省级在线开放虚拟仿真实验教学项目建设探讨

祖 强， 魏永军， 熊宏齐

(1. 南京中医药大学 教务处， 江苏 南京 210023； 2. 江苏省教育厅 高教处， 江苏 南京 210024；3. 东南大学 实验室与设备管理处， 江苏 南京 210096)

省级在线开放虚拟仿真实验教学项目建设探讨

祖 强1， 魏永军2， 熊宏齐3

(1. 南京中医药大学 教务处， 江苏 南京 210023； 2. 江苏省教育厅 高教处， 江苏 南京 210024；3. 东南大学 实验室与设备管理处， 江苏 南京 210096)

在线开放虚拟仿真实验教学项目是深化实验教学供给侧结构性改革的成果，也是信息技术与实验教学深度融合的必然产物。江苏省于2016年率先在全国开展了省级在线开放虚拟仿真实验教学项目的遴选建设工作。该文从省级在线开放虚拟仿真实验教学项目建设现状、建设路径及建设展望3个维度出发，对虚拟仿真实验教学项目的内涵、外延及可持续发展进行有益探讨。

虚拟仿真; 实验教学项目； 在线开放； 资源共享

在线开放虚拟仿真实验教学项目是深化实验教学供给侧结构性改革的成果，也是信息技术与实验教学深度融合的必然产物。自2013年教育部在全国启动国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作以来，我省普通本科高校共获批31个国家级虚拟仿真实验教学中心(位居全国第二位，仅次于北京)，占全国总数(300个)10.33%。平均每个中心开设虚拟仿真实验教学项目百余项，并且项目运用的信息化技术日趋成熟先进。目前，虚拟仿真实验教学已从强调信息化网络平台建设的初始阶段，进入到强调优质项目资源建设与应用的深入发展阶段。为贯彻落实教育部《教育信息化十年发展规划(2011—2020年)》和《江苏省“十三五”教育信息化发展专项规划》要求，促进虚拟仿真实验教学资源在线开放和高效利用，我省于2016年率先在全国开展了省级在线开放虚拟仿真实验教学项目的遴选建设工作。

1 建设现状及分析

1.1 学科专业门类分布情况

96个项目(含培育项目)涵盖材料化工、车辆工程、电子信息、理学等10个学科专业门类，见表1。

表1 省级在线开放虚拟仿真实验教学项目的学科专业门类分布

从表1可以看出电子信息类由于具有与信息技术天然亲和的优势，开发项目占比最高。医学类涉及不可及或不可逆操作，材料化工类涉及高危或极端环境以及高成本、高消耗，文科综合类涉及大型或综合训练，这3类紧随着电子信息类，并列第二。总体上，67.71%的项目集中在理工类，说明项目开展的实验是以真实实验平台无法开展的、复杂性比较大的、存在潜在危险的以及成本比较高的实验居多[1]。

1.2 高校分布状况

96个项目分布在35所普通本科高校(见图1)，其高校隶属关系见表2。

图1 省级在线开放虚拟仿真实验教学项目高校分布状况

学校隶属关系学校/所拥有数/个平均数/(个/校)部属高校8243.00省属高校27722.67

从统计数据可以看出，在96个项目中，部属高校与省属高校平均数量比例接近1∶1，说明在项目建设上所有高校的起步是相同的，资源是均衡发展的[1]。

“985工程”高校、“211工程”高校、博士授权高校、硕士授权高校的项目情况见表3。

表3 按类型的高校省级在线开放虚拟仿真实验项目数量

可以看出博士授权高校由于在国家级虚拟仿真实验教学中心中立项较多，虚拟仿真资源建设和投入力度持续增加，略强于“985工程”高校，但总体上不同层次的高校项目建设分布趋于均衡[1]。

1.3 地区分布情况

按地区分布情况见表4。

表4 省级在线开放虚拟仿真实验教学项目的地区分布

96个项目覆盖了我省南京、徐州、苏州、常州、无锡、南通、淮安、扬州、镇江、盐城、连云港等11个省辖市(泰州市、宿迁市空白)，其中南京地区高校拥有项目43个，远远领先于其他省辖市。苏南地区共有项目65个，占了67.71%；苏北地区(徐州、淮安、盐城、连云港)有22个，占了22.92%；苏中地区2个市(南通、扬州)仅有9个，占了9.38%。从地区分布上看，苏南地区高校特别是南京市高校的项目建设走在了全省前列，整体实力相对较强。说明经济发达地区的高校，实验教学理念超前，改革的步伐较快，对虚拟仿真实验教学项目建设投入比较多，建设成效显著[1]。

