浅谈虚拟仿真实验教学中心的构建

刘华颖

(华北理工大学基础医学院，河北 唐山 063000)

以网络为基础的各种知识学习逐渐成为世界教学发展的一种趋势，从2012年起，以美国斯坦福大学和哈佛大学为代表的一批知名高校构建了MOOC形式的网上教学形式。2013年8月13日，国家教育部高教司下文在全国构建国家级虚拟仿真实验教学中心(高教司函 【2013】94号)，从国家政策上给予网络化的虚拟实验仿真技术发展提供支持。并在2013年度评估组建了150个国家级虚拟仿真实验教学中心(医学类获得9个)。因此各地组建 “省级、校级虚拟仿真实验教学中心”应是发展趋势。

1 构建虚拟实验室的必要性

多媒体教学技术日趋发展，实验学习不再只是局限在某一个实验室，面对某一台仪器，而是在虚拟世界进行多种多样的实验项目，多个仪器相互配合。医学实验中主要存在以下4点问题。

1)实验教学成本过高。实验设备和实验材料是进行实验教学的物质基础。实验设备大多价格昂贵，且折旧率很高；还由于设备更新升级快，面临着重复购置的问题；此外，设备的维修也是一笔不小的开销。

2)实验项目有限，缺乏创新型实验[1]。比起验证性实验，证明已知结论，高校如今更加重视学生分析和解决问题能力的培养，提高学生的创新能力。

3)实际实验教学过程中，由于学生个体存在差异，能力参差不齐，总会遇到这样那样的问题，而实验教师不足，往往是一名教师面对一个班的学生，学生在实验过程中遇到的问题得不到及时解决，会极大影响实验教学质量。

4)实验过程中环保意识不强，存在对实验“三废”的处理欠规范的问题。

2 虚拟实验室的优势和局限性

虚拟实验室(virtual laboratory)是指利用虚拟现实VR(virtual reality)技术创建的虚拟现实系统，一般有实验室管理系统、虚拟实验场地、虚拟实验设备和虚拟实验流程等几个部分构成[2]。

2.1 虚拟实验室的优势

1)确保实验顺利完成和充分激发学生实验兴趣。真实实验过程中，往往受一些因素导致实验结果不准确。而虚拟实验过程不受场地、动物及试剂的影响，具有易于操作及可重复性，使得每位学生可以独立完成虚拟实验，增加学生的实验机会，提高实验教学效果。真实实验之前，学生可以通过虚拟实验进行预习；在真实实验结束后，又可进行复习，特别是真实实验失败后，可以在虚拟实验中寻找失败原因[3]。此外，对于一些未列入教学任务的实验内容，学生可以通过虚拟实验进行学习，拓展学习视野，提高个人能力。

2)降低实验成本。虚拟实验室提供型号齐全、用之不竭、永不损坏的实验设备，而且可以不断地扩充发展[4]。虚拟实验不需要实验准备，不需要购买饲养动物、药品和试剂，实验器材也不需要更新与维修。

3)避免实验危险。对于在真实实验中难以开展，对人体有害的实验，学生可以在虚拟环境中放心去操作。

4)减少污染。虚拟实验室不产生 “三废”和其他有毒物质，避免环境污染。

2.2 虚拟实验室的局限性

构建虚拟实验室是高校实验发展的必然趋势，但与真实实验相比还是有所不同。虚拟实验的局限性有如下3个方面。

1)实验结果固定性。在虚拟实验中，只要实验者按照实验步骤操作，就会得到满意的实验结果。同时，虚拟实验设置的干扰因素有限，各种材料之间相互影响出现的实验现象，也不能完全考虑进去。但在真实实验中，实验过程充满不确定性，实验者会遇到许多未知的困难。

2)缺少协作精神。虚拟实验一般都设置成实验者独立完成某个实验项目[5]，对于培养学生动手能力、团队协作精神方面存在不足。

3)缺少真实感。虚拟实验可以带领实验者完成整个实验过程，使其理解实验步骤及实验材料。但对于实验设备的真实触感，实验者却无从得知，比如实验动物捉拿方法，虽然虚拟实验中的方法步骤介绍得很清楚，但在具体操作时，很有可能出现动物不配合等情况。

3 构建虚拟仿真实验教学中心的几点建议

虚拟实验的优势毋庸置疑，应该把虚拟实验看成真实实验的一种补充教学手段[6]。作为真实实验课前预习和课后复习的一个新的场所。这里主要针对三方面对虚拟仿真实验中心提出建议和改革。

3.1 学生方面，实现虚拟实验难度的划分

学生接受知识的能力、理解水平、素质各有不同，对虚拟实验的操作会产生不同的处理结果。现阶段使用的虚拟实验一个项目只有一组实验步骤，对理解能力差的学生可能会有些困难；对接受新生事物快的学生，现有的虚拟实验缺乏挑战性。

为解决这一冲突，在设计虚拟实验时加入难度等级，分为4级:简单(1级)、普通(2级)、难(3级)、困难(4级)。制定以下规则:学生可自由选择难度，既可以从1级入手，也可以从4级入手，只需根据自身能力选择即可；如果学生不确定哪个等级适合自己，可以要求系统给出提示，系统会将4个等级分别做简单介绍，并分别针对各等级提出几个主要问题，学生结合自身条件进行选择；当学生实验失败时，系统会自动分析失败原因，给出建议，以供学生再次实验时参考。

