高校虚拟仿真实验教学项目建设研究

刘岳启

(淮阴师范学院 信息化建设与管理处， 江苏 淮安 223300)

早在2014年，习近平总书记就作出了“没有信息化就没有现代化”[1]的重要判断。2018年4月，教育部印发的《教育信息化2.0行动计划》明确指出：“坚持信息技术与教育教学深度融合，坚持应用驱动和机制创新。”[2]教育信息化2.0构建教育教学新模式以信息技术进行推广，实现优质教育资源的培育共享，推动新技术支持下教育的模式变革和生态重构贯彻。虚拟现实、增强现实和情境感知等技术可以将真实场景与虚拟场景结合起来，通过情感体验和系统开放实现浸入式学习。电影《头号玩家》就以其逼真的情感体验让剧中人无法分清是在现实中还是虚拟环境中。同样，通过计算机技术也可以实现学习内容的逼真情感体现。在线学习、移动学习等学习方式提供自主参与方式，视频公开课、慕课等学习资源增加了自主选择机会；通过大数据挖掘和智能分析系统，可以实现学习过程数据的分析与评价，从而有效地促进学习。智慧学习、3D打印、开源软件等相互关联的教学情境，推动了创新模式的发展，促进教学方式向实践创新发展。

1 虚拟仿真实验教学项目建设的背景

教育部于2013年启动国家级虚拟仿真实验教学中心建设，并于2014年和2015年分别立项通过200个国家级虚拟仿真实验教学中心建设。自2017年开始，教育部计划建设1 000个国家级虚拟仿真实验教学项目。正是在这个政策的引导下，各个高校纷纷开始建设虚拟仿真实验教学项目。2017年，教育部认定了105个虚拟仿真实验教学项目(立项数超出原计划5%)，2018年，教育部认定了296个虚拟仿真实验教学项目(立项数超出原计划18.4%)。

虚拟仿真实验教学项目是计算机技术与实验教学内容相结合的产物。通过虚拟仿真可以使学生尽快接触前沿技术，实现重大工程、重大项目、高水平科研成果与实验教学、工程实践的无缝衔接。同时，促进学生自主学习和研究性学习；促进高校实验教学方法改革、教学模式变革、评价方式重构。虚拟仿真实验教学项目的实质是实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，在涉及“三高两不”(高风险、高成本、高消耗，不可逆、不能及)实验项目时提供可能。项目建设以“虚实结合、能实不虚”为原则，充分利用计算机虚拟现实、仿真技术来代替部分在真实场景无法实现的实验，从而丰富实验教学内容、拓宽学生的综合实践能力。

2 虚拟仿真实验教学项目的分类

根据研究思路、教学目标、实现手段和展现形式的不同，虚拟仿真实验分为模拟实验、仿真实验、虚拟实验、远程实验、虚拟仪器实验[3]。

模拟实验是用另一个系统来表述某个实验物理现象或抽象行为的过程。其研究思路主要是模拟系统与现实实验在一些关键特征上具有高度相似性[4]。通过计算机辅助设计技术，利用二维或三维动画来展示实验结果或过程，具有参数可调、状态可变、效果直观的特点，适用于基础概念理解或基本实验技能的训练。

仿真实验是以一个内嵌专用软件的硬件系统来实现研究对象的部分或全部功能，使硬件系统具备研究对象的同样功能，输入相同的原始数据，执行相同的算法代码，得到可以用于现实研究对象的实验结果或过程。在数学建模的基础上，深入分析研究对象，采用计算机优化算法，结合人机交互，模拟研究对象的某些关键行为特征，科研探索科研未知领域。早期，在一些发达国家的航空风洞实验、原子爆炸实验、化工生产实验中广泛应用。

虚拟实验是指利用键盘、鼠标、操作手柄、智能手套等输入设备来操作处理虚拟现实环境中的虚拟实验对象。通过大量的虚拟现实环境技术、高度虚拟实验对象，实现与真实实验相逼近的实验场景，使操作者对真实环境有一定的感观认识。例如虚拟月球车实验、拆除爆炸物实验、登陆火星实验、飞机虚拟驾驶等。

远程实验是利用互联网通讯技术，通过操作当前仪器设备，远程操控实验仪器设备，使其完成相应动作，实现隔空取物的实验。特别是随着计算机网络技术的广泛应用、手机通信技术的快速发展、物联网技术的日新月异、智能家居的大量普及，隔空取物已突破时空限制，在现实生活中广泛使用，远程医疗就是一个很好的实例。

虚拟仪器经常出现在虚拟实验中，是虚拟实验的操作对象。虚拟仪器通常利用计算机软件技术来实现现实实验中的成套仪器设备拆装、单个仪器的各类虚拟连接、虚拟信号数据输入、分析处理、实验结果展示等过程。虚拟仪器可以打破时空局限，实现随时随地做实验。适应于让初学者快速掌握大型贵重仪器、高危仪器的操作使用。

3 虚拟仿真实验教学项目的来源

虚拟仿真实验教学项目主要来源于三大类：国家级科研项目成果的转化，重大工程项目的转化和学生创新设计与制作。

3.1 国家级科研项目成果转化

国家级科研成果因其科学的先进性，受限于生产制作工艺的限制，转化为实验教学内容往往需要很长时间。通过计算机技术虚拟仿真，可以使其先进的技术和内容快速转化，融入实验教学内容，提升学生接受先进科学技术的能力。如东南大学2018年申报的国家级虚拟仿真实验教学项目“金属高压铸造技术的虚拟仿真实验”就是由多个国家级科研项目的成果转化而来。这些项目主要包括：国家重点研发项目“金属增材制造的高频超声检测技术及装备”；国家自然科学基金面上项目“模拟生理应用作用下Mg/PLA复合材料的分阶协同降解行为研究”和“低频动载作用下镁合金与涂层的降解行为及其频率特性”；国家自然科学基金重点项目“高性能铁磁性块体非晶合金的探索与结构性能研究”等。

