基于数字化的高校虚拟仿真实验教学平台建设与实践

李 琰， 张佳琳， 饶 星， 周玉宇， 李 霆

（暨南大学实验室与设备管理处，广州 510632）

0 引言

随着教育信息化建设的不断深入，各大高校也陆续在实验教学中引入新技术与新手段。其中，构建虚拟仿真实验教学平台就是重要举措，虚拟仿真技术和实验教学的融合发展模式成为落实高等教育数字化战略与新时代实验教学示范中心建设的重要内容。

重庆大学等高校均建设了校级虚拟仿真平台，秉持着开放式教学、数据引领、资源共享的原则，支持学生自主学习、泛在式学习，支持教师开展虚拟仿真教学探索，鼓励不同学科之间加强资源合作共享，在很大程度上助推了高校实验教学改革，对于高质量人才培养起到了重要的作用。随着虚拟仿真实验教学平台的普及，其建设水平、教学应用质量、共享效率成了关注重点，但相关的进一步研究较少。本文从虚仿平台的设计入手，探索了如何构建教学资源丰富、开放共享顺畅、互动评价便捷的虚拟仿真实验教学平台的路径，并展示了在平台运行与管理过程中不断扩大辐射范围、发展面向未来的实验教学体系的成效，有力地促进了高校育人质量的提升。

1 建设背景与现状

1.1 建设背景

随着虚拟现实等移动计算技术的发展，我国的在线教育呈现出了前所未有的蓬勃发展趋势，高校的实验教学理念也有了一定的转变。2013年，教育部正式启动对国家级虚拟仿真实验教学中心的建设［1］，引起了国内高校的积极响应。仅2013 ～2015年间，300 个国家级虚拟仿真实验教学中心获批［2］，有效地提升了现代实验教学效率，为实验教学信息化建设奠定了一定的基础，突破了传统实验教学中的空间限制［3］。

为进一步推进教育现代化以及高质量教育体系建设，教育部确立了教育数字化战略，坚持以问题为导向、以目标为导向、以效果为导向，推进虚拟仿真技术与实验教学的深度融合，落实高等教育的数字化，全面提升高等院校教学质量。教育部2020年认定虚拟仿真实验教学一流课程728 门，其中东部地区高校虚拟仿真实验教学一流课程数量及占比最高，分别为426门及58.65%。我校自2017年以来，大力开展虚拟仿真实验教学项目的建设，共获得9 门国家级虚拟仿真实验教学一流课程的认定，位居广东省第一。

1.2 建设必要性

在此背景下，高校逐渐重视虚拟仿真实验教学平台的开发、建设，依托先进的VR 虚拟现实、分布式存储技术，以宽带网络平台为基础，让学生体验互动性好、浸入感强的实验教学，弥补传统教学的不足。

1.2.1 满足教学需求，克服硬件装备限制

部分高校因实验设备价格昂贵、实验动物缺少或者试剂耗材价格相对较高等原因，无法保证实验教学项目足量开出。虚拟仿真实验教学平台的建设可以充分发挥互联网技术的应用优势，真实地还原出实验的场景与设备，学生能够在仿真的场景中开展实验，模拟真实的实验过程，得到实训机会［4］。既弥补了实验教学仪器的不足，又满足了学生充分实验的需求，达成资源共享与教学互动的目的。

1.2.2 丰富教学内容，突破时空限制

虚拟仿真技术能够对部分危险的场景或是在现实环境中无法实现的实验进行仿真，例如微生物培养试验、有害物质实验等，这些实验项目具备一定危险性，通过虚拟仿真手段，在确保学生安全的同时，丰富了实验教学内容。如医学专业的穿刺、插管等临床技能的实际操作，学生较少机会在患者身上实践操作，而借助虚拟仿真实验教学，通过对场景、对象的高度仿真模拟，学生能够更好地理解并掌握相关知识。

虚仿平台打破传统实验教学在时空上的限制，使学生能够随时随地开展自主实验，在相对较短的时间内呈现出实验室较长时间才能观察到的一些变化。如微生物的培养鉴定、病毒的培养过程等。尤其是对于某些细微、难以被观测到的变化而言，虚拟仿真技术实现多层次、多维度的实验成果展示。

1.2.3 激发求知欲，提高实践创新能力

虚拟仿真实验教学平台为学生提供全天候的实验环境，随时根据自身的需求来开展实验，选择灵活性有所加强，学生从以往被动的按照手册操作实验过渡到更加积极主动的学习模式，求知欲被激发，实验的主动性与积极性有所提高［5］。同时，虚拟仿真实验平台提供更加立体化的教学资源与多样的实验情境，将抽象转化为具象，将复杂问题变得简单。以医学虚拟仿真实验平台的应用，使人的机体结构、机能、病理现象以及整个实验的过程都变得更加逼真生动。通过人机交互，学生对于知识的内化与迁移有所加强，学生的思维能力得到锻炼，这种仿真的实验训练与拓展练习，有助于学生综合能力提升，支持学生在传统技术手段的基础上作出创新。

