建設虛擬仿真實驗教學信息化平臺的探索和思考

周廣迪

摘 要：國家級實驗教學示范中心的建設，極大的推動了我國高等學校實驗教學改革和實驗室的建設，促進了高校優質教學資源的整合和共享。虛擬仿真實驗教學中心建設內容既包括軟硬件基礎條件、教學資源、管理系統和共享平臺，也包括人才隊伍、保障制度和運行機制等。因此，虛擬仿真實驗教學中心已超越單一機構和基礎設施的范疇，而構成了一個協調運行、資源共享、提高效益、持續發展的能力體系。

關鍵詞：實驗教學示范中心；信息化；共享；持續發展

一、教育部對教育信息化建設的要求

2012 年 3 月《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》（下簡稱《意見》）提出了學校要加強高等教育實踐環節教育力度，提高實驗實訓教學水平；加強實驗室、實習實訓基地、實踐教學共享平臺建設，重點建設一批國家級實驗教學示范中心、國家大學生校外實踐教育基地、高職實訓基地；加強實踐教學管理，提高實驗、實習實訓、實踐和畢業設計（論文）質量。《意見》也提出了學校要建設優質教育資源共享體系，加強信息化資源共享平臺建設。同時，教育部印還發了《教育信息化十年發展規劃（2011—2020）》（下簡稱《發展規劃》）。《發展規劃》要求推動信息技術與高等教育深度融合，創新人才培養模式；利用先進網絡和信息技術，整合資源，推進教學實驗平臺信息化建設；建立優質數字教育資源和共建共享環境，遵循相關標準規范，建設優質網絡課程和實驗系統、虛擬實驗室等。由以上教育部印發的兩個文件內容可看出，教育部對高等教育信息化建設的重視，地方院校要緊跟國家教育信息化建設的步伐，加強實踐教育力度。

二、國外虛擬仿真實驗教學平臺建設進展

通過信息化平臺的搭建與互聯可以使學生有更多機會參加高水平的實驗，也滿足了信息技術發展對虛擬仿真實驗教學創新的要求，讓更多的學生隨時隨地的更好享用優質實驗教學資源，實踐能力和創新精神得到提升；也可以使教師的教學理念得到更新，教學能力得到提升，教學水平進一步提高。因此實驗室信息化平臺如何科學合理的搭建就顯得尤為重要。美國的諸多著名大學，在虛擬仿真實驗教學中心信息化平臺建設和管理方面具有完備的專業管理標準和信息化管理體系在這方面值得我們參考。

（1） VLAB是美國俄勒岡大學物理系主辦的物理實驗網站，網站包含天體物理、能量與環境、力學、熱學等方面的幾十種虛擬實驗。

（2） 麻省理工學院的Web Lab遠程實驗室于1998年開發并投入使用。它提供了用于進行微電子學和電路設計課程的實驗教學，它允許學生在自己的計算機上設計并修改電路模型，然后通過一個用Java激活的Web瀏覽器使用在遠程實驗室里的昂貴的測試設備來獲取測試數據，驗證自己的設計，實現了通過手機遠程控制實驗的功能。

三、虛擬仿真實驗教學中心建設的必要性

教育信息化對提升高校教育質量具有重要意義，推動信息技術與高等教育深度融合是一場改革。作為教育信息化的有機組成部分，虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是以全面提高高校學生創新精神和實踐能力為宗旨，以共享優質實驗教學資源為核心，以建設信息化實驗教學資源為重點開展的，實驗教學信息化包括教學資源的信息化、教學管理的信息化和支持服務的信息化。

1、無法滿足新型實驗教學手段的要求

互聯網時代正在打破傳統學校和教師對學習資源的壟斷，教育的途徑和方式正在發生質的變化。未來大學教育中灌輸知識的份量會降低，實際操作和討論的課程將增加。在這種形勢下，虛擬仿真實驗教學作為現代教育技術在信息時代新的表現形式，依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，學生在虛擬環境中開展實驗，完成教學任務，達到教學目標。

2、真實實驗開設困難

真實環境下，受專業方向的影響，一些實驗項目具有一定的危險性和破壞性。搭建這類課程的實驗難度大且成本高。為此，很多學校和專業放棄了此類實驗項目的建設，這不僅影響學生學習和吸收理論知識，也嚴重影響對其專業實踐能力和實用技能的培養。

3、實體實驗平臺建設成本高

傳統實驗室的建設與管理會受到成本預算的制約，從實驗設備的購置與維護到實驗環境的建設與管理，都需要消耗大量的人力物力，不論哪個環節滯后或缺失，都將造成學生理論學習與實踐操作的嚴重脫節。因此，在現代實驗教學中提高實驗教學的投入產出比，控制實驗成本就顯得格外重要。顯然，引入虛擬仿真實驗教學平臺，可以大大減少經費投入，有效控制實驗成本。

