虛擬仿真技術(shù)在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用展望

馬雄德，楊紅斌，趙 艷

（1.長(zhǎng)安大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院 陜西 西安 710054；2.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710054；3.長(zhǎng)安大學(xué)社會(huì)合作處 陜西 西安 710054）

隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，尤其是信息科技的不斷深化和應(yīng)用，傳統(tǒng)的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式正面臨著必要的轉(zhuǎn)型和升級(jí)。在這一背景下，虛擬仿真技術(shù)成為了教育領(lǐng)域的重要?jiǎng)?chuàng)新應(yīng)用。它以高效、安全、靈活和可控等優(yōu)勢(shì)，為學(xué)生提供了一個(gè)更具互動(dòng)性和真實(shí)感的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，從而深化了學(xué)生的理解力和操作技能，提高了教學(xué)效果。

作為一種新型的教學(xué)方式，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅在理論學(xué)習(xí)方面為學(xué)生提供了全新的學(xué)習(xí)視角和手段，同時(shí)也在實(shí)踐能力的培養(yǎng)上展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)。尤其是在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)資源稀缺，實(shí)驗(yàn)操作危險(xiǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以復(fù)現(xiàn)等問題日益突出的現(xiàn)實(shí)情況下，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性越發(fā)凸顯。它通過模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和過程，讓學(xué)生在理論與實(shí)踐間建立橋梁，從而深化理論知識(shí)，熟練掌握實(shí)驗(yàn)技能。

在這一過程中，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)也逐漸得到了顯現(xiàn)。例如，它無須考慮實(shí)際實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)地、設(shè)備限制，能夠極大地節(jié)省教學(xué)資源。同時(shí)，它避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的安全風(fēng)險(xiǎn)，提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安全性；而且它能夠隨時(shí)保存和復(fù)原實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更具靈活性。此外，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教師可以實(shí)時(shí)監(jiān)控學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度，及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略，提高教學(xué)效果。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)成為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要方向，且在實(shí)踐型人才的培養(yǎng)上已經(jīng)展現(xiàn)出了巨大的潛力和價(jià)值[1-2]。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)借助現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和相關(guān)軟件，模擬實(shí)驗(yàn)操作過程和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，為學(xué)生提供一個(gè)接近真實(shí)的探究性學(xué)習(xí)環(huán)境。其主要通過虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以復(fù)雜教學(xué)案例、實(shí)驗(yàn)過程演示、離線數(shù)據(jù)分析等方式，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源和手段的有效整合與優(yōu)化。

近年來，這一教學(xué)方式在高等教育領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。國(guó)外的高校和企業(yè)開始借助虛擬仿真技術(shù)來改善和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。丹麥虛擬實(shí)驗(yàn)室和互動(dòng)科學(xué)平臺(tái)Labster 是一家提供在線科學(xué)實(shí)驗(yàn)室模擬的公司。它能夠?yàn)橛脩籼峁V泛的實(shí)驗(yàn)選項(xiàng)，包括生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、工程及普通科學(xué)實(shí)驗(yàn)等，并且每個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)都設(shè)計(jì)得十分詳細(xì)，讓學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中盡可能地體驗(yàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)。PraxiLabs 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供了一套在線的虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以在其中進(jìn)行各種生物學(xué)、化學(xué)和物理實(shí)驗(yàn)。BioInteractive Virtual Labs實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供一系列生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得非常詳細(xì)，可以幫助學(xué)生理解復(fù)雜的生物學(xué)概念。麻省理工學(xué)院的開放式課程網(wǎng)絡(luò)（MIT OCW）為全球?qū)W生提供了免費(fèi)的課程資源，其中包括大量虛擬實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)，課程質(zhì)量非常高，而且覆蓋了多種科學(xué)領(lǐng)域。英屬哥倫比亞大學(xué)的虛擬土壤學(xué)學(xué)習(xí)資源（University of British Columbia's Virtual Soil Science Learning Resources）提供了土壤科學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)資源，學(xué)生可以在此進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)。雖然專注于土壤科學(xué)，但這個(gè)網(wǎng)站為此領(lǐng)域的學(xué)習(xí)提供了極大的便利，虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得細(xì)致且有深度，能幫助學(xué)生理解復(fù)雜的概念。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)在其虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃中已經(jīng)撥出了大筆經(jīng)費(fèi)，鼓勵(lì)更多的高校采用這種教學(xué)方式，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

