面向混合式实验教学的虚拟仿真实验平台建设与教学研究

张 望

(大连海事大学信息科学技术学院，辽宁大连，116026)

一、前言

“双一流”建设是推动我国迈向高等教育强国的重要举措，一流大学需要一流学科作为支撑，一流学科需要一流本科课程作为基础。针对2017—2020年示范性虚拟仿真实验教学项目的建设情况，教育部办公厅发布的相关通知指出，到2020年认定1000项左右的示范性虚拟仿真实验教学项目，将实验教学信息化作为高等教育系统性变革的内生变量。[1]在传统实验实践教学体系、教学方法的改革中，虚拟仿真实验教学项目发挥了极其关键的引领作用，虚拟仿真实验平台建设代表了现代化实验室发展的新方向。

大连海事大学(以下简称我校)以“造就业界精英、社会栋梁，服务国家海运强国、海洋强国建设”为使命，致力于培养具有创新精神、健全人格、开发潜质、丰富知识、健康体魄、实践能力，又同时兼具国际视野、社会责任、民族精神、海洋意识的高素质创新型人才。[2]在创新型工程人才培养工作中，实验实践教学已被视为一个直接关系到毕业生能力水平的关键环节，但实验设备数量、质量及实验场地的不足在很大程度上制约了教学活动的开展。同时，在传统的实验实践教学过程中，共享程度低下、师生沟通不畅、信息传递滞后等问题都影响了培养目标的达成。随着虚拟仿真技术的迅速发展，越来越多的高校开始利用此项技术解决传统实验实践教学的各种局限性与不足之处。[3]

二、虚拟仿真实验平台建设的意义

虚拟仿真又称为虚拟现实技术，其能够利用计算机技术生成逼真的数字化虚拟环境，使得用户更为自然地操纵虚拟设备，进而实现自由活动与探索行为，并通过置身于虚拟世界而获得相应的真实体验与感受。[4]作为一种利用互联网技术开展的开放式实验实践教学手段，虚拟仿真实验要想实现相关设备、项目的虚拟化、数字化，离不开完备的技术基础，即虚拟现实、网络通信、多媒体、人机交互等技术的支持。虚拟仿真实验平台充分利用了多项先进技术，如计算机技术与网络、新媒体技术、虚拟现实、人工智能等，通过对图像、动画等信息处理技术，以及模型构建与可视化渲染等，营造了一个可实时交互的实验环境，利用多模态的内容表征与情景环境帮助学生进行高效深入地学习。

虚拟仿真实验平台能够提供一个具有物理环境和行为真实感知的虚拟实践空间，为学生创建一个经济便捷、安全可靠的实验环境，使学生能够在类似真实的实验实践环境中体验现实问题的解决过程，让学生得以亲身尝试和探索。虚拟仿真实验平台突破了传统实验所受到的时间、场地等的限制，弥补了实验设备、实践平台的短板。同时，虚拟仿真实验拓展了现有实验实践教学方式，能够更好地满足学生对知识的验证、强化、创新等多方面的需求。

三、混合式实验教学体系的建设要点

混合式实验教学体系需要真实实验设备和虚拟仿真实验平台的共同支撑，虚拟仿真实验项目的设置应以“能实不虚、虚实结合”为导向，特别是实现难度较大的科研成果及工程问题向虚拟仿真实验项目的转化。[5]在现有先进技术与设备的基础上，高校结合教研成果进一步研发内容与形式更加多样化的虚拟仿真实验项目，提供具有工程实践氛围的实验教学条件，为学生进一步掌握、运用科研方法，探索、研发工程创新项目提供条件，从而激发学生的学习热情，促进工程创新人才的培养。高校通过建设虚拟仿真实验教学项目，可以促进学科专业与信息化技术的高度融合，在原有专业知识教学体系和实验实践教学内容的基础上结合虚拟仿真技术，构成“虚实互补、以虚促实”的实验实践教学体系。

同时，高校还应通过完善虚拟仿真实验平台运行的保障措施，将原有的真实实验设备与虚拟平台进行融合，将传统的实验实践教学与虚拟仿真实验结合在一起；通过建立资源共享系统以促进虚拟仿真实验室资源开放共享，满足开放式实验实践教学任务需求和开放式实验室管理需求；通过加强实验教学师资队伍建设和引入适当的激励措施，吸引更多有能力的教师参与虚拟仿真实验平台建设。[6]实验教师参与度的提高能够促使其进一步发掘现有实验实践教学开展过程中存在的问题与不足，并进行有针对性的优化与调整，以此改进过去不合理的教学方式，提高知识转化的效率和效果。

此外，高校还需建立新型校企合作模式，增进与有关企业之间的交流与合作，结合双方长处开发优质的虚拟仿真实验平台。一方面，对虚拟仿真实验教学自身来说，校企间的资源合作能够在很大程度上提高虚拟仿真实验项目的数量和质量。另一方面，校企间的技术合作也有利于提高学生的创新实践能力，培养兼具专业知识与实践技能的高质量人才，以应对科技创新竞赛和创新创业过程中可能遇到的多方面挑战。

四、混合式实验教学的实施方案

(一)根据教学需要开发虚拟仿真实验平台

根据光电信息科学与工程专业必修课程光电检测技术课程设计的线上线下混合式实验教学要求，我校信息科学技术学院(以下简称我院)专业实验中心与相关企业合作开发了相应的虚拟仿真实验平台。该平台通过虚实结合的方式逼真地模拟出所需的实验场景，仿真效果更接近于工业生产中苛刻的现场环境，特别是图像采集过程的仿真效果已超出了真实实验设备所能提供的实验条件。该平台还能定量模拟工业现场环境中多种因素产生的不同影响，进而通过逐渐增加各种因素的影响效果，循序渐进地引导学生挑战更复杂的实验项目，从而顺利完成真实实验设备上的复杂实验项目。与此同时，虚拟仿真实验平台也为新冠肺炎疫情期间的线上教学提供了重要的技术支撑。

