基于虛擬仿真技術的實驗教學中心建設研究

杜彥敏

摘要：虛擬仿真技術可以有效地模擬現實世界，對于培養學生在專業課實驗中的創新能力有很大的幫助，也可以顯著提升實驗的教學效果。與傳統的實驗室相比較，虛擬仿真實驗室擁有實驗條件優越、實驗成本低和實驗安全性高等特點，因此虛擬仿真實驗室在高校中的建設已經勢在必行。

關鍵詞：虛擬仿真技術；虛擬仿真實驗室建設；實驗教學中心

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）15-0273-02

虛擬仿真技術也可以稱為虛擬的現實技術或者是現實模擬技術，簡單來說就是通過虛擬的系統環境來模仿一個現實存在的系統技術。虛擬仿真技術最典型的特征就是構造一個系統完整統一的虛擬環境，并利用虛擬的環境集成和控制為數眾多的實體。由于虛擬仿真技術具有集成化、虛擬化和網絡化等特點，因此這種技術在很大程度上滿足了當前仿真技術的未來發展要求。

一、虛擬仿真實驗教學概述

虛擬仿真實驗成為在理論研究和實驗研究之后的有一種新型的教學研究方法，它是以電子計算機為依托，通過相關的軟件技術，構建出一個完整的邏輯結構模型，通過軟硬件相互結合的方法，再加上模塊化和層次化的設計思路，調整相關的硬件設備，構成虛擬的教學實驗系統，并通過互聯網技術，實現虛擬教學實驗系統的網絡化，最終實現個人電腦上運行、自主研發和設計以及遠程連接控制的教學實驗方法。

二、虛擬仿真實驗在教學中的意義

虛擬實驗教學中心，是以計算機仿真技術、多媒體技術和網絡技術為基礎，使學生通過人機交互的方式在模擬的實驗設備、場景和軟件中模擬現實情況來進行實驗，將虛擬仿真技術、計算機科學技術以及各個專業的理論專業知識進行多維度的結合[1]。在虛擬仿真實驗室里，學生可以在虛擬環境中模擬真實實驗操作的整個過程，而且整個過程幾乎與現實世界中的實驗室一模一樣，唯一的區別就是把之前用手的操作轉換成了鼠標和鍵盤操作方式。這種實驗教學培養過程不但增加了實驗的教學方法，同時又加強了學生在實驗中的創新性能力的培養和對相關技能的掌握。

1.虛擬仿真實驗的高度還原性。在開展實驗教學前，實驗教師應當先向上課學生講解上課所用虛擬軟件的運行方式和具體的實驗操作步驟。在通常情況下，實驗課程主要通過相關文字、圖表、視頻和實體等方式來幫助學生了解教學過程，而這些均可以在虛擬仿真實驗室中充分展現，在虛擬的實驗環境中學生可以從多個方面來了解一個完整的實驗流程，進而能夠迅速簡潔地完成實驗步驟，學生在一邊聽老師講解的同時，也可以同時進行實驗操作。老師講得輕松，學生學得有興趣，從而達到事半功倍的效果。

2.高安全性和高創新性。在傳統的真實實驗中，尤其是一些不可逆的實驗中，實驗的安全性是實驗課的一個重要環節，學生必須依照實驗步驟進行操作，不可以違反規定，否則極有可能會產生很嚴重的后果。而虛擬仿真實驗可以很好地解決這個問題，無論在虛擬環境中如何操作都不會出現安全性問題。在保障學生安全的情況下可以更好地發揮學生的主觀能動性，學生可以多次任意嘗試實驗操作，加強自己對實驗課程的理解，進而提升學生的創新性，激發學生的潛能，為國家培養出更多的創新性人才。

3.緩解實驗教學環境的不足。現實中的實驗室常常因為實驗器材缺乏或者實驗場地不足等各方面的因素導致學生只能分組輪流進行實驗，進而導致實驗教學緩慢，教學效果差。而虛擬仿真實驗完全解決了這些問題，在虛擬環境下，每一位學生可以在老師的指導下自主嘗試各種實驗，如同在真實環境中一樣，加強對學科知識的掌握。在教學實驗中充分利用虛擬仿真技術的優點，極大程度上完美模擬大型實驗設施和實驗場地的同時，學生也利用人機交互的方法在虛擬環境中進行實驗，通過利用虛擬的實驗器材、實驗場地以及配套的實驗軟件達到一種同現實場景中一樣的實驗目的與實驗操作，從而解決了在客觀世界無法進行實驗的教學缺陷，實現了教學互動、充分利用教學資源以及網絡教育一體化的教學目的[2]。