4、傳統實驗資源無法共享

實驗資源是指實驗室的儀器設備、軟件平臺、各類教學文檔等。在傳統的實驗室模式下，這些資源都歸屬特定的物理場地、實驗室設備或內部網絡，學生受限于使用時間和場地，資源利用率不高，共享受益面不大。由于專業劃分的差別，不同專業往往依賴于專門用于做此類實驗的實驗室，且不同類型的實驗項目往往依賴不同類型的實驗室，導致有些實驗室利用率非常低，開展過程受時間、地點、人力、物力、財力等限制問題，致使實驗教學無法有效開展，且資源非常有限，實驗教學資源無法開發共享。引入虛擬仿真實驗教學平臺，整合實驗資源，使得學生在校外和校內一樣，隨時隨地訪問自己感興趣的實驗課程和實驗內容，極大地提高了優質實驗資源的利用率，擴大了受益面。

四、虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議

1、 制定實驗教學信息化工作政策法規，構建虛擬仿真實驗教學中心能力體系以教育信息化發展規劃為指導，統籌做好虛擬仿真實驗教學中心建設的整體規劃和頂層設計。

（1） 加強導向性。制定實驗教學信息化工作政策法規，建立虛擬仿真實驗教學中心建設與管理規定；

（2） 注重體系化。虛擬仿真實驗教學中心建設內容既包括軟硬件基礎條件、教學資源、管理系統和共享平臺，也包括人才隊伍、保障制度和運行機制等。因此，虛擬仿真實驗教學中心已超越單一機構和基礎設施的范疇，而構成了一個協調運行、資源共享、提高效益、持續發展的能力體系；

（3）增強規范性。采取研究、改造、二次開發、優選等方式，制定虛擬仿真實驗教學資源開發與應用規范、虛擬仿真實驗技術應用和環境建設要求、虛擬仿真實驗教學平臺建設標準等。同時，建立相應職能機構，完善實驗教學信息化標準研究、測試、檢驗、認證與培訓環節，以更好地規范和加強虛擬仿真實驗技術、設備、平臺、資源、信息等方面的標準化建設。

2、建立和完善資源共享的長效機制，形成和促進優質實驗教學資源共享。

統計數據表明，高校每年實際應用超過600學時的網絡實驗室僅占到27%，而設備的折舊率很高，從而造成了實驗教學資源的極大浪費。由于管理體制和運行機制不完善，優質教學資源的持續性共享受到很大限制，資源不均衡現象依然嚴重鑒于此，虛擬仿真實驗教學中心建設應以建立和完善資源共享的長效機制，形成和促進優質實驗教學資源共享為核心。

（1）要明確以軟件共享、儀器共享、遠程控制虛擬實驗為主的虛擬仿真實驗教學資源開發與應用要求，制定資源審查與評價指標體系，完善使用者網上評價和專家審查相結合的資源評價機制；

（2）要加大政策支持和引導性投入力度，發揮教育部門、高校、科研機構、企業和其他社會力量的多元主體作用，實行一線教師、實驗技術人員、專業隊伍以及企業工程師相結合，共同開發、協同推進虛擬仿真實驗教學資源建設；

（3）要制定有利于提高虛擬仿真實驗教學資源服務能力的激勵措施，促進學校間、地區內網絡實驗課程互選和平臺共用，支持使用者按需購買資源與服務，鼓勵企業和其他社會力量提供個性化的資源服務。

3、建立知識共享環境與開放聯合機制，統一科研協作平臺和技術開發標準虛擬仿真實驗教學中心建設是一項涉及多層面、體謀劃來導向，也需要團隊協作和聯合攻關來保證。首先，需要突破支撐虛擬仿真實驗教學的共性關鍵技術，如虛擬實驗的可視化設計軟件工具與集成環境、高度仿真的虛擬實驗場景與對象構建、虛擬實驗構件的多領域建模與裝配等。其次，需要研發集實物仿真、虛擬實驗、創新設計、智能指導和教學管理于一體，能夠滿足多地區、多學校、多學科專業實驗教學要求，且具有良好自主性、交互性、擴展性、兼容性、安全性的虛擬仿真實驗教學管理系統和開放共享平臺。然而，目前虛擬仿真實驗技術領域的同一課題往往有多個團隊在研究，既造成了方向及內容的重疊，其成果共享還存在著對不同的開發環境、異構的技術平臺加以整合等問題，在一定程度上也影響了虛擬仿真實驗教學資源的使用率。

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（作者單位： 遼寧對外經貿學院，遼寧 大連 116000）