虛擬仿真實驗教學項目建設探索

賀占魁,黃 濤,2

(1.華中師范大學 實驗室與設備管理處,湖北 武漢 430079；2.華中師范大學 信息管理學院,湖北 武漢 430079)

為提高信息化背景下高等學校實驗教學質量和實踐育人水平,教育部從2017年起開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設工作,推動高校積極探索線上線下教學相結合的個性化、智能化、泛在化實驗教學新模式,形成專業布局合理、教學效果優良、開放共享有效的高等教育信息化實驗教學項目示范新體系。虛擬仿真實驗教學項目是國家級虛擬仿真實驗教學中心的重要建設內容。華中師范大學全面推進信息技術與實驗教學的緊密融合,以“互聯網+實驗室”理念為引導,重點加強虛擬仿真實驗教學項目建設,著力構建智慧、融合、開放的虛擬仿真實驗教學體系[1]。

1 高校虛擬仿真實驗教學項目建設現狀

1.1 高校虛擬仿真實驗教學項目發展歷程

20世紀90年代后期,隨著多媒體、數據庫、網絡以及虛擬現實等技術在教育領域的應用,國內部分高校相繼開展了仿真技術和基于網絡的虛擬實驗及教學應用的研究。

2008年—2010年,教育部組織開展了“虛擬實驗教學環境關鍵技術研究與應用示范”課題研究。2013年,教育部印發了《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》。在虛擬仿真實驗教學中心遴選指標體系中,虛擬仿真實驗教學資源作為一級指標占了60%的權重,是虛擬仿真實驗教學中心建設的核心內容。高校在虛擬仿真實驗教學中心建設中強調虛擬仿真實驗教學項目建設,構建了區域開放共享機制和政策環境。

例如江蘇省教育廳在2016年開展了省級實驗教學示范中心(共享平臺)和省級在線開放虛擬仿真實驗教學項目建設工作,按專業門類建設共享平臺和虛擬仿真項目,實現實驗教學資源管理與信息支撐服務的科學化與系統化,滿足多專業、多學校和多地區共同開展虛擬仿真實驗教學的需要。很多高校采用引進、購置資源和校企合作開發相結合的建設方式,逐步建成了各具特色的虛擬仿真實驗教學體系和實驗教學項目庫[2]。

1.2 虛擬仿真實驗教學項目建設中的問題和困難

國家級虛擬仿真實驗教學中心建設4年來,優質虛擬仿真實驗教學項目的建設在快速發展,但也面臨著一些亟待解決和深入探索的問題。

(1) 原創性不夠。在國家級虛擬仿真實驗教學中心,虛擬仿真實驗教學項目的數量快速增長,但很多項目來源于市場購買,而學校自行研發的、具有自主知識產權的虛擬仿真實驗教學項目相對較少。

(2) 有些項目質量不高。在虛擬仿真實驗教學中心的建設中,力求虛擬仿真實驗教學體系的完整,但不可避免地導致部分資源的重復建設,其中也不乏質量不高、應用低效的項目。

(3) 缺乏標準。虛擬仿真實驗教學項目建設尚無統一的技術標準和規范,因而資源的兼容性不強,二次開發難度較大,管理平臺的系統架構、數據庫支持、功能模塊、運轉流程等各不相同,相互對接存在障礙。

(4) 開放共享不足。由于共享機制不健全、管理平臺對接存在障礙、知識產權歸屬不明晰等原因,相當一部分虛擬仿真實驗教學項目的共享范圍僅限于校內,未形成暢通的共享渠道[3-5]。

2 以“VIRTUAL”模式推進虛擬仿真實驗教學項目建設

華中師范大學是教育部信息化試點高校,擁有教育大數據應用技術國家工程實驗室和國家數字化學習工程技術研究中心。學校堅持國際化和信息化發展戰略,從2012年開始全面推行信息化與教育教學深度融合,取得了較好的成效。在推進虛擬仿真實驗教學改革、建設虛擬仿真實驗教學項目的過程中,不斷創新思維、積極探索、總結經驗,以有效選題、自主研發、運行平臺、技術支撐、開放應用、評估體系和政策引導為核心要素,構建了頗具成效的虛擬仿真實驗教學項目建設模式[6]。

2.1 以學生為中心,注重選題的合理性和有效性

學校全面推行“以學生為中心,以學為主、問題導向、任務驅動”的研究型教學方式,在虛擬仿真實驗教學項目建設的立項和選題上堅持4項原則:

(1) 以學生為本,從人才培養的需求出發,調動學生的學習積極性和主動性,增強學生創新創造意識,注重知識傳授、能力培養、素質提高的協同實施；

(2) 具有良好的可行性,要求設計方案科學、知識體系完整、技術方案先進、開發流程可控、運行環境兼容；

(3) 具有充分的必要性,圍繞學科前沿或者社會急需,重點支持涉及高危或極端環境、不可及或不可逆的操作,高成本、高消耗、大型或綜合訓練等實驗內容；

(4) 強調虛實結合,將虛擬仿真實驗項目與真實實驗課程有機融合,在教學計劃、教學安排、實驗設備與場地、實驗教學師資等方面構建完整的虛實結合的實驗教學體系[7]。

2.2 依托優勢學科,自主研發虛擬仿真教學資源

依托國家數字化學習工程技術研究中心,積極進行虛擬仿真實驗教學資源的自主研發。各級實驗教學中心結合學科優勢和專業特點,積極推進虛擬仿真實驗教學改革,在注重基礎性實驗項目虛擬化建設的同時,把高水平的科研成果轉化為實驗教學內容,將成熟的科研技術和方法引入實驗教學過程,提高了虛擬仿真實驗教學資源的水平。

華中師范大學是教育部直屬的重點師范大學,在虛擬仿真實驗教學資源建設上突出教師教育優勢和特色。

例如“基于Z-Space的地理教育虛擬仿真實驗教學項目”應用本校國家數字化學習工程技術研究中心最前沿的虛擬現實技術研究成果,開發了一系列基于Z-Space的地理師范專業虛擬仿真實驗教學項目。地理師范專業的學生利用該實驗教學項目開展信息化環境下的教學技能訓練,使教學能力和信息素養同步提升。

又例如心理與行為國家級虛擬仿真實驗教學中心依托青少年網絡心理與行為教育部重點實驗室、湖北省人的發展與心理健康重點實驗室等科研平臺的研究成果,將虛擬社會心理與行為系統和基于傳統實驗之上的行為觀察系統的實驗數據采集模塊結合起來。通過虛擬現實技術,利用虛擬社會心理與行為系統向被試呈現虛擬化的社會心理學場景,探討人在虛擬社會情境中的心理和行為反應；利用業已成熟的行為觀察記錄分析系統,記錄和分析處于實驗室或現實場景中的各種人機交互活動,從而建立一系列獨具特色的虛擬社會心理實驗教學項目[8]。

2.3 以穩定安全為基礎,搭建運行管理平臺

學校利用信息化建設專項資金,建立了校級虛擬仿真實驗教學管理平臺,滿足校內各學院及實驗教學中心建設、發布、管理和使用虛擬仿真實驗教學項目的需求,實現多學科、多類型虛擬仿真實驗教學項目的集中管理和數據共享,支持課程和相應實驗的擴展。

管理平臺托管于學校中心機房,分別通過千兆光纖接入CERNET、電信和聯通網絡,保證了平臺的穩定運行。平臺具有良好的應急響應機制,在病毒查殺、惡意攻擊防控、信息過濾、入侵檢測等方面達到較高的技術和管理水平。在數據安全方面,平臺采用網絡傳輸加密、信息過濾和機密數據保護等3道安全屏障,關鍵數據采用MD5加密,關鍵組件采用獨有混淆加密技術,確保數據庫連接字符串、密碼、許可驗證、Web Service接口等關鍵參數在傳輸前后均為加密格式。通過內部源代碼審查制度,對階段性變更或重要版本發布的代碼進行審查,有效防止私設后門。

平臺提供了完善的虛擬仿真實驗教學輔助功能,包括實驗預習與準備、開課管理、實驗庫維護、教學安排、實驗過程智能監控和在線指導、結果評價、成績統計查詢、教學效果統計分析等實驗教學全過程管理,并為校際虛擬仿真實驗教學項目的開放共享、對比評價和學分互認等工作奠定基礎。

為適應不同使用場景和使用終端,管理平臺具有良好的兼容性,可以在安裝有Windows、MacOS、Android、IOS等操作系統的PC機、平板電腦或手機上運行。學生在移動互聯網環境下,可以在任意時間、任意地點進行虛擬實驗操作。

2.4 以校企合作為手段,強化技術支撐

虛擬仿真實驗教學項目的研發高度依賴先進技術的支撐,必須綜合應用富媒體、三維建模、人機交互、虛擬現實、增強現實等技術手段。我校積極開展校企合作,充分發揮學校的學術優勢和企業的技術優勢,聯合優秀企業共建、共享虛擬仿真實驗教學項目。

