民族類高校虛擬仿真實驗建設與改革研究

孔德龍，胡萬欣

（中南民族大學計算機科學學院，湖北武漢 430074）

中國是一個多民族聚居的國家，西部少數(shù)民族地區(qū)相比中東部地區(qū)普遍存在經(jīng)濟基礎偏弱、人才匱乏的問題[1-2]。針對該問題，設置了為中西部少數(shù)民族地區(qū)培養(yǎng)高水平知識人才的民族類高校，其在中國高等教育體系中具有重要的位置。但由于民族類高校學生整體學習基礎偏弱，加之教育資源相對有限、行業(yè)支持程度較低，整體實驗教學效果受到了很大的影響。又由于新冠疫情的影響現(xiàn)有線上實驗教學質量與方式過于單一，不能滿足目前本科實驗教學的要求與發(fā)展趨勢。

虛擬現(xiàn)實技術是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，它利用計算機生成一種模擬環(huán)境，使用戶沉浸到該環(huán)境中[3-4]。通過將多源信息進行處理和融合，在計算機系統(tǒng)中仿真實驗三維場景與物體實體行為，用戶可在該場景中通過交互式行為實現(xiàn)主要操作并得到模擬真實環(huán)境的反饋。目前該技術在醫(yī)療、教育、航空、軍事等領域得到了廣泛的應用[5]。民族類高校如何利用虛擬現(xiàn)實技術，并根據(jù)自身特點開發(fā)與設計符合民族類高校學生實際情況的實驗項目是一個急需解決的問題。

1 民族類高校實驗建設現(xiàn)狀

通過多年的發(fā)展民族類高校實驗建設取得了長足的進步，在資金投入、設備更新方面與其他傳統(tǒng)高校之間的差距在日益縮小。但由于民族類高校自身的特殊性，其實驗建設仍然存在以下問題。

1.1 學生基礎偏弱，教學效果差

設置民族類高校的目的是為中國少數(shù)民族地區(qū)培養(yǎng)高水平知識人才，因此民族類高校中少數(shù)民族學生比例較高。但由于大多數(shù)少數(shù)民族學生來自中西部欠發(fā)達地區(qū)，導致民族類高校學生整體學習基礎偏弱。加之，以訓練自學能力的本科學習方式與以訓練應試能力的中學學習方式之間存在較大差異，導致大多數(shù)學生存在課堂教學“聽不懂”，實驗教學“不會做”問題。

1.2 實驗設備昂貴，實驗空間有限

隨著本科實驗教學水平的不斷發(fā)展，對于本科實驗教學中實驗設備的質量與種類也有了更高的要求。但目前很多專業(yè)實驗設備造價昂貴，且需要較大的實驗空間來存放，出現(xiàn)了本科實驗教學實驗設備陳舊、發(fā)展緩慢的問題。

1.3 行業(yè)背景不足，內容更新慢

本科實驗教學內容在講解專業(yè)基礎知識夯實學生基本知識的基礎上，還需通過向學生介紹行業(yè)前沿從而拓寬學生的眼界、提高學生的專業(yè)敏感性。但民族類高校在大多數(shù)領域缺乏行業(yè)相關研究所、企業(yè)等機構的支持，從而導致實驗教學中實驗內容陳舊、更新速度慢，從而影響了實驗教學的質量。

1.4 實驗不能一直開放，使用效率低

本科實驗教學以實驗室實物教學為主，因此需要學生到專業(yè)實驗室中進行實驗。但由于實驗室統(tǒng)一管理問題不能做到一直開放，導致實驗教學資源閑置、使用效率低。

2 民族類高校虛擬仿真實驗建設的意義與必要性

傳統(tǒng)實驗過程具有操作反饋性強、評價方式完善等優(yōu)勢，但同時也存在實驗室建設投資較大，實驗內容受場地、時間、安全等因素制約，實驗的內容設置單一、效率低下等問題。加之，后疫情時代背景下對線上課程與實驗教學的要求，急需對傳統(tǒng)實驗教學方式進行有效的補充和增強。隨著虛擬現(xiàn)實技術的出現(xiàn)與快速發(fā)展，通過虛擬建模模擬實驗場景，并利用沉浸式體驗實現(xiàn)人機交互，從而達到實驗教學的目的與內容，為傳統(tǒng)實驗課程的設計與實現(xiàn)提供了新的思路與方法。

