本科教学虚拟仿真实验之思考

李震彪

本科教学虚拟仿真实验之思考

李震彪1,2

（1. 华中科技大学 实验室与设备管理处，湖北 武汉 430074； 2. 华中科技大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉 430074）

近年来，本科教学虚拟仿真实验项目的研发在国内高校开展得非常普遍。但是虚拟仿真实验应该注意什么问题、避免什么弊端、用什么方式进行开发和使用，公开报道的文献不多。该文从虚拟仿真实验的本义再认识出发，提出了必须注意避免的4个弊端，提出了虚拟仿真实验开发的合理方式。

虚拟仿真；实验教学；实验开发

1 虚拟仿真实验现状

近年来高校本科教学虚拟仿真实验项目申报与开发，如火如荼，千校申报、万人竞争。关于虚拟仿真的会议，也是百花齐放、五彩缤纷。从层级上看有校内的、省内的、全国的，从内容上看有如何获得上级项目批准进行申报指导的，有虚拟仿真如何应用于本科教学实践的等。大江南北、黄河上下，一派骏马奔腾、齐抓共管的态势。

但是，虚拟仿真实验项目如何真正地为提高本科教学质量服务，如何确实地为人才培养内涵发展做出贡献，如何在信息时代为提高办学效益做出实质性探索，避免“跟风”和“形象工程”，避免为短期效益的“帽子”“排名”所累，避免空心化的“赶时髦”，避免“烂尾楼”等，有许多问题需要冷静和理性的思考并加以注意。

在CNKI中国知网学术文献总库（http://www. cnki.net）中，以2010年1月1日到2019年6月22日为时间区间，以文章“篇名”含“虚拟仿真实验”和“虚拟仿真”进行搜索，结果显示作者单位为中国顶尖大学9校联盟（C9）的文章分别有19篇和63篇，作者单位含“大学”（即全国“大学”）的合计分别为611篇和1835篇。作者单位含“公司”的分别有10篇和175篇。在9校联盟的63篇“篇名”含“虚拟仿真”文章中，复旦大学为0篇、华中科技大学0篇、北京大学为2篇、南京大学为5篇，文章较多的是哈尔滨工业大学（21篇）和浙江大学（13篇）[1-10]。

上述文章的数量与内容具有如下特点：一是顶尖大学（C9）校的虚拟仿真文章数比例较低，仅占全国大学的3.1%（19/611）和3.4%（63/1835）；二是文理科大学虚拟仿真文章比工科大学更少，如C9的北京大学、南开大学、中国科学技术大学、复旦大学，在9校的63篇文章中仅有7篇，占11.1%；三是公司参与的虚拟仿真文章极少，与大学之比仅为9.5∶100（175∶1835），且含有公司作者的文章多数第一作者是大学，即公司作者为主的文章非常少；四是虚拟仿真内容上是针对某一门课或某一组相近实验的较多，多学科交叉综合的较少；五是虚拟仿真项目自产自用者多，形成著名品牌并在市场上占有一定份额，被许多所高校广泛采用的较少；六是虚拟仿真项目重复建设现象存在；七是以“虚拟仿真必须作为前提”的为何做、怎样做、做什么，文章介绍的比较多，而虚拟仿真研发中需要注意避免的弊端、克服的不足，则讨论和叙述较少[1-10]。

2 虚拟仿真实验再认识

“虚拟仿真”简单讲是指利用计算机生成的虚拟系统模仿另一个真实系统，包括视、听、触、嗅及三维空间环境的人的感受逼真性和人的操控与虚拟系统的实时交互反应逼真性，即虚拟仿真的特点是通过虚拟世界与人的交互，反映真实世界。

