基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

張任平

摘要：針對(duì)工科專業(yè)實(shí)驗(yàn)的一些特點(diǎn)，通過(guò)建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)。分析了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)越性和局限性，指出了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用。闡明了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的相互關(guān)系。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué)；虛擬；仿真；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）11-0273-02

引言：隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)辦公、虛擬現(xiàn)實(shí)、體感設(shè)備以及3D打印等信息技術(shù)的逐步發(fā)展，微軟發(fā)布的新虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)Holograms、索尼Project Morpheus游戲仿真平臺(tái)、寓教于樂(lè)的碎片化知識(shí)教學(xué)資源等新技術(shù)也相繼出現(xiàn)，平板電腦、智能手機(jī)、智能家居和智能穿戴設(shè)備（典型產(chǎn)品Google眼鏡和Apple Watch）等新產(chǎn)品得到廣泛應(yīng)用。這些新媒體、新技術(shù)和新產(chǎn)品的出現(xiàn)使得信息的獲得更加便捷，使得人們對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)理念和方式有了新的理解，更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生需具有自我導(dǎo)向?qū)W習(xí)的能力[1-3]。

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)通過(guò)綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及計(jì)算機(jī)編程等技術(shù)，構(gòu)建與真實(shí)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景等同的操作環(huán)境和測(cè)試對(duì)象，使得學(xué)生在高度自主性和交互性的虛擬環(huán)境中開(kāi)展充滿開(kāi)放性、經(jīng)濟(jì)性和高效性的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而可以達(dá)到實(shí)物實(shí)驗(yàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的效果。尤其是在極端的環(huán)境下或毒性較高的有害環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作以及耗時(shí)耗力的大型或綜合性的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)更為明顯。相比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式、方法、效果、手段和模式等方面均有顛覆性的改變。《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》[4]中提到，“信息技術(shù)對(duì)教育發(fā)展具有革命性影響，必須予以高度重視”，專門(mén)強(qiáng)調(diào)了“加快教育信息化進(jìn)程”這一部分內(nèi)容。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)是高等教育信息化的重要實(shí)現(xiàn)載體之一，充分體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程的改革與創(chuàng)新。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過(guò)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，仿真真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，做實(shí)驗(yàn)的人可以體驗(yàn)到實(shí)物實(shí)驗(yàn)的感覺(jué)，在計(jì)算機(jī)環(huán)境中完成預(yù)定的各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)效果等同于真實(shí)實(shí)驗(yàn)甚至超過(guò)真實(shí)實(shí)物實(shí)驗(yàn)的效果[5-6]。

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有良好的可擴(kuò)充性。各個(gè)學(xué)科新的知識(shí)層出不窮，大部分課程內(nèi)容需要跟上科技發(fā)展的步伐，而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要在實(shí)物試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，碰到新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容需要重新搭建試驗(yàn)臺(tái)，更換實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)成本往往都比較高。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)在線指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)是一個(gè)探索和追求新鮮知識(shí)的過(guò)程，在此過(guò)程中有時(shí)會(huì)碰到自己不會(huì)操作或者無(wú)法解決的問(wèn)題，甚至是一個(gè)簡(jiǎn)單的誤操作而導(dǎo)致整個(gè)實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行下去的窘境。這需要借助于虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)的在線指導(dǎo)功能，可以在線尋求老師和同學(xué)的幫助，指導(dǎo)老師也可以通過(guò)線上直播課程講解實(shí)驗(yàn)的流程和注意事項(xiàng)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一個(gè)運(yùn)行和維護(hù)成本均較低的平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)室建設(shè)投資是學(xué)校教學(xué)投資的重要組成部分，為了兼顧實(shí)驗(yàn)室的成本和學(xué)生的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)虛擬出實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使得實(shí)驗(yàn)效果和現(xiàn)實(shí)中設(shè)備實(shí)驗(yàn)效果一樣，在這樣的平臺(tái)上實(shí)驗(yàn)時(shí)操作錯(cuò)誤只會(huì)有適當(dāng)?shù)奶崾?，而不?huì)損壞設(shè)備造成增加實(shí)驗(yàn)成本。

當(dāng)然，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)也存在一些不足的地方，比如：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)畢竟不是在實(shí)際的實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行操作，所以會(huì)降低學(xué)生對(duì)實(shí)物的感性認(rèn)識(shí)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程涉及的元器件性能及參數(shù)的了解也不如實(shí)物實(shí)驗(yàn)來(lái)得那么深入，在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)誤差分析能力方面也是一個(gè)弱項(xiàng)。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用

打造良好的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，有助提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程中，理論課程教學(xué)與課程涉及實(shí)驗(yàn)的教學(xué)是分開(kāi)進(jìn)行的，上理論課的時(shí)候沒(méi)有實(shí)驗(yàn)演示。借助虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，就可以一邊進(jìn)行課程的講授一邊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。教師在上課的過(guò)程中，碰到可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的理論，借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)輔助理論的教學(xué)，使得學(xué)生更容易理解所學(xué)的知識(shí)。

通過(guò)建立虛擬實(shí)驗(yàn)室，既是完成教學(xué)信息化的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，又能使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)有一個(gè)本質(zhì)的提升，跟上國(guó)際化的發(fā)展步伐，使得學(xué)科的優(yōu)勢(shì)能得到充分發(fā)揮。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以提供開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)環(huán)境，真真正正實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室向?qū)W生長(zhǎng)時(shí)期開(kāi)放。學(xué)生可以不用受到時(shí)間和空間的約束，隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這樣能較好地培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣能起到正面的激發(fā)作用。

