虚拟仿真实验教学的必要性、存在问题及其可持续发展机制

李磊

[摘要]高校开展虚拟仿真实验教学是高等教育信息化的重要内容。本文根据国内高等教育实验实践活动的情况指出了开展虚拟仿真实验教学的必要性，对目前虚拟仿真实验教学项目发展存在的问题进行了分析，提出虚拟仿真实验教学项目可持续发展机制。

[关键词]虚拟仿真实验;可持续发展;高等教育

[中图分类号]G642

[文献标识码]A

[文章编号]1671-5918（2019）07-0151-03

doi：10.3969/j.issn.1671-5918.2019.07.064

[本刊网址]http：//www.hbxb.net

在当前新工科教育背景下，工科学生的实验教学实践能力培养显得极其重要。当前，伴随“互联网+教育”的蓬勃发展，课堂教学逐渐呈现网络化、信息化、虚拟化的发展趋势，涌现出一批国家精品资源共享课程。但由于在线教学课程缺少实验教学环节，日益引起广大国内教育工作者的关注。虚拟仿真实验将虚拟现实技术一个逼真的、具有视、听、触等多种感知的虚拟实验环境融入实验教学，使学生产生身临其境感觉，拓展实验教学内容的广度和深度、延伸实验教学的时间和空间。虛拟仿真实验教学借助于虛拟现实、计算机仿真、多媒体和人机交互等先进技术手段，能够使实验者通过高度仿真的实验对象和实验环境在线完成实验项目。作为一种新兴的教学工具，虛拟仿真实验教学对于高校传统实验教学模式极具挑战意义。教育部办公厅印发的<2017年教育信息化工作要点》提出要深化数字教育资源开发与应用，遴选一批典型虚拟仿真实验项目，开展虚拟仿真实验共享平台建设。2018年教育部下发了开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知，并公布105个首批国家虚拟仿真实验教学项目。生动、逼真的表现形式让抽象的实验过程以动画形式形象逼真的展示，教师根据实际教学的需要，虚实结合，最大限度发挥虚拟仿真实验的优势，提高教学效果。

一、虚拟仿真实验教学的必要性

高校毕业生的实践能力与社会经济水平密切相关。各种现代信息技术和优质实验资源是增强学生实践能力的重要手段。当前，各种在线教学课程在高校逐渐得到推广和应用，但存在一个突出的问题一实验实践教学环节的缺乏。而传统的实验教学一方面存在时间、空间以及实验台套数的限制，另一方面还存在实验原理、实验过程等不可视等限制。虛拟仿真实验是虚拟现实技术与学科专业深度融合的产物，为学生提供具有良好沉浸感和获得感的虛拟仿真实验环境，激发学生学习兴趣，促进学生多学科、多专业知识点融会贯通的能力。目前，随着虚拟现实技术的日渐成熟，以及国内高校信息化基础设施建设越来越完备，不少国内高校已具备开展虚拟仿真实验教学的条件，并根据教学和科研的需求建立了虚拟仿真实验室。

（一）实验教学的需求

虛拟仿真实验与实际实验相结合，突破了实验教学对客观条件的依赖性，满足实际课堂教学需要，逐步成为老师得力的实验制作工具。虚拟仿真实验一方面通过模拟虚拟实验环境，将知识可视化呈现，调动学生参与实验实践活动的积极性和主动性，另一方面使学生对那些真实实验难以开展的实验机理和实验现象进行深入了解。

（二）实验教学改革与创新的需要

为了满足我国走新型工业化道路、建立创新型国际、提高国家竞争力，高校需要培养具有创新精神和实践能力的复合型人才。因此，需要加强实践教学，提高学生的实践能力。全天候接收信息的互联网技术和立体化、全方位的感官刺激的虚拟仿真技术使学生能够全天候、全空间、高效和高保真的获取教学信息。当代大学生具备应用良好信息技术手段来获取学习知识的能力，具有良好的创新精神和独立思考的能力。原有的实验教学模式很难激发学生的学习意愿和动力，需要转变实验教学模式以适应学生自主学习的需要。学生可以对虚拟环境中的对象进行操作，并能如同在真实世界中一样得到实在的反馈，虚拟仿真实验室是以自然的方式进行交互，实时地与在真实环境中一样的感知，从而忽略了计算机的存在。使学习者置身于其中的感觉，能够实现互动教学实验，可最大限度地激发学生学习兴趣，有助于发展学生的构建思维，具有独特的实验教学的实践作用。

（三）实践教学的需要

针对高等教育需要开展的部分高成本、高消耗、高危险、高污染的实践环节，在实践教学环节中，可以虚实结合，开展虚拟仿真实验教学，解决实践教学资源不足的问题。通过虚拟仿真实验教学可以让学生在高仿真环境下，既保证安全又能高效的开展教、学和练，不仅节省了大量时间和经费，避免实际操作过程可能出现的危险，又能有效提高学生的实践动手能力和创新能力。