1.4 项目情况

项目类型分布情况见表5。

表5 省级在线开放虚拟仿真实验教学项目类型分布

虚拟与仿真的主要区别在于虚拟不出现目标实物，而仿真则有实物模型。仿真实验是用另一数据处理系统，主要是硬件来全部或部分地模仿某个数据处理系统，从而使模仿的系统能像被模仿系统一样接收同样的数据，执行同样的程序，获得同样的结果。它以仿真为表现形式，情境、过程、结果有真实感，使学习者获得真实体验。虚拟实验则是在虚拟环境中进行的实验，主要是对虚拟物进行操作，实验过程可由实验者部分或完全控制，实验的结果可以被存储、处理、再现。它是以虚拟为手段，构建虚拟的实验环境包括对象、工具、场景等，建立模拟的实验系统(如数学模型)，模拟实验条件、参数，获得虚拟的实验结果。模拟实验是选取某个物理的或抽象的系统的若干关键行为为特征，用另一个系统来表述其核心过程。远程实验利用计算机网络技术，通过网络远程与实际实验环境进行交互，完成实验的系统。虚拟仪器实验是学习者借助完全取代传统的仪器功能的计算机软件，来实现传统仪器的模块化、定制化操作。从表5中可以看出仿真实验与虚拟实验居多，说明相比较而言，这2类实验的项目设计开发比较成熟，在线开放的可行性更高一些[1]。

技术类别分布情况见表6。

表6 省级在线开放虚拟仿真实验教学项目技术类别分布

可以看出，交互式多媒体与虚拟现实是目前项目采用的主流技术。未来新兴技术如自适应学习、移动学习、物联网、人工智能技术等将越来越多地运用到虚拟仿真实验上来[2]。当然同一个项目中可以同时含有多种实验类型及技术类型，这里面有交叉重叠部分，但是总体趋势不受影响[1]。

资源类型分布情况见表7。

表7 省级在线开放虚拟仿真实验教学项目资源类型分布

程序是具有信息处理能力的装置执行的代码化指令序列，由数据结构和算法构成。系统包含软硬件系统、数据库系统等，是高度集成的虚拟仿真的人机交互一体化系统。程序占比达80.21%，说明目前系统比较复杂，与互联网技术结合的环境要求、技术要求较高，实施在线开放的难度较大，程序在线开放共享比系统实现起来相对容易些。但在研究中发现，资源类型还包括系列静态模型(立体居多)、虚拟动画、软件等[1]。

知识产权情况分布见表8。

表8 省级在线开放虚拟仿真实验教学项目知识产权情况分布

表明学校自主开发的项目与校企联合二次开发的项目各占半壁江山，呈现良好的发展势头，未来要引导更多的自主知识产权的项目出现[1]。

2 建设路径

2.1 建设规范

我省要求在线开放虚拟仿真实验教学项目，必须依托省级虚拟仿真共享平台建设使用，并制定相应技术规范，满足多专业、多学校和多地区共同开展虚拟仿真实验教学的需求。在对项目的开发建设研究中对其内涵外延有了新的理解。

在线开放虚拟仿真实验教学项目，又称为基于虚拟仿真技术的大规模在线开放实验(简称MOOE，即massive open online experiments based on virtual simulation technology)[3]，它一般依托某一类或整合相关实验课程、某一实验教学环节(操作流程、物流作业、技能训练等)或按一定的逻辑规律进行归类来设计开发的系列静态模型(立体居多)、虚拟动画、软件、程序、系统或上述组成的分层次的功能模块(群)，具有自主知识产权或共享知识产权。它以虚拟仿真技术和分布式存储技术为核心，以宽带网络平台为基础，以大型、综合型、创新型实验项目为主体，通过提供具有良好沉浸感、临场感、交互感、轻松感、愉悦感、满足感的虚拟仿真实验氛围，创造真实的学习体验，激发学生参与实验的兴趣，有效促进学生多学科、多专业、多课程知识点的融会贯通和综合能力的塑造。理想状态下的省级在线开放虚拟仿真实验教学项目是直接在互联网上运行的格式，客户端使用时无须下载或安装任何程序、插件即可运行使用。但人机交互、软硬件结合的系统项目只能采取部分网络化模拟运行、部分通过网络预约实地去操作。