面對(duì)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，虛擬實(shí)驗(yàn)室方便搭建規(guī)模宏大的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。有的課程的實(shí)驗(yàn)會(huì)比較復(fù)雜，搭建整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要耗費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間。而在傳統(tǒng)給學(xué)生開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程中，由于學(xué)生人數(shù)一般比較多，給每個(gè)學(xué)生安排的實(shí)驗(yàn)時(shí)間都比較有限，在這有限的時(shí)間內(nèi)要完成大型實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建是一件不可能完成的事情，這帶來(lái)的后果是大型實(shí)驗(yàn)往往開(kāi)展起來(lái)非常困難。如復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，一般學(xué)生進(jìn)行這樣的實(shí)驗(yàn)需要花費(fèi)2～3天的時(shí)間。學(xué)校一般無(wú)法給予學(xué)生這么長(zhǎng)的時(shí)間完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)，迫使取消這樣的實(shí)驗(yàn)或者改為簡(jiǎn)單的對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)。針對(duì)這樣一個(gè)問(wèn)題，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能給出完美的解決方案，為學(xué)生進(jìn)行大型實(shí)驗(yàn)提供條件，只要學(xué)生實(shí)時(shí)保存搭建實(shí)驗(yàn)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)流程，該實(shí)驗(yàn)流程可在其他地方打開(kāi)繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與創(chuàng)新人才培養(yǎng)

給予學(xué)生無(wú)限的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，拓寬學(xué)生的知識(shí)視野。科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步帶來(lái)各個(gè)學(xué)科的飛速發(fā)展，新技術(shù)產(chǎn)品、設(shè)備和器件飛速迭代，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室很難跟上科學(xué)技術(shù)發(fā)展的節(jié)奏，不可能為所有新鮮的東西提供實(shí)驗(yàn)，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在一定程度上可以彌補(bǔ)此缺陷。隨著仿真技術(shù)和軟件的連續(xù)更新發(fā)展，仿真系統(tǒng)可以加入一些新的設(shè)備和元件。因此虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以方便對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行更新迭代，快速適應(yīng)高新技術(shù)的發(fā)展，使得學(xué)生能隨時(shí)追蹤新技術(shù)和新設(shè)備，對(duì)學(xué)生的知識(shí)視野開(kāi)闊起到了非常積極的作用，同時(shí)還節(jié)省了實(shí)驗(yàn)的經(jīng)費(fèi)。

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，培養(yǎng)優(yōu)秀創(chuàng)新人才。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一般較為單一，且一般都為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不需要考慮實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建，只要按照實(shí)驗(yàn)的操作步驟完成實(shí)驗(yàn)，缺乏對(duì)學(xué)生創(chuàng)造力的培養(yǎng)。通過(guò)建立虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以增加學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，使得學(xué)生能夠依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)施方案，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由此可見(jiàn)，通過(guò)建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，不僅可以鍛煉學(xué)生的獨(dú)立工作能力和創(chuàng)造性思維，而且有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對(duì)于培養(yǎng)創(chuàng)新和實(shí)踐能力出眾的人才非常有幫助。

通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)行科學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)探索。實(shí)驗(yàn)在教學(xué)活動(dòng)中的作用不容忽視，理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)相輔相成，實(shí)驗(yàn)可以對(duì)理論進(jìn)行驗(yàn)證和擴(kuò)展應(yīng)用，使得學(xué)生對(duì)抽象的理論有深入的理解，同時(shí)有利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)和創(chuàng)新的學(xué)習(xí)態(tài)度。但是，有的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間和資金成本均較高，而且有時(shí)還有破壞性、毒性和不可再現(xiàn)性等缺點(diǎn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以解決這方面的問(wèn)題。因此，應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)發(fā)散性思維進(jìn)行科學(xué)問(wèn)題的探索。

四、結(jié)語(yǔ)

專業(yè)課的理論教學(xué)存在一些共性的問(wèn)題，有些理論非常抽象，現(xiàn)實(shí)世界很難找到一些實(shí)例來(lái)進(jìn)行演示。專業(yè)課中有一類理論體系非?？b密，知識(shí)點(diǎn)錯(cuò)綜復(fù)雜，學(xué)生一般缺乏對(duì)知識(shí)體系整體架構(gòu)能力，會(huì)產(chǎn)生一種“亂花漸欲迷人眼”的感覺(jué)。還有一類課程的理論教學(xué)的實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)成本非常高，操作起來(lái)較為困難，不具備讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的條件。為解決理論教學(xué)過(guò)程中的這些問(wèn)題，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行拓展，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的無(wú)縫銜接，并且盡可能在課堂上同步進(jìn)行。采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，呈現(xiàn)具有操作性好、真實(shí)感強(qiáng)和直觀精確的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，對(duì)高校進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到至關(guān)重要的作用。

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Research on Innovation Experiment Teaching Reform Based on Virtual Simulation Laboratory

ZHANG Ren-ping

（School of Materials Science and Engineering，Jingdezhen Ceramic Institute，Jingdezhen，Jiangxi 333403，China）

Abstract：In view of some characteristics of experiment and engineering，through the establishment of a virtual laboratory to carry out innovative experimental teaching. The article analyses the advantages and limitations of virtual simulation experiment teaching，points out the role of virtual simulation laboratory in experimental teaching. The virtual simulation of the relationship between teaching and the cultivation of innovative talents.

Key words：experimental teaching；virtual；simulation；teaching reform