虛擬仿真實驗室建設及教學應用初探索

＊劉四化 楊純 羅婕 周貴寅 陶炳

（湖南工業(yè)大學生命科學與化學學院 湖南 412007）

虛擬仿真實驗教學是指利用信息化的重要技術，如虛擬現實、多媒體、人機互交、數據庫和網絡通訊等，依托人才培養(yǎng)方案特點，構建實踐教學所需、高度仿真的虛擬仿真實驗環(huán)境和實驗對象，學生可以在其構建的虛擬環(huán)境中開展實驗，達到真實實驗教學的效果[1]。高校虛擬仿真技術的普遍應用，打破了傳統實驗教學的界限，學生不但不需要親臨實驗現場，也可以如身臨其境般的參與如同真實環(huán)境的實驗過程，大大改善了教學環(huán)境，優(yōu)化實踐教學環(huán)節(jié)，提高了課堂效率。

1.虛擬仿真實驗室建設的必要性

2012年教育部發(fā)布《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020）》中指出要以教育信息化推動教育現代化，指明了國家未來十年教育信息化的發(fā)展方向[2]。隨后2013年8月教育部印發(fā)了《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》，闡述了虛擬仿真教學的內涵和要求，詳細解釋了虛擬仿真實驗教學中心建設的指導思想和建設內容，正式推動了實驗教學的改革，虛擬仿真技術開始嶄露頭角[3]。另根據教育部辦公廳關于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知，計劃到2020年認定1000項左右示范性虛擬仿真實驗教學項目，大大推動了各個高校對虛擬仿真實驗教學的建設。

(1)實驗教學的需要

化工專業(yè)是一個對學生實踐能力和動手能力要求十分高的專業(yè)，且在實踐過程中存在很多潛在危險，很難保證百分百的安全；化工專業(yè)的實驗課程主要依賴于化工設備比如管道、閥門、調節(jié)器、泵、換熱器、塔設備等，裝備復雜，控制點多，很難在正常的實際教學中讓學生徹底了解設備、安全操作設備；化工專業(yè)發(fā)展迅速，實驗設備更新換代快，已經不能很好地滿足學生基本實驗的需求，同時學校學院在經費有限的條件下還必須需要花費大量的人力財力去維護實驗設備。虛擬仿真實驗室的建設，可以減少教學投入、避免實踐風險，可以通過虛擬仿真技術將化工常用設備儀器很直觀的呈現在學生面前，讓學生在接近真實化工生產環(huán)境的虛擬現場可以手動操作各種設備，觀看設備的運轉過程，大大提高學生學習的趣味性、安全性和積極性[4]。

(2)實踐實習教學的需要

實踐實習環(huán)節(jié)一直是化工專業(yè)面臨的一大難題。作者從近幾年指導學生認識實習和生產實習發(fā)現，實習經費的缺乏、實習基地的選擇、實習時間的調控、實習效果的反饋、實習安全的保障等等問題突出，且難以得到有效解決。另外根據近幾年我院生產實習的結果來看，指導老師帶領學生去化工企業(yè)進行現場實習，會約束學生行為，整個過程中學生只能看不能動，易產生操作恐懼，另設備流程只看表象而不明白真實運行狀態(tài)，使學生很難將理論與實際相結合。通過將虛擬仿真教學與人才培養(yǎng)過程中的認識實習、生產實習及畢業(yè)實習相結合，可以用虛擬環(huán)境去代替高危險、高污染、高消耗以及高成本的實踐環(huán)節(jié)，讓學生在高度仿真的場景中開展實踐學習，不僅教學上可以節(jié)省大量時間和費用，避免因操作不當帶來安全事故，還能有效提高學生的實踐能力，彌補實踐教學資源不足，強化學習的效果[5]。

(3)教學改革的需要

在化學化工實踐課程的教學中，傳統的授課受限于實驗設備臺套數、實驗場地、操作安全等因素，學生很難直觀的了解實驗設備的儀器構造、過程、實驗現象等，很難達到真正的實踐作用，且學生真實實驗出錯后會造成儀器損壞、試劑浪費等現象，使理論聯系存在一定偏差。虛擬仿真實驗教學作為一種新型的教育教學方法，是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心的重要組成部分，是高等教育、人才培養(yǎng)、專業(yè)建設、學科發(fā)展與信息技術相結合且必不可少的重要評價體系。近幾年高校擴招，需要進入實驗室參與實驗的學生人數越來越多，而受到實驗產地、實驗設備、實驗老師有限等因素影響，另外傳統的實驗教學方法單一，理論和實踐操作相互分離，學生缺乏學習主動性和創(chuàng)造性，已經不能滿足“新工科”形勢下的教學需求。虛擬仿真實驗教學作為實踐教學的第二課堂，線下與線上教學相結合，即可順應以教育信息化工作為主線的高等教育改革教育發(fā)展趨勢，也是實驗教學創(chuàng)新和改革的需要[6]。