省级在线开放虚拟仿真实验教学项目需要包含的基本信息与数据规范见表9。

表9 项目基本信息数据规范

同时本着开放共享、集中管理、分散建设的原则，依据资源的不同分类与容量大小进行相应处理：

(1) 完全共享资源(单个资源容量大小在100 MB以下且可直接浏览使用)。此类资源可以通过转存等方式直接把相关资源上传或者迁移到省级虚拟仿真共享平台中，用户通过平台提供登录权限，直接在省级虚拟仿真共享平台浏览共享使用资源。

(2) 选择共享资源(单个资源容量大小在100 MB以上且可直接浏览使用)。此类资源要求学校提供专用服务器和平台进行资源的建设管理及维护，按照共享建设要求，通过WebService接口将资源信息推送省级虚拟仿真共享平台，用户可通过省级虚拟仿真共享平台远程访问和使用资源。

(3) 条件共享资源(资源容量大小在100 MB以上且需要口令登录方可浏览使用)。此类资源要求学校提供专用服务器和平台进行资源的建设管理及维护，按照共享建设要求，使用省级虚拟仿真共享平台提供的账号密码，直接登录使用指定的虚拟仿真实验教学资源。

用户在浏览使用共享资源时，省级虚拟仿真共享平台会记录用户浏览使用资源的情况，省级虚拟仿真共享平台管理员可以授权给各高校管理员查看用户使用本校共享资源的记录和贡献度。

2.2 建设管理

省级虚拟仿真实验教学项目实行动态管理，“立项项目”公布后，在规定时间内未能与省级虚拟仿真共享平台实现对接、不能实现在线开放共享的(省级虚拟仿真实验教学项目须通过共享平台，在平台建设期3年内免费提供给各高校使用)，则取消其省级虚仿真实验教学项目称号。“培育项目”须与省共享平台虚拟仿真项目库建设标准和技术规范对接，1年的培育建设期满后接入共享平台开放共享。各高校符合条件的虚拟仿真实验教学项目，可自荐接入省级虚拟仿真共享平台使用。“培育项目”和“自荐项目”接入平台运行良好并免费开放共享满2年，验收合格的授予省级虚拟仿真实验教学项目称号。

省教育厅委托省级实验教学与实践教育中心联席会根据使用绩效，定期评选省级优秀虚拟仿真实验教学项目。省级优秀虚拟仿真实验教学项目优先推荐参加国家级虚拟仿真实验教学项目遴选。省教育厅组织成立省级虚拟仿真共享平台建设专家委员会，统筹指导共享平台及虚拟仿真项目建设。各高校则成立相应的组织机构。省财政给予省级虚拟仿真共享平台一定的经费资助，省级虚拟仿真项目由学校资助建设，各高校可引入企业等社会力量多渠道筹措建设资金。

3 建设展望

对高校而言，一要加强信息化教师队伍建设，提升教师的数字素养，完善运行机制，进一步吸引教师参与虚拟仿真实验教学项目的开发，引导教师形成“学习需求导向”的教学理念，积极探索未来实验教学形态；二要充分发挥在线教育和泛在学习的优势，推动校际间学分互认，促进传统教育与在线教育的有机融合；三要建立项目资源准入机制，通过建立资源遴选标准、评审流程，明确项目资源的质量要求，依托专家组对虚拟仿真实验教学项目的必要性、内容、特色和设计进行全方位审核；四要加强实验信息化教学研究，多设计出基于建构主义与联通主义学习理论的“互联网+”虚拟仿真实验教学项目，有力促进学生深度学习、协作学习和个性化自主学习[4-7]。