1.3 现状与问题

随着高校招生规模不断扩大，给有限的实验教学资源带来很大压力，虚拟仿真实验教学课程在全国范围内获得了较为广泛的应用。为了充分发挥线上实验资源的使用效能，各高校开始致力于打造集虚拟仿真教学资源管理与应用于一体的实验平台，使虚实结合的实验教学体系更加流程化、规范化、立体化。中国石油大学、吉林大学、华东理工大学等多个高校已建立虚拟仿真实验教学平台，均实现师生免费开放共享，保障了高校在疫情期间的在线实验教学，实现“停课不停教、停课不停学”［6］。西南大学于2020年4月建设了“虚拟仿真实验管理平台”一期工程，完成了虚拟仿真实验管理及资源统一接口标准制定。但目前该校尚缺乏有效的开放共享机制，导致虚拟仿真实验教学建设存在兼容性差、共享率低等问题［7］。

随着虚拟仿真实验教学在高校的推广与发展，其管理也面临着一定的问题。高校内各学科的虚仿真项目建设进度不同，质量标准各异，学校难以掌握各学院虚拟仿真实验教学的开展情况，数据统计困难，校级管理中存在一定的混乱现象［8］；各学院的虚仿项目仅面向本学院使用，开放度不够、安全性较差，学校其他单位或兄弟高校的教学需求难以得到满足，无法充分发挥共享效益；虚拟仿真实验的教学应用缺乏规范的操作流程，没有建立实验数据分析与评价机制，难以评估教学应用效果，不便于教师开展教学管理［9］。

2 虚拟仿真实验教学平台的设计与建设

2.1 设计思想

为提高实验教学质量、提升数字化应用水平，学校开启了虚拟仿真实验教学平台建设。在全校实现虚拟仿真实验课程及实验中心统一管理，获取实验项目的访问频率、虚拟实验数量、实验项目通过概率、实验的平均用时时长、平台的用户数量、实验项目的热度排行等信息。学院通过平台能够掌握学院内的虚拟仿真实验课程的开设及选课情况，其中包括学生的平台使用频率与时间、各班的实验成绩、虚仿实验项目的热度以及本学院用户的数量等信息，实现了学院内虚拟仿真实验项目的统一管理。在教师管理层面，教师能够更加精准便捷地对虚仿项目状态进行把控，查看所上传项目的各项成绩、实验项目使用情况统计、对实验项目进行智能批阅并能够自动统计实验中的错误，分析了解学生知识掌握的薄弱点。

平台围绕三个核心，设计了校级虚拟仿真实验教学共享平台框架（见图1）。

图1 校级虚拟仿真教学平台管理架构

（1）全链条。实现“中心-课程-资源-教学过程”全链条管理；制定统一的标准和管理模式，跟踪、监测各虚拟仿真实验室的建设进度和运行情况；对中心实施宏观管理。

（2）数字化。教学平台支持微课、动画、视频、PPT、电子文档、虚拟仿真软件等所有数字化教学资源，与实物装备一起构成完整的教学生态，综合运用各种教学资源，支撑虚实一体化智慧教学。

（3）智分析。制定实验项目配套的考核评价体系和考核措施，建立实验考核数据分析及评价模型。可智能统计分析教学相关数据，生成相关统计报告，实现真正的数字化管理。

同时，积极推进校级平台与教育部“实验空间——虚拟仿真实验教学项目共享平台”（https：／ ／www.ilab-x. com／list）的技术对接，实现“校-省-国家”三级联动，改进虚拟仿真实验教学项目的统筹管理、资源共享、推广应用的多维度支撑体系。

2.2 功能实现

基于数字化的虚拟仿真实验教学平台，以学校为中心建立集中管理的统一入口，实现各学院实验项目的分布托管，解决学校层面的实验共享管理问题。实现在线实验管理与运行，具备网站管理、权限管理、实验管理、课程管理、用户管理、成绩管理等功能（见图2）。设置实验项目配套的考核评价体系和考核措施，建立实验考核数据分析及评价模型，监测学生的实验学习效果。

图2 虚拟仿真教学平台功能架构

2.2.1 平台门户网站

门户网站设计符合学生审美需求，布局合理，首页具备轮播图、平台简介等，对外展示平台最新官方信息，如国家级项目展示（综合热度、互动频率和时间等指标）、热点项目推荐（综合热度等指标，对外推荐校级项目），提供专家展示、特色介绍（对学校特色项目或特色教学进行介绍）、专题活动、通知公告、新闻资讯、共享排行、个人中心等模块。