各實驗教學中心結合學科特點,對虛擬仿真實驗教學資源布局進行策劃,對虛擬仿真實驗項目的內容、要求及科學性進行把關,負責腳本的撰寫,并提供專業培訓和學術指導。參與的企業利用信息技術手段,提供技術開發、圖像采集、軟硬件設備支持、平臺運營維護、開放共享以及后續產品的開發及技術支持等工作。

虛擬仿真實驗教學項目完成后,企業具有產品的經營權,學校享有著作權和免費使用、持續升級的便利。例如生物學國家級虛擬仿真實驗教學中心依托企業在虛擬現實和三維建模方面的技術優勢,結合多年開展野外實習的教學成果,重現了神農架在不同季節、不同路線的野外環境和動植物實景。同時,學校以教育部信息化試點高校建設為契機,充分利用自身技術力量,依托國家數字化學習工程技術研究中心組建了虛擬仿真技術研究團隊,結合師范生技能培養的要求,重點對增強現實、三維建模、動作捕捉、體感交互等技術進行研究,開發了化學、生物、地理等專業的教師教育系列虛擬仿真實驗教學項目[9-10]。

針對當前虛擬仿真實驗教學項目和管理平臺的建設缺乏技術標準的情況,學校組織力量研究制訂了《虛擬實驗:框架標準》(國內標準)和《Virtual Experiment Framework》(國際標準),定義了虛擬仿真實驗項目開發、評價、管理和測試體系的結構框架,描述了虛擬實驗系統的設計及其構件,并且確定不同標準、不同規范間的相互關系,使多種標準與規范能有機結合。制訂了《虛擬實驗:數據交換標準》,定義了適用于不同系統間數據交換的標準化信息結構,重點解決虛擬仿真實驗平臺上各個功能模塊之間的數據交換格式的規范化描述問題,從虛擬實驗教學平臺開發和資源整合所涉及的互操作接口入手,研究制訂應用于虛擬實驗教學環境下的數據交換規范[11-12]。

2.5 以提高效益為目標,推進優質資源開放應用

為提升虛擬仿真實驗教學項目建設成效,學校采取多種措施推進優質虛擬仿真實驗教學項目的應用和開放共享。學校明確要求省級及以上實驗教學中心的骨干教師根據所承擔實驗課程的專業特色,安排若干學時開展虛擬仿真實驗教學；要求在虛擬仿真實驗教學項目管理信息系統中開設個人教學空間和學生自主學習的環境,實現虛擬仿真實驗教學的“一體化”云端集成式管理。

對于學校教研立項的虛擬仿真實驗教學項目,由所在實驗教學中心參與項目驗收,驗收合格的項目必須納入中心的實驗教學應用當中,并由實驗室管理部門復核。為此,學校購入大量先進設備,如三維投影儀、動作捕捉設備、虛擬現實眼鏡、頭盔等,學生既可以在虛擬仿真實驗教學中心暢游虛擬世界,也可以在全覆蓋的無線校園網環境下,對部分在線資源可以隨時、隨地進行移動學習和自主實驗。

根據國家級和省級虛擬仿真實驗教學中心的建設要求,各實驗教學中心建設的虛擬仿真實驗教學項目不但面向校內相關專業學生,也積極對外開放共享,推廣應用具有自主創新特色的虛擬仿真實驗教學成果。我校以湖北教師教育網絡聯盟、武漢地區七校聯合辦學為抓手,通過平臺對接與資源互通,探索區域免費開放共享機制。目前已遴選一批虛擬仿真實驗教學項目面向公眾免費開放,包括國培計劃教師培訓、其他在職中學教師的繼續教育培訓以及我校教師教育創新實驗區各中小學教師培訓等,取得了良好的示范輻射效應。

2.6 以質量提升為核心,加強評估體系建設

質量是虛擬仿真實驗教學項目建設的生命線,是提升人才培養水平的核心要素。為了嚴格虛擬仿真實驗教學項目準入,同時促進項目的持續改進、完善與更新,我校初步建立了用于遴選和評審優質虛擬仿真實驗教學項目的指標體系。該指標體系覆蓋了虛擬仿真實驗教學項目建設的完整過程,主要包括6方面內容。

(1) 建設的必要性和創新性。評估虛擬仿真實驗教學項目是否符合實驗教學和人才培養需要,是否充分體現“虛實結合、能實不虛、相互促進”,是否圍繞學科前沿或者社會亟需。