“实验”是指在可控条件下进行的操作，以发现未知的科学规律或现象，或用于验证已知的知识规律，或测试并建立某种科学假说。

因此，虚拟仿真实验在功能上必须达到以下要求：

（1）真实，即虚拟系统所展示的科学现象与规律与真实系统具有一致性；

（2）交互，即人与虚拟系统可以交互，实验条件可以人为调整；

（3）显隐，即隐性部分显性化，真实系统中常处于隐性难见的部分，在虚拟系统可以显性化展示。如物体的温度场、电场、磁场、力场、流场可以按需实时显示等；

（4）广用，指信息化产品的特点是易于网络化、多用户化、用户广域化，比如“慕课”就可以全球实时网上听课学习，网络游戏也可以任何地点上网操作。

3 虚拟仿真实验（软件）应注意避免的弊端

3.1 逼真不足

虚拟仿真的重点是“真”，“真”包括2个方面，一是虚拟系统实验过程及其结果的展示与真实系统的过程与结果高度一致，符合科学规律；二是虚拟系统的实验环境及实验者的感受与真实系统一致，包括视、听、触、嗅及三维空间结构及比例等。比如，实验设备、实验材料、实验空间布局、实验物理环境（如化学实验通风橱的排风方向、风速、温度、湿度等），均应与实际实体境况一致或高度接近。

因此，对于虚拟仿真实验平台，在投入使用前必须组织业内专家进行“真实性”鉴定评价，包括多种变化条件下的实验过程及结果是否均严格符合科学实际，实验者的感受是否真实。科学实验“差之毫厘、谬之千里”，虚拟仿真实验一旦失去“真实”，轻则教学不严谨、教学质量低下，重则传播假科学、误人子弟、贻害大众和国家科技发展。

所以，对于虚拟仿真实验项目如何“证真”，十分重要，极为关键，不能马虎。

3.2 交互贫乏

真实系统的实验由于实验条件可调、实验设备与环境可组合变化、实验难度与内容可动、实验结果可观察，因而具有生动趣味。虚拟仿真实验既要避免单向播放式、简单动画式，也要避免实验条件简单、实验设备与材料贫乏、实验内容单调等造成的交互性差、呆板枯燥等现象，避免“摸啥摸不着，要啥也没有”的“虚、空”等情况。如何最大限度地增进“交互性”，最大限度地逼近真实系统的实验内容丰富性，是虚拟仿真实验必须重视的问题，也是虚拟仿真实验是否具有生命力，是否师生喜欢用的重要方面。

所以，交互性的多与少、难与易、有趣与枯燥，是虚拟仿真实验研发中必须注意的另一问题。

3.3 显隐缺失

虚拟仿真信息化产品的特点之一是可提供真实系统实验之外的“增值服务”，几乎可以“想啥有啥”。即与真实系统实验相比，虚拟仿真实验可实现“观宏”（观察普通真实实验观察不到的宏观现象）、“探微”（微观世界）、“克难”（开展真实系统不允许或极难进行的实验，如极限压力、核泄漏、核爆炸等）、“显隐”（人眼看不到或一般仪器不易测量的实验过程中伴随的科学现象，如温度场、流速场、电磁场等）。总之，虚拟仿真实验，从理论上讲应该能实现诸多真实系统难以实验的内容或观察的现象，化“隐”为“显”，化“无”为“有”，提供增值服务。

所以，虚拟仿真实验平台能够提供的“显隐”多与少、粗与细、深与浅，是衡量该虚拟仿真实验水平高低的重要指标。

3.4 广用不足

虚拟仿真实验项目（软件）类似于教材，对于教材是每个学校都自己进行编著，还是直接购买市场上已有的？教材的编著是宜于个人开展，还是应该教授团队集体进行，或是多所高校联合编著？教材编著时的目标仅仅是自家使用、自产自销，还是希望能够被一定范围推广，能够被许多高校使用？教材编著是为了大学排名、学科排名、职称晋升，还是为了切实提高人才培养质量？

定位不同、目的不同、方法不同、作者不同，肯定会造成教材水平不同、适用面不同。此外，虚拟仿真项目教材，作为信息化产品，应注意信息化产品的特点：只有第一，没有第二（如搜索引擎，国际上是google，国内主要是百度，或者只有少数几个品牌称雄全世界，如社交平台，国外主要有twitter、facebook，国内主要是微信、QQ）。