2.2.2 完善虚拟仿真实验中心建设

虚拟仿真实验中心对实验项目的各项数据进行展示，添加详细的实验项目内容说明，帮助学生更加了解该实验建立的背景与目的。主要功能包括关于实验项目的视频简介、实验项目引导视频、对实验项目的详细介绍、团队描述、技术架构、项目评价、项目统计等。虚拟仿真实验中心对于实验项目的描述较为详细，学生或用户通过相关描述展示能够快速判断该项目是否为自己所需要的内容，进而保证实验项目管理所得到的相关数据与分析更加准确。

虚拟仿真实验中心还对外展示了共享排行指标，其中包含的维度指标有人气、共享、互动指标。这些指标反映了该项目的受欢迎程度，对于教师后续的其他虚拟仿真实验项目开发，具有重要的参考意义。而专业知识、虚拟仿真实验和用户体验3 个方面的反馈能够真实评估虚拟仿真实验教学项目的建设质量。

2.2.3 数据的可视化与统计分析

在校级与院级层面，虚拟仿真实验教学平台做到了对实验数据的统计，能够直观展示出虚仿项目的使用情况、项目排名情况、参与项目的通过率以及在线使用人数等信息。对项目相关数据的统计与分析，能够更加直观地反映出实验教学的效果，为决策者提供更多的数据支撑。虚拟仿真实验教学管理平台面向老师开放了实验项目的访问频率、数量以及通过率，学生实际所用的时长、用户参与数、平台实验项目热度等各项实验的使用数据，简化教师的实验项目管理流程，并为教师的教学管理及评价提供参考。

2.2.4 虚拟仿真实验项目全流程建设与追踪

教师在进行项目申报时，可以对项目的申报状态进行查询管理。实现对项目进度的实时关注，设置项目的汇报节点，当项目申报状态有更新时，自动通知教师，对项目的链接及进度进行汇报。教师在项目申报过程中，可对所提交的资料进行管理。实验项目的专家评审过程中，专家可对教师提交的项目进行审核，根据项目的完善程度，决定是否通过该项申请。

对于已上线的实验项目，教师可以查询所有用户的实际实验情况。管理实验项目评论，对用户所发出的评论进行审核。教师可以设置多种类型的课程教学内容。如平台有版本更新，可直接在项目管理处进行更新。此外，项目管理还包含基础信息、资料管理、实验报告、对接配置功能。

2.2.5 虚拟仿真实验课程管理

在课件管理上，对于教学所需要的多种类型内容进行设置，能够支持实验、视频等多种类型的内容结合；对该课程的数据进行实时的统计，查询课程趋势，了解课程各部分内容的学习人数与得分情况；在实验课程的批阅环节，教师可以对学生所提交的作业及测试结果进行在线批阅，查看学生的答题记录情况；实现对学生学习的成绩管理，教师可查看学生在各环节的得分情况，综合学生的具体表现，对分数进行有效的修改；对班级的学生进行管理，将学生添加至指定的班级，同时还能够对教学团队的成员进行管理，添加助教对课程进行协助管理；教师能够管理习题库，拥有在线导入、导出以及添加的权限。

2.3 网络安全建设

虚拟仿真实验教学平台主要由Web应用服务器、数据服务器、交换机、防火墙、堡垒机、操作系统等组成，部署在数据中心机房内，属B／S 模式应用系统，具有系统的基本要素，它的系统边界是网络边界，边界设备是防火墙。网络拓扑图如下（见图3）。平台目前已经通过信息系统安全等级保护第2 级测试。

图3 虚拟仿真实验教学管理平台网络拓扑图

2.4 运行管理体系

为了保障虚拟仿真实验教学平台的持续运行与良性发展，从经费、制度、人员等多个角度为平台提供支持，建立完备的激励机制［10］。高质量的虚拟仿真实验教学平台搭建和后续的运营管理服务都需要足够的经费和人力投入，设立优秀项目评选制度，奖励优秀的管理人员、教学人员。在师资力量建设方面，高校根据各专业的虚拟仿真实验教学资源数量，多渠道挖掘师资队伍，向相关教师提供系统性、针对性地指导［11］，提高教师开展虚拟仿真实验教学的能力，鼓励教师将新的科研成果转化为虚拟仿真实验教学内容，以此形成专业布局合理、教学效果优良、开放共享高效的实验教学运行管理体系［12］。

3 虚拟仿真实验教学平台的建设成效

3.1 建设成果

学校虚拟仿真实验教学平台（网址：https：／ ／xnfz.jnu.edu.cn／）于2022年3月25日正式上线，涵盖临床医学、新闻传播、计算机、生物科学、中医、药学、经济管理等共计29 个专业类别，并根据教学需求持续增加。目前已上线35 门虚拟仿真实验课程供学生免费使用。