同時(shí)，國(guó)內(nèi)一些重點(diǎn)高校也開始積極引進(jìn)和應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，推動(dòng)課程教學(xué)的創(chuàng)新和改革。我國(guó)在2021 年7 月啟動(dòng)了虛擬教研室試點(diǎn)工作，首批439 個(gè)虛擬教研室獲批試點(diǎn)建設(shè)。清華大學(xué)、北京大學(xué)的在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供了大量的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，包括物理、化學(xué)、生物等多個(gè)領(lǐng)域。這個(gè)平臺(tái)不僅為學(xué)生提供了豐富的學(xué)習(xí)資源，還通過模擬實(shí)驗(yàn)的形式增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐操作能力。類似的還有中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、電子科技大學(xué)、南京大學(xué)、西安交通大學(xué)等高校建成的虛擬實(shí)驗(yàn)室基于不同學(xué)科優(yōu)勢(shì)提供了豐富的仿真實(shí)驗(yàn)資源。

總的來看，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用非常廣泛，其在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的豐富性、實(shí)驗(yàn)效果的優(yōu)越性以及實(shí)驗(yàn)安全性方面的優(yōu)勢(shì)，相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，都有了顯著的提升[5]。其優(yōu)越性得到了廣泛的認(rèn)知，應(yīng)用范疇也在逐漸擴(kuò)大。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的步驟

2.1 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備

這是教學(xué)過程中至關(guān)重要的一步，教師需要提前準(zhǔn)備好虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的相關(guān)教學(xué)資源和工具。教師應(yīng)設(shè)計(jì)或選擇適合課程內(nèi)容和學(xué)生水平的實(shí)驗(yàn)，并制作詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，包括實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、操作步驟、預(yù)期結(jié)果和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫要求等。此外，教師還需要在實(shí)驗(yàn)開始之前測(cè)試和調(diào)試虛擬仿真系統(tǒng)，確保所有設(shè)備和軟件的正常運(yùn)行。

2.2 學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作

在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生需要按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的指示進(jìn)行操作。教師應(yīng)監(jiān)督學(xué)生的操作，并在必要時(shí)給予指導(dǎo)和幫助。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生應(yīng)充分利用虛擬仿真的特性，如可重復(fù)性和靈活性，多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過不斷的嘗試，掌握實(shí)驗(yàn)技能和理解實(shí)驗(yàn)原理。

2.3 學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生需要收集并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。教師應(yīng)教授學(xué)生如何使用數(shù)據(jù)分析工具，如何理解和解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此外，教師還應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生提出自己的觀點(diǎn)和解釋，并對(duì)其進(jìn)行批判性思考。

2.4 實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫

在實(shí)驗(yàn)完成之后，學(xué)生需要撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)包括實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)、方法、結(jié)果和結(jié)論等部分。教師應(yīng)給予學(xué)生撰寫報(bào)告的指導(dǎo)和幫助，包括如何組織和表達(dá)思想，如何有效地使用圖表和數(shù)據(jù)等。

2.5 教師考核與評(píng)價(jià)

在學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告后，教師需要對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行評(píng)估。教師應(yīng)給予學(xué)生及時(shí)和具體的反饋，指出他們?cè)趯?shí)驗(yàn)操作和報(bào)告撰寫中的優(yōu)點(diǎn)和不足，并給予改進(jìn)的建議。通過這種方式，教師可以鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行自我反思和持續(xù)改進(jìn)，從而促進(jìn)他們的學(xué)習(xí)和發(fā)展。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開展模式

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)成為一種新型的教學(xué)模式，這種模式可以為學(xué)生提供更加可靠和安全的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。然而，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中，由于其是基于計(jì)算機(jī)模擬的實(shí)驗(yàn)，可能無法完全替代線下實(shí)際操作，因此將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與線下實(shí)際操作相融合可以發(fā)揮更大的優(yōu)勢(shì)[6-7]。結(jié)合現(xiàn)有研究，虛擬仿真教學(xué)和線下實(shí)操有3 種組合模式：