利用虛擬現(xiàn)實技術進行實驗設計具有以下優(yōu)勢：①相對投資少。由于完全擺脫了實驗場地與設施的限制，初期投入較低，可以解決民族類高校教育資源較少的問題。②增強行業(yè)背景。通過與行業(yè)內相關企業(yè)進行合作，可以解決民族類高校中非民族類專業(yè)行業(yè)背景不突出的問題。③提高教學質量。通過線上實驗開放，學生可以隨時查看并完成實驗，解決民族類高校學生基礎薄弱，實驗完成難度較大、時間較長的問題。④充實實驗內容。虛擬仿真實驗可以在傳統(tǒng)實驗基礎上充實實驗教學的內容，提高學生的學習熱情，提高教學效果并促進教學資源的合理配置。⑤提高學生實踐能力。通過在虛擬場景下的操作，改善目前線上實驗教學只以觀察為主的教學方式，提高學生的實踐操作能力。

3 民族類高校虛擬仿真實驗建設思路

虛擬仿真實驗的建設思路是通過計算機軟件來模擬真實硬件實驗設備或系統(tǒng)的功能與操作方式，從而學習與探索實驗中的科學道理。根據(jù)其實驗目的與呈現(xiàn)方式，其實驗內容主要分為2 類：一類實驗為認識性實驗，主要為通識課程或基礎課程服務，教學內容主要為基本科學原理的認識與技能學習，呈現(xiàn)方式以認識性或體驗性教學為主，通過觀察與體驗從而對基本知識進行掌握；另一類實驗為探索性實驗，主要為專業(yè)核心課程服務，教學內容強調科學原理的驗證與探索，呈現(xiàn)方式以交互式操作為主，通過一定的操作對專業(yè)知識與實踐技能進行學習，在此基礎上利用實驗內容的設置引導學生或教師開展科學研究。

虛擬仿真實驗的總體建設思路為：①實驗內容的選擇應切實可行。實驗內容的設置應充分滿足“虛實結合、能實不虛”的基本原則，以基本教學需求為導向，同時充分考慮專業(yè)性質、系統(tǒng)軟硬件條件與在線服務師資力量。②實驗內容的設定應具有科學性。實驗過程的設計應完全遵循基本科學規(guī)律，虛擬場景下物體或設備的交互反應需滿足物理與化學原理，避免出現(xiàn)盲目追求實驗效果而違背科學原理的問題。③實驗過程的設計應突出交互性。實驗教學的主要目的為在理論知識的基礎上通過實驗操作提升學生的實踐能力，因此實驗過程應設計相應的交互性操作并設置在線答疑模塊，實驗系統(tǒng)整體內容設置中以交互探索性實驗內容為主，認識性實驗為輔。④實驗系統(tǒng)學時設置應合理。實驗系統(tǒng)應以合理的學時設置實驗場景與內容，將實驗教學內容以合理的時間進行切割，避免出現(xiàn)線上實驗時間過長而導致學生視覺疲勞、興趣下降的問題。⑤實驗系統(tǒng)的設計應向綜合性發(fā)展。實驗系統(tǒng)的建設應從單一性的理論知識設計向綜合性實驗平臺發(fā)展，采取多個小實驗進行系統(tǒng)性組合形成完整的知識體系，并通過多個知識點的交叉式設計與工程實際相結合，提高實驗系統(tǒng)的真實度與可用性。⑥實驗系統(tǒng)的設計應采用多種類型的混合式教學模式。虛擬仿真實驗的目的是對傳統(tǒng)實驗內容的擴充并不是將其取代，因此實驗系統(tǒng)的設計應采用線下、線上多種模式，并與傳統(tǒng)實驗進行一定的關聯(lián)，從而提高虛擬仿真實驗系統(tǒng)與傳統(tǒng)實驗的統(tǒng)一度。⑦實驗系統(tǒng)的設計應具有完善的輔助模塊。虛擬仿真實驗主要采用線上方式實現(xiàn)，因此在遠程登錄與操作過程中，系統(tǒng)應提供完善的輔助功能，如操作提示、在線答疑、預習模塊、評價系統(tǒng)等，從而提高虛擬仿真實驗系統(tǒng)的可操作性。

