基于虚拟仿真技术的实验教学中心建设研究

杜彦敏

摘要：虚拟仿真技术可以有效地模拟现实世界，对于培养学生在专业课实验中的创新能力有很大的帮助，也可以显著提升实验的教学效果。与传统的实验室相比较，虚拟仿真实验室拥有实验条件优越、实验成本低和实验安全性高等特点，因此虚拟仿真实验室在高校中的建设已经势在必行。

关键词：虚拟仿真技术；虚拟仿真实验室建设；实验教学中心

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）15-0273-02

虚拟仿真技术也可以称为虚拟的现实技术或者是现实模拟技术，简单来说就是通过虚拟的系统环境来模仿一个现实存在的系统技术。虚拟仿真技术最典型的特征就是构造一个系统完整统一的虚拟环境，并利用虚拟的环境集成和控制为数众多的实体。由于虚拟仿真技术具有集成化、虚拟化和网络化等特点，因此这种技术在很大程度上满足了当前仿真技术的未来发展要求。

一、虚拟仿真实验教学概述

虚拟仿真实验成为在理论研究和实验研究之后的有一种新型的教学研究方法，它是以电子计算机为依托，通过相关的软件技术，构建出一个完整的逻辑结构模型，通过软硬件相互结合的方法，再加上模块化和层次化的设计思路，调整相关的硬件设备，构成虚拟的教学实验系统，并通过互联网技术，实现虚拟教学实验系统的网络化，最终实现个人电脑上运行、自主研发和设计以及远程连接控制的教学实验方法。

二、虚拟仿真实验在教学中的意义

虚拟实验教学中心，是以计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术为基础，使学生通过人机交互的方式在模拟的实验设备、场景和软件中模拟现实情况来进行实验，将虚拟仿真技术、计算机科学技术以及各个专业的理论专业知识进行多维度的结合[1]。在虚拟仿真实验室里，学生可以在虚拟环境中模拟真实实验操作的整个过程，而且整个过程几乎与现实世界中的实验室一模一样，唯一的区别就是把之前用手的操作转换成了鼠标和键盘操作方式。这种实验教学培养过程不但增加了实验的教学方法，同时又加强了学生在实验中的创新性能力的培养和对相关技能的掌握。

1.虚拟仿真实验的高度还原性。在开展实验教学前，实验教师应当先向上课学生讲解上课所用虚拟软件的运行方式和具体的实验操作步骤。在通常情况下，实验课程主要通过相关文字、图表、视频和实体等方式来帮助学生了解教学过程，而这些均可以在虚拟仿真实验室中充分展现，在虚拟的实验环境中学生可以从多个方面来了解一个完整的实验流程，进而能够迅速简洁地完成实验步骤，学生在一边听老师讲解的同时，也可以同时进行实验操作。老师讲得轻松，学生学得有兴趣，从而达到事半功倍的效果。

2.高安全性和高创新性。在传统的真实实验中，尤其是一些不可逆的实验中，实验的安全性是实验课的一个重要环节，学生必须依照实验步骤进行操作，不可以违反规定，否则极有可能会产生很严重的后果。而虚拟仿真实验可以很好地解决这个问题，无论在虚拟环境中如何操作都不会出现安全性问题。在保障学生安全的情况下可以更好地发挥学生的主观能动性，学生可以多次任意尝试实验操作，加强自己对实验课程的理解，进而提升学生的创新性，激发学生的潜能，为国家培养出更多的创新性人才。

3.缓解实验教学环境的不足。现实中的实验室常常因为实验器材缺乏或者实验场地不足等各方面的因素导致学生只能分组轮流进行实验，进而导致实验教学缓慢，教学效果差。而虚拟仿真实验完全解决了这些问题，在虚拟环境下，每一位学生可以在老师的指导下自主尝试各种实验，如同在真实环境中一样，加强对学科知识的掌握。在教学实验中充分利用虚拟仿真技术的优点，极大程度上完美模拟大型实验设施和实验场地的同时，学生也利用人机交互的方法在虚拟环境中进行实验，通过利用虚拟的实验器材、实验场地以及配套的实验软件达到一种同现实场景中一样的实验目的与实验操作，从而解决了在客观世界无法进行实验的教学缺陷，实现了教学互动、充分利用教学资源以及网络教育一体化的教学目的[2]。

