新工科背景下虚拟仿真实验教学探析

邓英霞 胡百林

摘 要：新经济快速发展迫切需要新型工科人才支撑，新型工科人才培养离不开实践教育教学环节的改革和创新，实验教学一直是工程人才培养中极为重要的环节，直接关系到工程人才的培养质量和实践能力。虚拟仿真实验教学是传统实验教学的有力补充，是实践教学的改革和创新，能够极大提升实验教学质量和水平。

关键词：新工科;虚拟仿真实验;教育信息化

1.研究背景

以互联网、人工智能、新能源、新材料等为标志的新一轮科技和产业革命正驱动着新经济的快速发展，新经济快速发展迫切需要新型人才支撑，而新型工程人才是推动新技术革命的最重要的技术力量。当前，我国工程教育在新型工程人才培养方面存在理念不适应、人才结构不适应、分类发展体系不适应与培养模式不适应等诸多问题[1]，因此，需要进行全面深刻的改革和创新。在此背景下，教育部高教司于2017年积极推进“新工科”建设，相继形成了“复旦共识”[2]、“天大行动”[3]、“北京指南”[4]等指导性文件，指引工程教育以新经济新产业为背景，树立创新型、综合化、全周期工程教育“新理念”，构建新兴工科和传统工科相结合的学科专业“新结构”，建立完善中国特色工程教育“新体系”，探索实施工程教育人才培养“新模式”，全面推进工程教育改革和创新。

新工科是基于国家战略发展新需求、国际竞争新形势、立德树人新要求而提出的我国工程教育改革方向。新工科建设要求高校以工程教育新理念、新结构、新体系、新模式构建新工科专业或改造现有专业，培养新经济和新产业所需的新型工程技术人才。

实践教育教学体系与实践平台是新工科人才培养新质量的重要保障，应围绕工科学生工程实践能力培养的目标，着力构建面向新工科的工程实践教育体系与实践平台，积极推进虚拟仿真等信息技术在工程实践教学中的深度应用。

2.虚拟仿真实验教学有关概念

虚拟仿真实验教学是现代信息技术与高等教育实验教学的深度融合，是教育信息化的重要内容，指的是综合应用多媒体、大数据、人工智能、人机交互、虚拟现实、网络通讯等现代信息技术，通过构建逼真的实验操作环境和实验对象，使学生在虚拟环境中开展高效、安全且经济的实验，进而达到真实实验不具备或难以实现的教学效果。[5]

教育信息化，是指信息与信息技术在教育、教学领域和教育、教学部门的普遍应用和推广[6]。教育信息化一般至少包含四个子系统：硬件基础设施;软件平台;各级各类教育教学资源;教师培训。其中，又以教师培训子系统最为重要，因为该子系统是由经过培训的教师利用这些信息化教学环境实现教育信息化的最终目标。

3.虚拟仿真实验教学的优势

实验教学主要目标是探索科学奥秘、培养科学兴趣、形成团队合作精神、促进概念理解。经验研究表明传统实验和虚拟仿真实验对于帮助学生对基本原理和概念的理解没有区别，因而，在获取概念性知识方面，虚拟仿真实验可以取代传统实验。

相比传统实验，虚拟仿真实验具有如下优点：

首先，虚拟仿真实验与传统实验最重要的不同是便于调节，虚拟仿真实验设计者可以根据需要突出重要信息去除干扰因素，或者调节模型参数以突出实验对象的某一性能，便于学生发现、理解特定的科学现象。

其次，虚拟仿真实验比传统实验效率更高，因为通常要求更少的设计步骤并且能够即时展示实验结果。如此一来，学生便能在同样的时间内做更多的实验。相比之下，传统实验则需要真实的延时，在进行下一次实验前需要花费更多时间准备。

再次，虚拟仿真实验可以让学生只专注于实验本身，而不用过多考虑测量误差。

最后，虚拟仿真实验可以模拟高危和极端环境实验，或以极低费用模拟高成本高消耗的大型实验项目，学生可以安全、经济、高效地开展实验，进而达到传统实验不具备或难以实现的教学效果。

4.虚拟仿真实验教学面临的挑战

虚拟仿真实验教学应当融入传统实验教学，而不能一味采取虚拟仿真实验。心理学研究表明，真实物理实验带来的触觉体验对学生的影响是巨大的，触觉信息能够帮助学生切身感知所学概念，身临其境解决所遇到的问题。而虚拟仿真实验大多数只能提供视觉信息，演示的意味更浓厚一些。传统实验能够很好的帮助学生培养实验技能、故障处理、仔细设计实验步骤的能力。因此，在设计实验教学过程中理应遵循虚实结合、相互补充、能实不虚的原则。

随着互联网技术、云计算、虚拟现实技术的发展，在线学习已经成为一种重要的学习方式，基于信息技术的虚拟仿真实验技术理应顺应互联网时代的发展，开展更广更深层次的在线虚拟仿真实验，开放实验获取途径，建立开放式的实验资源平台，迎接教育教学领域的革命性变革。

虚拟仿真实验教学是一个系统工程，不仅仅是一个简单的教学过程，还包括以下四个方面[7]：虚拟仿真实验教学资源、虚拟仿真实验教学管理和共享平台、虚拟仿真实验教学队伍。因此，这是一项面临诸多挑战的工作。

5.结论

虚拟仿真实验教学和传统实验教学一样，能够完成培养学生创新精神、实践能力的教学目标，能够帮助学生理解科学知识、建立科学概念。起源于计算机技术的虚拟仿真实验教学是传统实验教学的有力补充：能让学生观察到传统实验看不到的实验现象，建立可观和不可观现象的联系，突出教学重点;对于那些涉及高危或极端环境、不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的大型或综合性实验项目，虚拟仿真实验教学具有明显的优势。随着现代科学技术的发展，虚拟仿真实验技术水平也越来越高，虚拟仿真实验在某些方面甚至已经超过传统实验。

参考文献：

[1]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）：7-12.

[2]教育部高教司.“新工科”建设复旦共识[J]. 高等工程教育研究，2017（1）：10-11.

[3]教育部高教司.“新工科”建設行动路线（“天大行动”）[J].高等工程教育研究，2017（2）：24-25.

[4]教育部高教司.新工科建设形成“北京指南”[J].教育发展研究，2017，37（Z1）：82.

[5]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.

[6]何克抗.我国教育信息化理论研究新进展[J].中国电化教育，2011（1）：1-19.

[7]李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，32（11）：5-8.

课题项目：本论文为校级教改项目“虚拟仿真实验中心建设研究”项目编号：2015xh20的阶段性成果。