4 虛擬仿真實驗建設流程

虛擬仿真實驗建設應充分遵循“能實不虛”的原則，以本科專業(yè)教學目的為出發(fā)點，其一般建設流程為：①前期調研。虛擬仿真實驗在建設之初應充分參考行業(yè)優(yōu)勢，如高?；蚩蒲袡C構已有成功案例，總結其優(yōu)缺點為實驗項目服務。②教學內容規(guī)劃。虛擬仿真實驗在建設之前應以教學大綱要求為出發(fā)點，在充分考慮學生學習要求與基礎、在線課程時長的因素的情況下，合理設計教學內容。③交互方式設計。虛擬仿真實驗在確定教學內容后，應根據(jù)教學內容特點選擇合理的呈現(xiàn)與交互方式，做到以交互為主、體驗為輔的呈現(xiàn)效果。④輔助功能設計。虛擬仿真實驗在完整的教學內容基礎上，還應針對學生線上、線下學習要求設計足夠的功能，如在線答疑、預習測試、在線評閱、綜合評價等輔助功能。⑤內部測試與試運行。虛擬仿真實驗系統(tǒng)在建設完成后，應邀請行業(yè)專家進行評估，并根據(jù)評估結果進行相應的完善。在內部測試結束后，還應在一段范圍內進行試運行，測試系統(tǒng)承載能力并根據(jù)該能力制定合理的開放方式。⑥正式運行并定時更新。虛擬仿真實驗系統(tǒng)正式運行后，可通過在線問卷、評價意見等方式收集用戶使用反饋，并根據(jù)該信息定時進行修改更新。

5 虛擬仿真實驗建設方法

5.1 立足專業(yè)本身，突出自身特點

虛擬仿真實驗在建設工程中應立足學校定位與專業(yè)本身，通過對本專業(yè)理論體系的把握與學生基本情況，突出實驗內容的特點與專業(yè)性。應基于“新工科”研究與實踐的要求，制定虛擬仿真實驗的建設規(guī)劃，在深度挖掘單個知識點的基礎上設計相符的實驗過程與效果，完成對應實驗的設計，并將多個實驗進行整合，從而實現(xiàn)綜合性實驗平臺的建設。并在此過程中，瞄準行業(yè)發(fā)展前沿，積極建設特色實驗，實現(xiàn)科研與教學的聯(lián)系與統(tǒng)一。在此基礎上，民族類高校在虛擬仿真實驗設置中應多設計基礎知識預習與復習等模塊，增大操作提示與在線答疑力度，并有針對性地延長實驗時間，以解決學生學習基礎薄弱的問題。

5.2 體現(xiàn)虛實結合，加強行業(yè)合作

虛擬仿真與傳統(tǒng)實驗應相互區(qū)分，針對各自的特點進行實驗內容的設計，避免出現(xiàn)實驗內容建設相互重復、交叉的問題。虛擬仿真實驗內容的選擇應主要針對傳統(tǒng)實驗因場地或安全原因無法實現(xiàn)的教學內容，而傳統(tǒng)實驗可以實現(xiàn)的教學內容可在虛擬仿真實驗中體現(xiàn)，但不應作為主要內容進行建設。在虛擬仿真實驗中可嘗試實現(xiàn)虛擬設備與真實設備的互聯(lián)互通，從而提高虛擬仿真實驗的真實性與可用性。另外，虛擬仿真實驗的建設是一項長期的過程，在此過程中應加強與行業(yè)企業(yè)或相關開發(fā)企業(yè)的聯(lián)系，通過走與企業(yè)共同研發(fā)的道路，從而使虛擬仿真實驗內容不斷緊跟行業(yè)前沿的發(fā)展，并保證建設過程中的技術支持與可持續(xù)性，加強科研成果轉化與教育教學之間的聯(lián)系。而在此基礎上，民族類高?？蓢L試通過積極與其他相關高校進行合作開發(fā)，有針對性地進行實驗內容的提升從而解決行業(yè)支持度不夠的問題。

5.3 完善評價標準，實現(xiàn)信息互動

虛擬仿真實驗應具有完善的評價標準，可對學生的操作過程進行判斷與評估，從而掌握學生的學生狀況。在此基礎上應設置相應的互通、評價途徑，通過學生的操作狀況與系統(tǒng)評價，對虛擬仿真實驗系統(tǒng)進行不斷的改進，以滿足學生的操作需求達到預期的教學目的。民族類高校還應積極探索符合自身特點的模塊，如多語言等實驗輔助模塊，并在虛擬仿真實驗建設之初，應積極調研本領域中其他高校的成功建設經(jīng)驗。在建設完成之后，應與其他高校、企業(yè)相互溝通、組織建設研討會確保資源和經(jīng)驗的信息共享。

6 結語

將虛擬仿真實驗引入到民族類高校的實驗建設體系中具有十分重要的意義，通過建設符合民族類高校自身特點的虛擬仿真實驗能夠彌補民族類高校實驗教學過程中的不足，解決教學資源相對匱乏、學生基礎差的問題。通過搭建三維虛擬仿真實驗場景，使學生在該場景中進行認知與交互式操作，實現(xiàn)在傳統(tǒng)實驗中大量不能實現(xiàn)的教學內容與教學目的，是對傳統(tǒng)實驗教學有力的補充與提高，并對學生實踐能力的提升具有一定的現(xiàn)實意義。