3.1 前置虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/h3>

虛擬實(shí)驗(yàn)在線下實(shí)驗(yàn)之前進(jìn)行，學(xué)生可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)先行了解和掌握實(shí)驗(yàn)的原理和步驟，然后再進(jìn)行線下實(shí)驗(yàn)。這種模式可以幫助學(xué)生減少線下實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，提高實(shí)驗(yàn)效率。

3.2 后置虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/h3>

線下實(shí)驗(yàn)在虛擬實(shí)驗(yàn)之前進(jìn)行，學(xué)生可以先通過線下實(shí)驗(yàn)感受真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和操作過程，然后通過虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行復(fù)習(xí)和深化理解。這種模式可以幫助學(xué)生鞏固實(shí)驗(yàn)知識(shí)，提高實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

3.3 并行虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/h3>

虛擬實(shí)驗(yàn)和線下實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，學(xué)生可以根據(jù)需要在兩種實(shí)驗(yàn)之間自由切換，比較和體驗(yàn)兩種實(shí)驗(yàn)的不同。這種模式可以給學(xué)生提供更加豐富和靈活的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)存在的問題

4.1 硬件和軟件限制

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)所需的硬件配置較高，需要有足夠的計(jì)算能力和儲(chǔ)存能力，但不是所有的學(xué)校或個(gè)人都能承受相應(yīng)的硬件和軟件成本。此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)所用的軟件平臺(tái)的建設(shè)和維護(hù)需要大量的專業(yè)知識(shí)和技術(shù)，這對(duì)教育機(jī)構(gòu)來說也是一大挑戰(zhàn)。

4.2 無法完全模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)雖然可以模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，但仍然無法完全代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)。由于物理世界的復(fù)雜性，有些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果很難用計(jì)算機(jī)模型來準(zhǔn)確模擬。這使得虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力和解決實(shí)際問題的能力方面存在一定的局限性。

4.3 用戶體驗(yàn)和交互性問題

雖然虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以提供視覺和聽覺等多模態(tài)的感官體驗(yàn)，但仍然無法提供觸覺和嗅覺等體驗(yàn)，這使得用戶在進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)可能無法得到完整的實(shí)驗(yàn)感受。此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的交互性也有待提高，用戶在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)可能會(huì)感到不自然或者存在困難。

4.4 教學(xué)資源和方法問題

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)需要大量的教學(xué)資源，如實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。然而，目前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)資源還相對(duì)匱乏，教師和學(xué)生可能很難找到適合自己需要的教學(xué)資源。此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法也需要進(jìn)一步研究和開發(fā)，如何有效地利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來提高教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)成效仍然是一個(gè)重要的課題。

5 展望

擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是現(xiàn)代教育發(fā)展的重要組成部分，隨著未來科技的迅速發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式也在不斷地改進(jìn)與完善，以滿足不同領(lǐng)域、不同層次的教育需求[8-10]。在未來，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式將會(huì)迎來更大的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)，在人工智能時(shí)代虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式也應(yīng)該圍繞以下重點(diǎn)方向發(fā)展：

①將云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。隨著云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益成熟，教學(xué)方式也正在進(jìn)行改變。利用這些技術(shù)，我們可以構(gòu)建一個(gè)更加穩(wěn)定和高效的教學(xué)環(huán)境，為學(xué)生提供更加實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析。

②利用3D 技術(shù)提升虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的真實(shí)性。3D技術(shù)可以使學(xué)生在虛擬環(huán)境中獲得更加真實(shí)的體驗(yàn)，這將極大地提高他們的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力。

③發(fā)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的智能化和個(gè)性化。借助大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，我們可以根據(jù)每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和需求提供個(gè)性化的教學(xué)服務(wù)，使教學(xué)更加貼近每個(gè)學(xué)生的實(shí)際需求。

④加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的互動(dòng)性和合作性。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作，提高他們的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，同時(shí)，教師也可以實(shí)時(shí)參與到學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中，為他們提供及時(shí)的指導(dǎo)和反饋。