4.多學科交叉，覆蓋面廣。虛擬仿真實驗教學統一布局、多學科交叉、分層次、有重點，可以滿足對學生基礎理論的認知、專業技術的掌握和實際設計與綜合應用能力的培養的要求。在基礎的理論上課當中，通過虛擬仿真教學技術，有效地提高了實驗授課的便捷性和創新性；在專業學科和教學實踐中，通過虛擬仿真教學技術和配套的專業軟件，也顯示出虛擬仿真的高效性；在綜合創新能力培養方面，通過虛擬仿真教學技術舉辦的各種創新性比賽，也給學生提供了一個提升自我研究能力和培養學生創新能力的競技平臺。在給高校大學生提供學習資源的同時，這些教學資源也可以給研究生進行科研提供很大的幫助，極大地調動他們的主觀能動性，培養其具體問題具體分析的能力以及思考問題的思維模式。最后，利用虛擬仿真實驗教學技術還可以進行聯合辦學和整合高校資源，主要用于學生的培訓、校企合作、培養就業目標，逐步提高教學效果和科研效果[3]。

三、管理類虛擬仿真實驗教學的建設

根據現實的教學計劃，在建立虛擬仿真實驗教學中心時應進行科學的設計與規劃，進一步提高實驗教學的有效性。

1.建設良好的高校網絡。一個好的校園網絡是虛擬仿真實驗室能不能正常運行的關鍵所在，利用校園網絡將虛擬實驗室的各個設備相互連接起來，才能實現實驗數據的采集、分析和遠程控制操作等，因此，虛擬實驗室的建設要以良好的校園網絡為依托。就現代網絡技術的不斷發展，有線網絡已經無法滿足需求，無線網絡全覆蓋已經成為現代高校建設的新趨勢，同時在有條件的情況下還可以建立VPN以實現校外的教師和學生能夠訪問校內。只有在良好的校園網絡環境的前提下，實驗所用的教學資源才能充分利用，從而使得教師、學生和其他科研人員能在隨時隨地進行實驗教學和學術研究工作，充分發揮實驗室設備的效用。

2.改變實驗教學模式，實現虛實結合。虛擬仿真實驗教學中心的建設應虛實結合、相輔相成，形成互補形式。普通的實驗室由于受到實驗條件限制，所以在實驗教學內容上顯得極為單一，學生不需要思考問題，只需按照實驗步驟一步一步地來就好，逐漸失去了自我思考問題的能力和創新性。然而在虛擬的實驗環境中則大不相同，教師可以靈活設計實驗教學內容，學生也可以在實驗要求下，自己思考實驗需求，設計實驗方案，然后再進行分析對比。在整個過程中學生都處于不斷思考的過程中，不僅掌握了學科知識還極大程度地調動了學習的積極性和創新性。在以真實實驗為基礎的前提下，利用虛擬仿真實驗教學平臺可以共享網絡資源和遠程控制虛擬實驗，提高虛擬仿真教學資源利用率。

3.加強教學資源整合。充分利用實驗室的教學資源，是實驗室建設和實驗教學的重中之重，也是創新型人才培養的前提條件。實驗設備和技術必須根據創新人才的培養方案不斷升級，主系統、數據庫以及教學軟件要有良好的可擴展性，并在此基礎上進行實驗資源合并、重新部署實驗室的結構布局和實驗教學流程，最大程度上優化實驗室教學資源。學生能夠在虛擬的實驗環境中進行學科實驗，獲得所要的實驗成果。該實驗教學平臺不僅可以在上課時進行教學，同時當學生下課后，也能夠利用個人電腦、平板手機等智能設備在良好的網絡環境下通過登陸平臺賬號，在課下進行實驗練習，熟練掌握實驗流程和學科知識。

4.建設完善師資團隊。合理的教學團隊年齡層次可以使得實驗教學團隊長久不衰，并使實驗室始終充滿活力和創新能力，高端的實驗教學團隊應該各自發揮其長處，結合高端科學技術，以虛擬仿真實驗教學平臺為基礎，開展出越來越多的精品實驗課程。想要使得學生具有較高的實踐性和創新性，一個高水平的實驗教學團隊是必須的，可以有計劃地對實驗教學團隊進行培訓，并使其定期到各個高校進行交流訪問學習。除此之外，我們應該鼓勵一部分教師的優秀科研成果能夠轉變為精品的實驗課程，特別是創新性的實驗課程。

以虛擬仿真實驗教學中心為基礎的虛擬仿真實驗教學，它不僅是評判一個高校教學信息化和實驗教學示范中心的重要依據，同時也是專業知識和高端科技相互結合的成果。通過建設虛擬仿真實驗教學中心可以有效地提高教學資源利用率，提高學生的求知欲和創新能力。當然在建設過程當中，我們也要逐步分析其中存在的問題，逐步完善建設思路和管理需求。

參考文獻：

[1]田杰，張民.探究網絡虛擬實驗室的構建[J].實驗室研究與探索，2012，31（4）：262-264.

[2]周燕.虛擬仿真技術在大學物理實驗教學中的應用[J].合肥工業大學報，2008，22（5）：106-109

[3]黃劍玲，鄒輝.基于虛擬現實技術的實驗教學系統及其特點[J].中國電化教育，2009，（4）：108-111.