4.多学科交叉，覆盖面广。虚拟仿真实验教学统一布局、多学科交叉、分层次、有重点，可以满足对学生基础理论的认知、专业技术的掌握和实际设计与综合应用能力的培养的要求。在基础的理论上课当中，通过虚拟仿真教学技术，有效地提高了实验授课的便捷性和创新性；在专业学科和教学实践中，通过虚拟仿真教学技术和配套的专业软件，也显示出虚拟仿真的高效性；在综合创新能力培养方面，通过虚拟仿真教学技术举办的各种创新性比赛，也给学生提供了一个提升自我研究能力和培养学生创新能力的竞技平台。在给高校大学生提供学习资源的同时，这些教学资源也可以给研究生进行科研提供很大的帮助，极大地调动他们的主观能动性，培养其具体问题具体分析的能力以及思考问题的思维模式。最后，利用虚拟仿真实验教学技术还可以进行联合办学和整合高校资源，主要用于学生的培训、校企合作、培养就业目标，逐步提高教学效果和科研效果[3]。

三、管理类虚拟仿真实验教学的建设

根据现实的教学计划，在建立虚拟仿真实验教学中心时应进行科学的设计与规划，进一步提高实验教学的有效性。

1.建设良好的高校网络。一个好的校园网络是虚拟仿真实验室能不能正常运行的关键所在，利用校园网络将虚拟实验室的各个设备相互连接起来，才能实现实验数据的采集、分析和远程控制操作等，因此，虚拟实验室的建设要以良好的校园网络为依托。就现代网络技术的不断发展，有线网络已经无法满足需求，无线网络全覆盖已经成为现代高校建设的新趋势，同时在有条件的情况下还可以建立VPN以实现校外的教师和学生能够访问校内。只有在良好的校园网络环境的前提下，实验所用的教学资源才能充分利用，从而使得教师、学生和其他科研人员能在随时随地进行实验教学和学术研究工作，充分发挥实验室设备的效用。

2.改变实验教学模式，实现虚实结合。虚拟仿真实验教学中心的建设应虚实结合、相辅相成，形成互补形式。普通的实验室由于受到实验条件限制，所以在实验教学内容上显得极为单一，学生不需要思考问题，只需按照实验步骤一步一步地来就好，逐渐失去了自我思考问题的能力和创新性。然而在虚拟的实验环境中则大不相同，教师可以灵活设计实验教学内容，学生也可以在实验要求下，自己思考实验需求，设计实验方案，然后再进行分析对比。在整个过程中学生都处于不断思考的过程中，不仅掌握了学科知识还极大程度地调动了学习的积极性和创新性。在以真实实验为基础的前提下，利用虚拟仿真实验教学平台可以共享网络资源和远程控制虚拟实验，提高虚拟仿真教学资源利用率。

3.加强教学资源整合。充分利用实验室的教学资源，是实验室建设和实验教学的重中之重，也是创新型人才培养的前提条件。实验设备和技术必须根据创新人才的培养方案不断升级，主系统、数据库以及教学软件要有良好的可扩展性，并在此基础上进行实验资源合并、重新部署实验室的结构布局和实验教学流程，最大程度上优化实验室教学资源。学生能够在虚拟的实验环境中进行学科实验，获得所要的实验成果。该实验教学平台不仅可以在上课时进行教学，同时当学生下课后，也能够利用个人电脑、平板手机等智能设备在良好的网络环境下通过登陆平台账号，在课下进行实验练习，熟练掌握实验流程和学科知识。

4.建设完善师資团队。合理的教学团队年龄层次可以使得实验教学团队长久不衰，并使实验室始终充满活力和创新能力，高端的实验教学团队应该各自发挥其长处，结合高端科学技术，以虚拟仿真实验教学平台为基础，开展出越来越多的精品实验课程。想要使得学生具有较高的实践性和创新性，一个高水平的实验教学团队是必须的，可以有计划地对实验教学团队进行培训，并使其定期到各个高校进行交流访问学习。除此之外，我们应该鼓励一部分教师的优秀科研成果能够转变为精品的实验课程，特别是创新性的实验课程。

以虚拟仿真实验教学中心为基础的虚拟仿真实验教学，它不仅是评判一个高校教学信息化和实验教学示范中心的重要依据，同时也是专业知识和高端科技相互结合的成果。通过建设虚拟仿真实验教学中心可以有效地提高教学资源利用率，提高学生的求知欲和创新能力。当然在建设过程当中，我们也要逐步分析其中存在的问题，逐步完善建设思路和管理需求。

参考文献：

[1]田杰，张民.探究网络虚拟实验室的构建[J].实验室研究与探索，2012，31（4）：262-264.

[2]周燕.虚拟仿真技术在大学物理实验教学中的应用[J].合肥工业大学报，2008，22（5）：106-109

[3]黄剑玲，邹辉.基于虚拟现实技术的实验教学系统及其特点[J].中国电化教育，2009，（4）：108-111.