yàn)只是在本校中使用，并未達(dá)到大范圍實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享。并且因?yàn)殚_發(fā)環(huán)境不同，各大高校的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)并不兼容，使用起來并不順暢，嚴(yán)重阻礙了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的開放傳播。因此，各大高?；咎幱谧孕惺褂玫臓顟B(tài)，很容易出現(xiàn)重復(fù)開發(fā)的現(xiàn)象，浪費(fèi)資源[23]。

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革動(dòng)向

隨著互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展，以信息技術(shù)為主導(dǎo)的新一波教育技術(shù)極大地沖擊著國內(nèi)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的發(fā)展面貌，未來虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的改革發(fā)展方向可總結(jié)如下。

首先，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)要更加注重學(xué)生的自主探索，更好地與課程結(jié)合起來，調(diào)動(dòng)學(xué)生主觀能動(dòng)性，建立更多依靠學(xué)生自主探索的創(chuàng)客空間，和配備有傳統(tǒng)的先進(jìn)的數(shù)字化設(shè)備的開放實(shí)驗(yàn)室。例如英國普利茅斯藝術(shù)學(xué)院與歐洲一些主要的微觀裝配實(shí)驗(yàn)室合作，將工坊與專業(yè)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，利用3D打印機(jī)和掃描儀實(shí)現(xiàn)自由實(shí)驗(yàn)探索[24-26]。

其次，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，會(huì)使得實(shí)驗(yàn)的交互方式變得多樣起來，使虛擬仿真實(shí)驗(yàn)跳出演示實(shí)驗(yàn)的范疇，更好地增加學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。一些發(fā)達(dá)國家對未來高校教室和教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了一定的研究探索。例如:新加坡南洋理工大學(xué)的COTF (Classroom of the Future)、東京大學(xué)的KALS (Komaba Active Learning Studio)、德國伊爾默瑙工業(yè)大學(xué)的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室、美國明尼蘇達(dá)大學(xué)的主動(dòng)學(xué)習(xí)樓，以及美國匹茲堡大學(xué)的可擴(kuò)展協(xié)作學(xué)習(xí)空間[27-28]。

第三，建設(shè)真正開放共享的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)為主。各高校之間加強(qiáng)交流協(xié)作，統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，擴(kuò)大受益面，真正地做到資源共享。其次要積極引導(dǎo)社會(huì)參與，通過校企合作共同研發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，構(gòu)建合作共贏、利益共享的合作方式。此外還需要建立有效的監(jiān)督評(píng)價(jià)體系，讓學(xué)生可以自主地參與到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)中來，為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)注入活力。

最后，要完善知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源是智力勞動(dòng)成果,具有明顯的知識(shí)所屬權(quán)，所以有必要健全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，切實(shí)保護(hù)研發(fā)者利益。

5 結(jié)語

綜上所述，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的發(fā)展還有很長的路 要走，但隨著信息化的不斷加深，隨著5G和AI (Artificial Intelligence)等科學(xué)技術(shù)深入發(fā)展，虛擬 仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢會(huì)越發(fā)地明顯，發(fā)揮更大的作 用。根據(jù)對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀做了闡述，對發(fā)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的必要性和面臨的挑戰(zhàn) 進(jìn)行總結(jié)，以及對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的改革與發(fā)展進(jìn)行簡單的展望，都可對我國虛擬仿真實(shí)驗(yàn)未來的發(fā)展建設(shè)有一定參考作用。