(4)大型精密儀器操作的需要

自從國務院辦公廳出臺《國務院辦公廳關于深化高等學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》，高校對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)愈來愈重視，也大力鼓勵學生積極參與該類科技活動。而隨著本科生參與學科競賽以及科研項目的人數越來越多，更多的學生將接觸到諸多大型精密儀器，例如氣相色譜儀、液相色譜儀、紅外光譜、核磁共振等，對于設備的添置、管理和維護變的愈發(fā)困難。通過虛擬仿真技術構建一個真實的實驗環(huán)境，可以讓學生在線上和線下同時學習各類大型儀器的基本原理和操作要領，大大降低學生因操作失誤而造成儀器損壞的可能性。另虛擬仿真平臺的建立，也節(jié)省了設備購置費，彌補傳統實驗室設備不足的問題[7]。

2.我院虛擬仿真平臺建設現狀

湖南工業(yè)大學生命科學與化學學院化學化工實訓中心依托基礎化學實驗教學中心，服務于我院應化、化工等相關專業(yè)，建設原則是“虛實結合、相互補充、能實不虛”。在建立本院虛擬仿真平臺前，我院成立專題小組，分析化學化工專業(yè)基礎和核心課程教學大綱，組織教師深入企業(yè)調研，根據企業(yè)需要、學生需求再結合虛擬仿真資源而建立。該平臺通過賬號密碼登入，管理員端登入主要負責上傳下載相關的學習插件、資源，檢測網站是否正常運行，確保運行網絡暢通；教師端登入能夠在平臺上觀看學生學習進度，學習時長和學習結果，能進行簡單的問題答疑；學生端登入能夠在平臺上進行實驗項目理論知識學習，選擇實驗項目進行仿真操作。

本平臺從2018年開始構建,目前已涵蓋化工原理虛擬仿真實驗、化工工藝仿真實驗、分析儀器虛擬仿真實驗、安全工程仿真實驗以及生物化工仿真實驗等24個虛擬仿真實踐教學體系。目前本虛擬仿真平臺主要面向化學工程與工藝、應用化學、化學師范、生物技術四個專業(yè)的學生開放，占地面積200m2，共設80個虛擬仿真操作機位，可同時面向兩個班級的虛擬仿真教學。該虛擬仿真實訓中心設置主任1名，負責中心的主體規(guī)劃和管理，實驗員3名，主要協助主任負責各模塊的發(fā)展，另本中心還有多名年輕博士教師承擔虛擬仿真實驗課程和1名專職設備維修維護人員。

3.虛擬仿真實驗室建設中存在的問題

本平臺自建立到運行已達三年時間，共計接待學生一千余人，取得了較好的教學效果。但在過程中依然發(fā)現了一些問題。

(1)教師專業(yè)性問題

本中心自建立至今，每年均會有計劃地安排青年教師參加虛擬仿真技術培訓，提高業(yè)務能力，也會邀請?zhí)摂M仿真軟件工程師給相關任課教師進行培訓和講解虛擬軟件的操作和應用，老師基本上也能完成虛擬仿真軟件教學的基本操作。但是依然還存在一些問題，大部分老師對虛擬仿真教學模式陌生，虛擬軟件實驗項目不熟悉，課前課后沒有花費時間去學習和研究此軟件，對軟件熟悉度不高，操作軟件不流暢，僅僅是根據步驟提示進行操作，且上完課就不再操作。另外，老師的業(yè)務能力有待提高，對于虛擬操作過程報錯不能有效分析報錯產生原因，學生提出的問題老師不能給出很好的專業(yè)性的回答，且不同老師授課不同班級講解的內容和重點也不同，沒有進行教研室內的集體備課和討論。

(2)課堂效果問題

本院目前教師采取的教學模式是學生登錄進入虛擬仿真實驗項目-教師講解-學生軟件操作-操作完成-評分下課。在這個過程中，我們發(fā)現絕大多數學生基本沒有提前進入平臺熟悉軟件操作和課題重點，對所要學的實驗項目原理理解不透徹，實驗目的不明確，實驗操作不熟悉，實驗結果缺乏思考，僅僅為了完成軟件所提示步驟。另外，操作過程中教師并未做好統一管理，學生進度不一，未能及時分析錯誤及數據，未能主動及時糾正學生錯誤，沒有組織學生對實驗結果進行剖析，課后未花足夠時間去鞏固課堂教學內容。

(3)仿真項目問題

基于我院虛擬仿真實驗室建設正處在起步階段，并未與企業(yè)合作共建虛擬實驗項目，該平臺現有的仿真項目均是直接從仿真公司購入，并未根據培養(yǎng)方案特點去開發(fā)新的實驗項目，缺乏自主知識產權。虛擬仿真實驗室建設經費投入過少，導致大多數實驗項目都以租借的形式展開，不利于虛擬仿真實驗室長久發(fā)展。另外我國虛擬仿真實驗教學剛處于發(fā)展階段，各個公司所開發(fā)項目存在共性問題就是學生在進行仿真學習時基本都是機械性的跟著任務提示一步步進行操作，部分項目設計趣味性不強，很難激發(fā)學生的興趣。