二、虚拟仿真实验教学项目建设存在的问题

（一）“内容”与“骨架”分离

专业教师是虚拟仿真实验教学内容质量的关键所在。教学主体的教师是教学资源的创造者和更新者。虚拟仿真实验教学的“内容”建设一定要围绕着内容的创造者（专业教师）展开。当前，可以提供虚拟仿真技术的公司较多，但只有专业教师才能够提供虚拟实验教学内容设计。专业教师利用丰富教学经验设计实验目的明确、知识点丰富、通俗易懂、由易入难、专业素材规范的虚拟仿真实验的教学内容。虛拟仿真实验教学项目的建设需组织一批专业教师完成实验内容设计，交由专业软件公司完成开发工作，才能完成虚拟仿真实验的教学实验建设。假若专业教师构建了实验教学内容，但由于资金欠缺等原因无法找到合适的技术支持，也无法达到“内容”所需要的虚拟体现。同样软件公司虽然在信息技术方面具有优势，但不了解学科专业，所开发的软件存在诸多缺陷，无法满足教学大纲要求的实验教学效果。因为，为了深入推進教育信息化，需要进一步完善多元化实验教学体系，将部分专业教师分离出来，专门从事虚拟仿真实验教学资源的开发与教学实践。

（二）缺乏标准

目前，各高校虚拟仿真实验教学项目建设存在技术标准和意识空白、不统一、资源兼容性差。管理平台的系统架构、数据库支持、功能模块、运转流程等各不相同，相互对接存在障碍。部分虚拟仿真实验教学项目建设为求新而求新，杂乱无章的堆积硬件的现象。因此，当前亟须明确虚拟仿真实验项目建设规范。

（三）开放共享不足

由于虚拟仿真实验教学平台共享机制的不健全，平台的管理制度不完善、知识产权的归属不明晰等原因，相当一部分虚拟仿真实验教学项目的共享范围仅限于校内，在国内高校之间尚未形成畅通的共享渠道。各高校的虚拟仿真实验教学项目必须依托高校校园网公共教学平台，使虚拟仿真实验教学项目优质实验室资源得以开放共享和充分使用，通过建立相应的激励机制调动各相关高校和单位参与共享的积极性。

三、虛拟仿真实验教学可持续发展机制

如何实现虚拟仿真实验教学资源的可持续发展直接影响今后我国高等教育实验实践教学的质量。可持续发展的实现要有一个有效的管理体系。管理和决策能力的提高是可持续发展能力建设的重要内容。综合应用各种手段，社会参与和有效的评价、反馈体系是虚拟仿真实验教学项目可持续发展的必要保证。

（一）知识产权保护

当前中国经济结构进入重要转型期，随着改革开放的深入发展，国内外竞争越来越激烈。为了促进国内企业、高校和研究院所在激烈的竞争环境中持续创新，我国政府始终高度重视对知识产权的保护。虚拟仿真实验教学资源是智力劳动成果，具有明显的知识所属权。因此，当前一方面应逐步健全虚拟仿真实验教学项目的共享机制，另一方面也需要采取必要的措施，明确知识产权归属，对其进行知识产权保护，保护开发者的权益。

（二）持续的经费保障

虛拟仿真教学实验项目的建设和发展均需要充足的经费。目前项目的建设经费主要来自高校、地方政府和教育部等部门。而今后项目的持续发展和完善则需要依赖资源的有偿共享收入。

（三）社会参与

高等学校具有专业知识优势，但利用虛拟仿真技术方面不占优势。因此，需要制定校企合作的相关政策，建立相应的激励机制，有效地吸纳社会资源。可以通过校企合作共同研发虚拟仿真实验教学平台、企业为高校提供实际的技能培训、以虚拟仿真资源为依托培训企业技术人员以及通过收益合理分配，构建利益共享，让企业参与共享平台的管理和升级4种合作方式开展虚拟仿真实验教学项目的建设和维护。

（四）有效的评价和反馈体系

虚拟仿真实验教学项目的有效评价和反馈体系的建立具有两方面的优势：（1）有利于突出优质资源。口碑良好的虚拟仿真实验教学资源被越来越多的师生使用而口碑差的逐步被淘汰。（2）有利于资源的完善和改进。通过评价体系，虛拟仿真实验教学项目开发者可以依据师生反馈意见对资源进行改进，持续性的提升资源质量。

四、结论和讨论

虛拟仿真实验教学是网络化和虚拟仿真技术催生、发展起来的一种全新的实验实践教学模式，对实体实验具有良好的补充作用。因此，开展虚拟仿真实验教学既是适应时代发展的需要，也是深化教学改革提升办学质量的需要。随着互联网、计算机信息技术以及“互联网+教育”模式在国内的快速发展，虚拟仿真实验教学已成为国内工科院校培养大学生实践动手能力的重要手段。建立以实为主、虚实结合的实践教学体系，彰显虚实结合的教学特色和提升学生创新实践能力。为了满足我国走新型工业化道路、建立创新型国际、提高国家竞争力，培养具有创新精神和实践能力的复合型人才。

目前，虚拟仿真实验教学项目仅仅对实物和知识的虚拟仿真实现，对高校实验的程序化教学具有一定的帮助，虚拟仿真实验教学过程中不会出现其他意外结果。由于受软硬件限制，尚不能对自然界中的不确定、不可控因素进行有效模拟，无法对自然界中随机产生和进化的特征进行模拟。随着5G和AI等科学技术深入发展，虚拟仿真实验教学的模拟水平必将逐步接近现实情况。

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