虚拟仿真实验平台是实验教学的工具与手段，只要能达到教学目的，能够在市场上买到现成的高水平虚拟仿真实验平台，为什么自己还要花费巨大的人力财力与时间重复开发呢？重复开发不仅仅造成资源的低水平重复化和浪费，还会造成实验教学质量的降低。因为放着科学严谨、深入浅出、内容丰富、被许多同行专家好评和使用的名著教材不用，偏偏使用自编的半生不熟的自编讲义，这肯定不是最好的选择。

所以，虚拟仿真实验的研发，必须以高质量为第一原则，并以被业内同行师生广泛采用为目标（即广用），无广用，不成功。

4 虚拟仿真实验研发的方式

高水平的虚拟仿真，如拍电影、做网络游戏等，不是一个人的战争，也不是一个小团队的战争，而需要教学（课程）专业人员、计算机软件专业人员、工艺美术专业人员、产品策划与管理专业人员等多方面专业人员的协同合作，是一个多兵种联合作战。

虚拟仿真教学项目建设目的，是服务于本科实验实践教学，提高教学效果和办学效益，而教学本身自有其内在规律，比如：

（1）在知识内容上，存在知识点—知识面—专业知识体系—多学科知识体系—知识交叉融合—知识更新与创新—知识应用与创新等层次与过程；

（2）在教学过程的人—物—环境方面，存在“教方—教师”“学方—学生”“教学知识载体”及“技术环境”；

（3）在教学方法上，有学术问题导向型、知识点（面）导向型、课题（项目）导向性、技术应用导向型等。

虚拟仿真项目是实验教学的工具、手段、装备，是“产品”。作为产品，应注意如下特点：

（1）产品技术标准与规范，包括适用范围，品种、规格，核心功能，技术参数、寿命、可靠性等；

（2）兼容性，能方便地适用于各种技术环境；

（3）性价比，在价格上与同类产品相比较具有一定的竞争优势；

（4）售后服务，能够提供良好的售后服务；

（5）市场占有率，应在市场上具有一定的比率；

（6）美誉度，具有比较好的声誉及信誉。

没有产品策划与管理专业人员团队的深度介入，虚拟仿真项目很可能一锤子买卖，既难以推广到其他高校，没有市场占有率，也难以升级换代持续发展，更没有好的性价比和好的售后服务。

所以，虚拟仿真项目的开发方式，最好是产学研相结合的产业化和商业化模式。大学教师团队出思想和教学需求，软件公司编程实现，双方商业化运作。形成国内一流的、可持续的、有销量的商品。这样的模式解决了大学教师的动力来源、软件公司的动力来源，是双赢。否则，双方都会当作一锤子买卖，应付交差，半生不熟、不好用、浪费钱。目前市场上比较著名的仿真软件，均是产业化、商业化模式运行。如机械动力学的adams、ansys，电子的proteus，单片机的keil，通用的simulink，流体力学的fluent，虚拟仪器的labview等。

5 结语

虚拟仿真实验固然重要，但必须理性看待，谋定而后动，一定要避免急功近利的低水平重复，更要杜绝“不真不实”可能造成的传播假科学、误人子弟、贻害大众。虚拟仿真实验软件要切实实现“真实”“交互”“显隐”“广用”。虚拟仿真实验软件开发的最好方式是产学研相结合的产业化商业化模式。

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Thinking on virtual simulation experiments for undergraduate teaching

LI Zhenbiao1,2

(1. Laboratory and Equipment Administration Office, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2. School of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

In recent years, the research and development of virtual simulation experiments for undergraduate teaching has been widely carried out in Chinese colleges and universities. But there are few publicly reported literatures about what problems should be paid attention to, what disadvantages should be avoided and how to develop and use virtual simulation experiments. Starting from the re-understanding of the essence of virtual simulation experiments, this paper puts forward four drawbacks that must be avoided and proposes a reasonable way to develop virtual simulation experiments.

virtual simulation; experimental teaching; development of experiments

G642.0

A

1002-4956(2019)09-0005-03

2019-03-06

李震彪（1963—）男，河北新河，博士，教授、博士生导师，实验室与设备管理处处长，研究方向为开关电器、电接触电弧及材料、实验室与设备管理。

E-mail: 494071200@qq.com

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.002