截至2022年11月30日，学校虚拟仿真实验教学校级管理平台实验访问人数为383 068 人次（见图4）。本校师生对虚拟仿真实验有极大兴趣，虚拟仿真实验教学平台学生活跃人数为6 867 人，教师活跃人数达150 余人。资源优化、功能集约、开放高效的教学平台，为学生的自主学习、自主实验和创新活动创造了条件，有效补充了实验教学资源，促进了学生学习兴趣和实验操作技能的提升。其中，教辅答疑、实验模拟两个系列是学生使用率较高的教学配套服务，多数学生表示这些实验教学项目的开放使用对他们的实验大有裨益，具有良好的用户体验感。

图4 虚拟仿真教学平台实验数据

3.2 运营实效

3.2.1 提高虚拟仿真实验教学效率

从学校层面来说，管理平台的建设有效盘活校内的虚拟仿真实验项目资源，完善了虚拟仿真实验项目的线上管理与运营，实现对项目动态的实时监控，以此为基础，不断进行改进和优化。从学院层面来说，管理平台的应用有效改善了虚拟仿真资源管理的现状，高效完成集约式管理；从教师层面来说，管理平台提高了教学应用的效率，避免了实验项目的重复开发，节约了时间与精力，并根据学生的学习记录来及时调整教学中出现的问题。从学生层面来说，管理平台对校内虚拟仿真实验教学的资源进行整合，实现了项目共享，丰富了学生的虚仿实验学习内容。虚拟仿真实验能够营造出真实的实验环境，让学生在情境式教学中深入学习和探索［13］。

3.2.2 颠覆传统的教与学理念

虚拟仿真实验教学平台借助交互式的手段，实现实时教学互动，学生在学习活动中的主体地位得到尊重，使学校实验教学更加适应时代背景，颠覆传统的满堂灌式教学方式，激发了学生学习热情［14］。同时，平台给予学生的选择机会较多，实现了差异化教学，学生的自我情感与个性差异得到了保护与发展。虚拟仿真实验教学平台采用了大量的虚拟模型建构技术，很多项目内容能够以生动的形式展现，在音频、视频等技术手段的加持下，为知识吸收、实验操作等提供了高阶趣味性，学生更容易沉浸到学习过程中，帮助学生获得更加真实的学习效果［15］。教师在利用平台资源进行教学的过程中，要多重视对学生实验操作、团队协作、综合创新等方面的技能培训，多维度提升学生的学习能力和创新能力。

3.2.3 形成虚实结合的实验教学范式

基于数字化的虚拟仿真实验教学平台，充分发挥线上学习资源的作用，有助于教学工作打破时空限制，应用线上线下相结合的教学手段，使高校实验教学更加高效便捷、形式多样，形成教学的新思路与新范式。线上资源与线下资源的结合，打破了以往传统的资源获取模式，实现了优质资源共享，教师在课堂教学中融入更多的国际前沿学术发展、最新的专业研究成果与实践经验［16］。

3.3 开放共享

目前虚拟仿真实验教学平台支撑了校内29 个学科的数字实验资源向全校师生的开放共享服务，也为中山大学等少数兄弟高校的定向开放服务。下一步将继续做好平台宣传推广、功能升级、技术支持等配套建设，提升平台的受众覆盖率和服务质量。加强不同校际的资源共享，既促进了教育公平、普及优质教学资源、提升教学质量，还能够营造开放、自由的学术共享氛围。定期加强校际交流，以学科类别划分教师组别，建立高校协同机制，共同商讨学科虚拟仿真实验教学内容，形成辐射性的影响。同时结合校内的虚拟仿真教学资源进行优化，构建跨越式的学科共享平台，提升校内虚拟仿真实验教学资源的高效利用，实现不同专业方向之间的跨越共享。

4 结语

虚拟仿真实验教学在现代教学中起着越来越重要的作用，在校级层面建设基于数字化的实验教学平台，能够满足多种形式的虚拟仿真实验教学，更好地服务于高校的立德树人工作。当前平台建设取得了一定的成效，但在资源共享、数据运用方面存在着较多不足，受到技术、资金、人员等各类因素的限制，更多的高校仅以校内共享为主要模式，今后应逐步扩大共享范围。此外，在虚拟仿真实验教学平台运行期间，有针对性地对平台功能进行升级和改进，以高效的数据分析系统支持教学决策与管理。同时，在高校实施教育数字化战略行动的大背景下，提高软件应用和信息系统的安全性和数字化的内容与质量，进一步整合资源，发挥教学平台的优势，提高人才培养水平。