虚拟仿真实验平台能够提供光电检测技术课程设计所包含的全部5个题目所涉及的仿真实验场景，并可通过设定参数调整场景内目标物的特征。虚拟仿真实验平台不但可以提供USB摄像头采集图像过程中可能涉及的曝光、颜色、噪声、透视、角度等变化仿真，而且能够通过模拟串口接收MATLAB软件回传的图像分析结果，并根据仿真场景检验图像分析结果的正确性。虚拟仿真实验平台的相关功能是对真实实验设备功能的补充和延伸，对提高教学效果大有裨益。

(二)基于虚拟仿真实验平台进行教学试点

借助“雨课堂”直播平台开展的线上和线下互动教学试点，打破了光电检测技术课程设计以往的教学模式，为多种新颖教学手段的应用提供了条件。我院专业实验中心特别邀请了行业专家共同参与教学，为学生讲解课程设计题目在工业中应用的背景知识，介绍虚拟仿真实验平台各部分功能与线下课程所用实验设备的对应关系，具体演示使用虚拟仿真实验平台完成课程设计的交互性操作步骤。行业专家不但随时在微信群里对学生在课上产生的疑问进行解答，而且还不定期地通过ZOOM视频会议对学生提出的复杂问题进行线上指导。

参与教学试点的各位教师还特别关注学生的个性化发展需要，围绕“培养创新型工程人才”的目标开展相关课程与项目的设计。如此一来，教学内容既保留了原有教学体系的优点，又吸收了虚拟仿真实验平台的长处，将两者进行充分、深入地融合。教学重点不再限于提升学生知识的系统性，还在此基础上促进了多学科之间的渗透，以培养学生创新实践能力为主，构建多学科交叉、多层次融合的实验实践教学体系。

(三)通过完善制度保障平台运行

我院专业实验中心通过完善虚拟仿真实验平台相关规章制度，积极发挥其在实验室科学化、规范化、制度化运行上起到的引导作用。虚拟仿真实验方式与传统实验方式有着较大差别，实验指导教师在完成原有实验工作的基础上，还要进一步满足学生在不同时段的自主实验实践需求。为此，虚拟仿真实验平台必须建立安全准入制度，对登录平台的学生进行必要的网络安全和操作规范培训，以此保障平台的平稳运行。

在保证虚拟仿真实验平台平稳运行的基础上，我院专业实验中心还积极组织教师探索促进虚拟仿真实验平台与真实设备的整合方法，做到虚实结合、取长补短，实现优势互补。真实实验设备能够使学生置身真实情境，具有很强的实践性。虚拟仿真实验平台作为真实设备的补充和延伸，其优势在于能通过虚拟的方式创造传统实验室中无法提供的真实工业环境，使学生更加立体地感知实验，进而带动实验实践教学模式的创新。

(四)通过建设队伍促进平台发展

我院专业实验中心特别关注实验教师专业知识提升与业务能力的培养，通过加强实验教学师资队伍建设，吸引更多有能力的教师参与虚拟仿真实验平台建设。混合式实验教学中的虚拟仿真实验具有更高的专业性要求，一方面要求教师具有扎实的专业基础知识，另一方面也需要教师广泛了解相关工程知识和信息技术，并能够在教学过程中不断地改进授课方式，弥补现有虚拟仿真实验平台的缺陷，不断地提高授课质量。

为此，我院专业实验中心充分发挥实验教师队伍“传帮带”的优秀传统，为虚拟仿真实验平台建设提供进一步可持续发展的保障。尤其是针对实验教师中的中青年群体，我院专业实验中心通过适当的奖励政策促进其积极参加相关培训活动，把握好每一次合作、交流、切磋的机会，共享学习资源，相互学习借鉴虚拟仿真实验教学中的经验。

(五)通过合作共建提高平台效能

我院专业实验中心还积极推进学校与相关企业之间的交流与合作，结合双方的优势资源和特色技术共同开发优质的虚拟仿真软件，不但注重增加实验实践教学资源的数量，而且注重提升虚拟仿真软件的质量。我院专业实验中心与企业通过共建虚拟仿真实验平台、虚拟仿真实验实践课程等方式，推动双方交流与合作的持续加深，进一步构建双方互利互惠的合作机制。

此外，我院专业实验中心还邀请行业专家与学生共同讨论工程案例，引导学生提出问题并找出解决问题的具体途径，促使学生熟练掌握专业技能和工程实践方法。我校各专业实验室也相应地加大虚拟仿真实验平台的开放力度，为培养学生的动手实践能力和科技创新意识提供演练平台，进而助力在大学生创新创业等活动中开展创新性工作。

五、总结

面向混合式实验教学建设虚拟仿真实验平台，为建设“虚实互补、以虚促实”的实验实践教学新体系提供了重要支撑。虚实结合的方式能够逼真地模拟所需的实验场景，实现对真实实验设备功能的补充和延伸，从而循序渐进地引导学生挑战更复杂的实验项目，进而顺利完成真实实验设备上的复杂实验项目。在实施混合式实验教学的过程中，高校可以借助多种新颖的教学手段构建多学科交叉、多层次融合的实验实践教学体系。此外高校还应重视虚拟仿真实验平台相关规章制度的健全与完善，关注实验教师业务能力的提升，加强和企业的交流与合作，逐渐形成持续改进的良好发展态势。