(2) 完善的教學內容。考查教學內容的系統性、適用性以及是否符合教學大綱和課程標準。教學內容與實驗目標要有良好的匹配,知識體系結構合理、邏輯結構有序、難點重點清晰、內容擴展性好。

(3) 科學的教學設計。要求虛擬仿真實驗教學項目界面布局合理、導航清晰簡捷,虛擬實驗場景和對象逼真；流程完整、系統性強、符合認知邏輯；人機交互友好、交互類型豐富多樣,具備良好的教學過程和教學結果評價。

(4) 先進的信息技術。根據教學需要綜合運用多種先進的信息技術,符合相關技術規范和標準,兼容各種運行平臺和主流瀏覽器。

(5) 良好的應用效果。擁有自主知識產權,面向校內外開放共享,有較好應用和推廣價值。

(6) 鮮明的特色。在某一方面有實質性創新,充分體現學科優勢和特色。

2.7 以有力保障為目標,加強制度建設與政策引導

學校采取一系列措施,推進虛擬仿真實驗教學改革和虛擬仿真實驗教學項目建設的規范化和可持續發展。

學校每年從教育部中央高校改善基本辦學條件經費、校內實驗室建設經費中安排專項資金用于虛擬仿真實驗教學中心建設,為虛擬仿真實驗教學項目的開發提供穩定的資金保障。設立了科研成果轉化實驗教學內容類項目,每年支持虛擬仿真實驗教學研究項目10余項,有力地提升了虛擬仿真實驗教學項目的自主研發能力。

通過引進、培養和合作,建設了一支由專業實驗教師、信息技術專家、實驗技術與管理人員共同組成的高水平虛擬仿真實驗教學隊伍,為虛擬仿真實驗項目建設可持續發展提供了人才支撐。

建立了“共建、共享、共管”的雙贏、可持續校企合作模式,促進了虛擬仿真實驗的良性發展；制定和完善了人事管理、經費使用、教學效果考核評價、開放共享等一系列管理制度,較好地調動了教師開展虛擬實驗教學的積極性,為虛擬仿真實驗教學持續發展提供制度和政策保障[13]。

3 建設成效

為深化實驗教學改革,提高學生創新精神和實踐能力,華中師范大學以“VIRTUAL”模式大力推進虛擬仿真實驗教學中心建設和實驗項目建設,取得了顯著成效。近3年來,學校不斷加大對虛擬仿真實驗室建設投入,開發虛擬仿真實驗教學資源,虛擬仿真實驗儀器設備總值已達到1 000余萬元；各實驗教學中心目前在用的虛擬仿真實驗教學項目近500項,其中半數以上具有自主知識產權或共有知識產權,其中“棉花轉基因技術虛擬實驗”等項目獲高校虛擬仿真實驗教學資源建設成果獎。

建設的教師教育系列特色虛擬仿真實驗教學項目已推廣應用于全國教師教育網絡聯盟和湖北省教師教育網絡聯盟的高校。在此基礎上,學校成功申報了心理與行為國家級虛擬仿真實驗教學中心、生物學國家級虛擬仿真實驗教學中心、電子商務省級虛擬仿真實驗教學中心等,培育了化學、文科綜合、地理科學、物理、電工電子等一批校級虛擬仿真實驗教學中心。

學生通過虛實結合的實驗教學,更加系統、全面地掌握了實驗技能,拓寬了學科視野,綜合實踐能力、信息化素養和創新能力得到提高。依托大學生創新創業基金項目、本科人才培養“博雅計劃”等,部分學生自主申報虛擬仿真實驗相關的研究課題和實驗項目。例如在心理與行為國家級虛擬仿真實驗教學中心,學生的“空間導航知覺中地標線索與邊界線索的優勢效應研究”項目獲得大學生創新創業訓練計劃A類項目的優秀結項。

4 結語

虛擬仿真實驗教學項目建設是國家級虛擬仿真實驗教學中心建設的重要任務,也是高校推進虛擬仿真實驗教學改革、優化實驗教學資源結構、提升實驗教學資源使用效益的必然要求。虛擬仿真實驗教學項目與精品資源共享課、精品視頻公開課相互支持和補充,已

成為信息化背景下實驗教學的剛性需求。隨著高等學校實驗教學改革的不斷深入以及實驗教學模式的變革,華中師范大學通過系統化的虛擬仿真實驗教學項目建設,持續提升虛擬仿真實驗教學水平,推進實驗教學信息化更好更快地發展,也為推動高等教育教學改革和創新人才培養做出有益的探索。

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