3.2 重大工程项目的转化

重大工程项目并不是大量在校工科学生都能够亲自参加的，而且重大项目也不可重复实现。通过虚拟仿真，可以实现多次重复的动手训练。如长安大学制作的“斜拉桥设计建造与受力性能虚拟仿真实验”就以马尔代夫中马友谊大桥工程和巴拿马运河四桥工程的相关数据为模版，建设虚拟仿真实验教学项目。斜拉桥的施工期往往以年计，无法纳入本科生教学计划；桥梁为混凝土结构，体量太大，无法在室内实现；施工是多工种交叉作业，不具备室内操作条件。通过重大工程的相关数据，虚拟现实技术高度仿真斜拉桥的结构体系、桥塔、拉索、主梁等设计与建造，与原有的课堂教学、实验教学及实习实践形成了“虚实互补”的教学模式。

3.3 学生的创新设计与制作

在高水平大学中，学生的创新实践训练、学科竞赛、课程设计创新训练项目包含大量的虚拟仿真实验内容。如“互联网+”大学生创新创业大赛中一些获奖作品就包含虚拟仿真内容。南京大学的“智能微电网实时监控系统”既有企业的广泛合作，也有在校优秀学生的深度参与。“智能微电网实时监控系统”作为全校公选和创新创业课程，面向电子科学与技术、自动化、新能源专业二年级以上本科生开设。系统包括智能微电网的系统架构、智能微电网的工作方式、智能微电网的单元构成、各单元的并网控制方式、并网流程和工作步骤等五大模块。项目的设置体现了虚实结合、激发兴趣、增强体验、线上线下、共建共享的教学理念。

4 虚拟仿真实验教学项目的激励

虚拟仿真实验教学项目的制作涉及多个学科的知识，非一个人能全面地操作和完成，往往需要专业课教师、实验老师、计算机方面的专业人员等共同进行谋划和制作。因此，知识产权的归属和利益分配很难操作，实际上，根据制作的不同模式，虚拟仿真实验教学项目可以分为自主知识产权、联合知识产权、他方知识产权。

4.1 自主知识产权型实验教学项目的激励

自主知识产权型实验教学项目往往是学校某一个学科多个专业教师多年的科研成果的长期积累形成的一系列成果，是彰显学校特色的一个重要方面。如常州大学的石油钻采与储运工程国家级虚拟仿真实验教学中心、中国矿业大学的矿山测量虚拟仿真实验教学中心的多个实验教学项目，都是学校行业特色的体现。这些项目是学校教师教学成果或科研成果的结晶。在进行成果认定时，可以按教学成果或科研成果进行认定。在不同类型的高校的不同时期，科研成果和教学成果的奖励力度也会各不相同，取决于学校在这个时期是推进科研成果，还是偏重于教学成果。针对自主知识产权型实验教学项目的激励，可参照教学项目中教学成果奖、课程建设、教材建设、课堂教学奖、教改项目等进行类比并进行奖励。

4.2 联合知识产权型实验教学项目的激励

联合知识产权是由高校老师提供制作虚拟仿真实验教学项目的所有脚本，其中涉及的技术参数更多地来源于一线工厂或企业，而制作过程由承担此类项目的专业公司组织技术人员进行计算机建模、场景制作、流程设置、参数设定、后台管理编制等。高校支付一定的制作费用给专业公司，形成的知识产权在合同或协议中都明确为联合知识产权。高校对于这类虚拟仿真实验教学项目的奖励，可按自主知识产权型实验教学项目奖励政策的一半执行。高校教师在项目制作过程中致力于前期脚本的撰写和后期制作效果的验收，制作过程参与度低，所付出的劳动量与自主知识产权型相比较少。同时，在后期过程中专业公司更多会致力于社会化推广和销售，也可能产生一定的经济效益。

4.3 他方知识产权型实验教学项目的激励

这种项目的激励机制可采用用户贡献模式，即根据使用者数量进行奖励和考核。根据人才培养方案，设定一个基本的学生应使用软件的学时数量，超过一定的人时数，按校内学生的推广人时数和校外学生推广的人时数分类进行统计，按不同权重进行计算，对任课教师进行奖励，鼓励任课教师积极推广此类教学项目的使用和扩大影响，提高项目的投资效益[5]。另一方面，根据虚拟仿真实验教学项目在实体教学中使用推广的客观需要，认可参与虚拟仿真实验教学项目推广和培训的工作量，提高实验老师和实验室管理工作人员工作的积极性[6]。

结语

建设虚拟仿真实验教学项目是高校加强教学信息化建设、优化教学资源的必然要求，也是顺应计算机技术快速发展，实现“互联网+教育”的必要结果。对不同虚拟仿真实验教学资源加以分类，推进虚拟仿真实验教学资源的共建共享。通过虚拟仿真实验教学项目来源的分析，推动项目的立项建设，提升资源建设水平。实施虚拟仿真实验教学项目的激励措施，既是对知识产权的保护，更是对参与建设各方工作的认可，通过激励机制的研究，推进虚拟仿真与实验教学的深度融合。