(4)覆蓋面問題

本平臺開設的虛擬仿真項目大多是化學化工類專業(yè)實驗項目，而其他專業(yè)的項目相對偏少，如本院的生物技術專業(yè)、生物醫(yī)學工程專業(yè)就很難使用虛擬仿真進行授課教學，導致了本虛擬實訓平臺僅限于本學院化學化工類相關專業(yè)學生使用。另外比較嚴重的一個現狀就是，老師們傾向于實踐教學，主要原因也是缺乏學習精神，不愿意花多余的時間去學習新事物，對軟件功能、操作不熟悉，這也迫使他們在授課過程中不太愿意使用虛擬仿真軟件，使得平臺的虛擬仿真實驗中心沒有被充分利用起來。

4.虛擬仿真實驗室建設建議

針對在虛擬仿真實驗室建設過程中發(fā)現的問題，我院已經采取相對應的措施，主要從以下幾個方面展開：

(1)加大對教師的培訓和實踐

虛擬仿真技術將會是未來實踐教學的發(fā)展方向，教師必須學會和提高對軟件的應用能力。學院應建立相對應的管理制度，有計劃地選派相關老師參加虛擬仿真技術培訓，提高業(yè)務能力；有計劃地安排青年博士教師深入企業(yè)學習，熟悉化工工藝生產流程、設備和裝置，提高工程實踐能力；建立相對應的激勵制度鼓勵老師與企業(yè)聯合合作開發(fā)針對性的、符合專業(yè)需求的虛擬仿真軟件；建立對虛擬仿真實驗授課老師的考核制度和考評制度，強化虛擬仿真教學過程管理，把虛擬仿真教學環(huán)節(jié)納入實踐課程考核的指標體系；強化虛擬仿真教學環(huán)節(jié)中的過程材料管理，包括教學大綱、考核大綱等，突出教學內容和重難點。

(2)加強學生使用虛擬仿真軟件的意識

大多數學生沒有接觸過虛擬仿真軟件，基本都停留在實地實踐過程，所以學生不會主動的去學習和使用虛擬仿真軟件。教師應該在授課時結合化學化工生產的特點，預留一定的時間介紹講解仿真技術的好處，培養(yǎng)他們使用虛擬仿真軟件的意識，讓實踐過程更安全和高效。另依托湖南省化學化工學科競賽中的虛擬仿真操作競賽，鼓勵老師和學生積極參與該類學科競賽，宣傳學科競賽對學生的好處，加大對該類虛擬仿真操作競賽的扶持力度，同時學院要優(yōu)化虛擬仿真實驗室場地條件，營造好的學習氛圍，并且對機房要定期檢查和維護，為學生使用虛擬仿真技術進行學習和實踐提供后援保障。

(3)優(yōu)化教學手段提高授課效率

虛擬仿真授課也可以采取翻轉課堂，老師可以準備知識點視頻提前布置給學生預習，促使學生經過課前的思考在課堂中完成相互的學習和答疑，讓學生能積極主動的發(fā)現問題和解決問題，大大提高學生的參與程度，進而提高學習效率；另外還可以引入雨課堂，在課前課中課后均可以進行分組討論，使學生牢固掌握知識點，讓學生成為課堂的主角，教師僅在討論沒有結果的時候才出來答疑。這樣的話可以讓學生有效利用課堂時間消化知識，并且可以大大提高學生自主解決問題的能力。

(4)優(yōu)化和擴充虛擬仿真實驗項目

在選擇虛擬仿真項目時，要緊密結合培養(yǎng)方案和教學大綱，確保人才培養(yǎng)質量，并要隨著人才培養(yǎng)方案的修訂和修改更換相對應的實驗項目；在設計虛擬仿真項目時，要充分調研一線實驗教學教師和學生的意見和建議；成立相對應的虛擬仿真教學團隊，打造一批示范性、代表性的虛擬仿真實驗項目。加大生物技術和生物醫(yī)學工程專業(yè)虛擬仿真建設，促使教師積極參與其中，通過設計和購買一些好的軟件，使學生真正學到傳統實驗學不到的知識；可以嘗試與相關聯的學院如包裝與材料工程學院、城市與環(huán)境學院、冶金材料學院等進行聯合共建本虛擬平臺，整合現有的虛擬仿真實驗室，擴大本虛擬實訓平臺的使用面和覆蓋面，為后期申報更高一級的虛擬實踐平臺做支撐。

5.總結

虛擬仿真實踐教學具有其獨特的優(yōu)越性，為應用型高級化工專業(yè)人才的培養(yǎng)提供了新的渠道，可以在教學過程中極大的幫助化工專業(yè)的學生進行實踐操作，能顯著提高學生的學習積極性和學習效率，能激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)新思考能力，能加強學生理論聯系實際的能力，另外也可鍛煉學生應對化工生產突發(fā)事故的解決能力。我院應借助教育部開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的契機，加大對本院的虛擬仿真平臺的投入和建設，優(yōu)化專業(yè)實驗教師結構，加強仿真軟件的使用效率，讓學生在一個更加真實有效的虛擬平臺，進行實踐能力的培養(yǎng)。另學院應加強虛擬仿真建設，激勵教師將虛擬仿真教學融入于日常教學，改善教學質量，全面提升教學效果和改革教育教學模式。