对主管部门来说，一要做好顶层设计，发挥江苏省高校实验室研究会、江苏省高校实验教学与实践教育中心联席会等学术团体指导作用，开展在线开放虚拟仿真实验项目理论、教学模式与学习方式、共享模式、核心技术等研究与实践，形成虚拟仿真实验教学项目系列信息化标准和技术规范；二要制定配套政策，明确项目资源与科研院所、行业企业、社会共建共享途径，建立项目资源共建共享激励机制，成立学分互认联盟，构建学分认定与转换运行体系，营造共建共享文化氛围；三要完善省级虚拟仿真共享平台，平台是项目对外开放共享的基础，推动企业、高校、政府在项目、平台的技术开发升级、平台运行维护等方面深度合作，探索平台企业化运行模式，健全有偿服务机制，支持使用者按需购买资源与服务；四要履行好监管职责，制定项目质量保证体系并完善标准化评价指标体系，建立使用者网上评价和专家审查相结合的资源评价机制，形成真正意义上的共建共享[8]。

4 结语

在线开放虚拟仿真实验项目的大规模共享运用,将极大地改变高等教育的原生态,作为一道在线学习的靓丽风景线,将与慕课、微课等一起，帮助不同地区、不同阶层的学生“无差别”获取优质教育资源，促进优质教育资源的均衡，为打造智慧学习[9]，培养创新型人才，从而为经济社会转型发展提供源源不断的智力支持。

References)

[1] 祖强，魏永军.国家级虚拟仿真实验教学中心建设现状探析[J].实验技术与管理，2015，32(11)：156-158.

[2] 金慧，胡盈滢，宋蕾.技术促进教育创新:新媒体联盟《地平线报告》(2017高等教育版)解读[J].远程教育杂志，2017，35(2)：3-8.

[3] 崔贯勋，熊建萍.基于虚拟仿真技术的MOOE实践教学平台开发[J].实验技术与管理，2016，33(4)：103-107.

[4] 胡今鸿，李鸿飞，黄涛.高校虚拟仿真实验教学资源开放共享机制探究[J].实验室研究与探索，2015，34(2)：140-144.

[5] 刘妍，顾小清，顾晓莉,等.教育系统变革与以学习者为中心的教育范式:再访国际教学设计专家瑞格鲁斯教授[J].现代远程教育研究，2017(1):13-20.

[6] 兰厅，李欣，李欢欢,等.基于虚拟现实的数字化学习资源设计研究[J].电脑知识与技术，2016，17(12):199-201.

[7] 王志军，陈丽.联通主义学习理论及其最新进展[J].开放教育研究，2014，20(5)：11-28.

[8] 蔡建秋，金清理，李士本,等.构建实验项目评价机制推动实验教学改革[J].实验技术与管理，2013，30(7):150-152.

[9] 黄荣怀，刘德建 ，樊磊，等.2015中国智慧学习环境白书皮[M].北京:北京师范大学智慧学习研究院,2015.

Exploration on construction of provincial online open virtual simulation experimental teaching projects

Zu Qiang1, Wei Yongjun2, Xiong Hongqi3

(1. Academic Administration Office, Nanjing University of Chinese Medicine, Nanjing 210023, China; 2. Higher Education Office, Jiangsu Provincial Department of Education, Nanjing 210024, China; 3. Laboratory and Equipment Management Department, Southeast University, Nanjing 210096, China)

The online open virtual simulation experimental teaching projects are the achievements of deepening the supply-side structural reform of the experimental teaching, and are also the inevitable outcome of the integration of information technology and experimental teaching. In 2016, Jiangsu province took the lead in carrying out the selection and construction of the provincial online virtual simulation experimental teaching projects. From the following three aspects: the current construction situation, the construction path and the construction prospect of the provincial online open virtual simulation experimental teaching projects, a useful discussion is conducted on the connotation extension and the sustainable development for such projects.

virtual simulation; experimental teaching project; online opening; resource sharing

G642.0

B

1002-4956(2017)10-0153-05

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.038

2017-04-05

2015年江苏省高等教育教改研究立项重点课题“江苏省高校虚拟仿真实验教学资源共享机制研究及平台构建实践”(2015JSJG069)

祖强(1975—)，男，江苏南京，在读博士研究生，副研究员，主要从事实验教学管理、实验室建设与管理工作.

E-mail：zuqiang1975@163.com