3.2 教师方面，实现虚拟实验过程计分，纳入实验成绩

为了调动学生学习积极性，主动热情地投入到虚拟世界学习，任课教师可以将虚拟实验按比例计入实验成绩。实验成绩既要重视实验结果又不能忽视实验过程[7]。传统的实验成绩一般只包含实验结果和实验报告。现在加入虚拟实验成绩，系统可以记录学生操作的实验步骤，实现实验过程和结果的动态评分，可以更真实地反映学生的实验水平。为了保证每位学生都有虚拟实验分数，教师可以规定，学生在一定时间内完成1级或2级虚拟实验即可，成绩的高低取决于学生选择的难度等级和完成时间长短[8]。

实验成绩包括实验操作和知识答卷两部分。实验操作分数可以在学生实验过程中自动计算；知识答卷由系统在题库中随机抽取组成试卷，客观题在系统中较容易实现，主观题往往很难实现电脑阅卷。在系统后台处理主观题时，事先存储主观题答案，将其分成几个关键字，并给出几组关键字的排列组合，对于学生做答部分进行对照，就可以实现电脑阅卷。

3.3 软件方面，进行功能完善

3.3.1 完善评估机制

目前，虚拟实验室的研究主要集中虚拟实验室的网络开发等技术内容，而针对开发评价和教学功能方面等研究并不多。应设置学生问卷和专家评审相结合的虚拟教学评价体系[9]。

虚拟实验后，系统随机挑选用户，需要在线填写问卷。考虑到输入文字占用时间等因素，问卷采用选择和主观输入相结合的方式。预先设计相关使用体验以便用户选择。之后，如果用户对于本次虚拟实验非常满意，则用户直接在满意处打钩；如果使用过程中遇到问题，则用户可以在“问题”中以文字形式输入；如果用户对于虚拟实验有建议和意见，可以在 “建议”中以文字形式输入。问卷调查如图1所示。

图1 调查问卷

3.3.2 完善虚拟实验娱乐化和真实感

增加娱乐性虚拟教学项目，将单一无味的知识兴趣化，将学生被动接受知识变为主动探寻知识。如在组胚实验学习中针对某个知识点设计器官与神经系统的匹配练习、仿人体结构拼图训练等，提高学习的娱乐性。

随着多媒体技术的高速发展，越来越多的技术可以应用在虚拟实验中。可以通过鼠标、键盘、传感头盔、手套等装备，实现和虚拟世界的交互式互动，增强虚拟实验的真实性和趣味性[10]。如应用手套可以感受到虚拟工具与实验材料接触时的作用力和反作用力[11]，以理解真实操作时同样的力道手感；应用头盔可以感受虚拟实验味道[12]等。

4 结束语

完善学生、教师、软件三方面的建议，使虚拟实验不再是单一的固定难度选择，可以考虑到不同学生接受知识的水平；虚拟实验过程计入实验成绩，可以从多方位考查学生掌握知识的水平，关键字排列组合处理主观题减轻了教师的阅卷负担；使用评价机制可以促使虚拟实验更好的发展，以适应使用者的不同需求。

大力发展虚拟实验室是高校实验发展的必然趋势。但应该注意真实实验与虚拟实验的分配比重，实现虚实的良好结合，更好地提高实验的教学效果；虚拟实验过程和实验现象都是趋于完美化的，不能完全代表真实实验，各个实验器件之间的相互作用，虚拟实验也不能全部考虑到[13]。未来虚拟实验室建设将会逐步解决这些问题，更好地配合真实实验，发挥更大的作用。

[1]解丽芳，林宏辉.虚拟实验室在本科生物实验教学中的作用[J].实验技术与管理，2014，31(9):114－115，258.

[2]赵靖霞，李育，杨根金，等.虚拟实验室的构建及意义[J].中国医药科学，2012，2(21):143.

[3]单德红，柴纪严，于化新，等.医学机能仿真实验室的建立与实施[J].辽宁中医药大学学报，2014，16(6):28－29.

[4]吴凯威，刘志刚，刘青，等.“基因工程虚拟实验室”的设计与开发[J].实验室研究与探索，2006，25(5):561－564.

[5]石新丽，孙梦雯，程方岩，等.虚拟实验室在病原生物学实验教学中应用的可行性探讨[J].现代预防医学，2014，41(15):2879－2881.

[6]谢忠好，陈醒言，范小芳.医学机能学教学虚拟实验的设计[J].温州医学院学报，2011(2):168－169.

[7]瞿曌，邓居祁，殷科生，等.虚拟实验室的功能与特点[J].长沙大学学报，2007，21(5):104－106.

[8]刘东辉，孙晓云.虚拟仪器技术在实验教学中的应用[J].河北科技大学学报 (社会科学版)，2005，5(3):103－105.

[9]王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索，2013，32(12):5－8.

[10]周建军.虚拟现实技术在医学教育中的应用[J].医学教育探索，2010，9(12):1634－1636.

[11]周学东，张凌琳，叶玲，等.虚拟仿真技术在口腔医学教育领域的应用[J].实验技术与管理，2014，31(5):4－6.

[12]柳毅，郑园娜，刘月莲，等.虚拟实验室Simodont在荷兰口腔医学教学中的应用简介[J].上海口腔医学，2013，22(2):237－239.

[13]廖仕东，徐显秋.虚拟实验教学浅谈[J].重庆科技学院学报(社会科学版)，2005(3):115－116.