本科教學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)之思考

李震彪

本科教學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)之思考

李震彪1,2

（1. 華中科技大學(xué) 實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處，湖北 武漢 430074； 2. 華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

近年來，本科教學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的研發(fā)在國內(nèi)高校開展得非常普遍。但是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)該注意什么問題、避免什么弊端、用什么方式進(jìn)行開發(fā)和使用，公開報(bào)道的文獻(xiàn)不多。該文從虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的本義再認(rèn)識出發(fā)，提出了必須注意避免的4個(gè)弊端，提出了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)的合理方式。

虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；實(shí)驗(yàn)開發(fā)

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀

近年來高校本科教學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目申報(bào)與開發(fā)，如火如荼，千校申報(bào)、萬人競爭。關(guān)于虛擬仿真的會議，也是百花齊放、五彩繽紛。從層級上看有校內(nèi)的、省內(nèi)的、全國的，從內(nèi)容上看有如何獲得上級項(xiàng)目批準(zhǔn)進(jìn)行申報(bào)指導(dǎo)的，有虛擬仿真如何應(yīng)用于本科教學(xué)實(shí)踐的等。大江南北、黃河上下，一派駿馬奔騰、齊抓共管的態(tài)勢。

但是，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如何真正地為提高本科教學(xué)質(zhì)量服務(wù)，如何確實(shí)地為人才培養(yǎng)內(nèi)涵發(fā)展做出貢獻(xiàn)，如何在信息時(shí)代為提高辦學(xué)效益做出實(shí)質(zhì)性探索，避免“跟風(fēng)”和“形象工程”，避免為短期效益的“帽子”“排名”所累，避免空心化的“趕時(shí)髦”，避免“爛尾樓”等，有許多問題需要冷靜和理性的思考并加以注意。

在CNKI中國知網(wǎng)學(xué)術(shù)文獻(xiàn)總庫（http://www. cnki.net）中，以2010年1月1日到2019年6月22日為時(shí)間區(qū)間，以文章“篇名”含“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”和“虛擬仿真”進(jìn)行搜索，結(jié)果顯示作者單位為中國頂尖大學(xué)9校聯(lián)盟（C9）的文章分別有19篇和63篇，作者單位含“大學(xué)”（即全國“大學(xué)”）的合計(jì)分別為611篇和1835篇。作者單位含“公司”的分別有10篇和175篇。在9校聯(lián)盟的63篇“篇名”含“虛擬仿真”文章中，復(fù)旦大學(xué)為0篇、華中科技大學(xué)0篇、北京大學(xué)為2篇、南京大學(xué)為5篇，文章較多的是哈爾濱工業(yè)大學(xué)（21篇）和浙江大學(xué)（13篇）[1-10]。

上述文章的數(shù)量與內(nèi)容具有如下特點(diǎn)：一是頂尖大學(xué)（C9）校的虛擬仿真文章數(shù)比例較低，僅占全國大學(xué)的3.1%（19/611）和3.4%（63/1835）；二是文理科大學(xué)虛擬仿真文章比工科大學(xué)更少，如C9的北京大學(xué)、南開大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)，在9校的63篇文章中僅有7篇，占11.1%；三是公司參與的虛擬仿真文章極少，與大學(xué)之比僅為9.5∶100（175∶1835），且含有公司作者的文章多數(shù)第一作者是大學(xué)，即公司作者為主的文章非常少；四是虛擬仿真內(nèi)容上是針對某一門課或某一組相近實(shí)驗(yàn)的較多，多學(xué)科交叉綜合的較少；五是虛擬仿真項(xiàng)目自產(chǎn)自用者多，形成著名品牌并在市場上占有一定份額，被許多所高校廣泛采用的較少；六是虛擬仿真項(xiàng)目重復(fù)建設(shè)現(xiàn)象存在；七是以“虛擬仿真必須作為前提”的為何做、怎樣做、做什么，文章介紹的比較多，而虛擬仿真研發(fā)中需要注意避免的弊端、克服的不足，則討論和敘述較少[1-10]。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)再認(rèn)識

“虛擬仿真”簡單講是指利用計(jì)算機(jī)生成的虛擬系統(tǒng)模仿另一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)，包括視、聽、觸、嗅及三維空間環(huán)境的人的感受逼真性和人的操控與虛擬系統(tǒng)的實(shí)時(shí)交互反應(yīng)逼真性，即虛擬仿真的特點(diǎn)是通過虛擬世界與人的交互，反映真實(shí)世界。

“實(shí)驗(yàn)”是指在可控條件下進(jìn)行的操作，以發(fā)現(xiàn)未知的科學(xué)規(guī)律或現(xiàn)象，或用于驗(yàn)證已知的知識規(guī)律，或測試并建立某種科學(xué)假說。

因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在功能上必須達(dá)到以下要求：

（1）真實(shí)，即虛擬系統(tǒng)所展示的科學(xué)現(xiàn)象與規(guī)律與真實(shí)系統(tǒng)具有一致性；

（2）交互，即人與虛擬系統(tǒng)可以交互，實(shí)驗(yàn)條件可以人為調(diào)整；

（3）顯隱，即隱性部分顯性化，真實(shí)系統(tǒng)中常處于隱性難見的部分，在虛擬系統(tǒng)可以顯性化展示。如物體的溫度場、電場、磁場、力場、流場可以按需實(shí)時(shí)顯示等；

（4）廣用，指信息化產(chǎn)品的特點(diǎn)是易于網(wǎng)絡(luò)化、多用戶化、用戶廣域化，比如“慕課”就可以全球?qū)崟r(shí)網(wǎng)上聽課學(xué)習(xí)，網(wǎng)絡(luò)游戲也可以任何地點(diǎn)上網(wǎng)操作。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)（軟件）應(yīng)注意避免的弊端

3.1 逼真不足

虛擬仿真的重點(diǎn)是“真”，“真”包括2個(gè)方面，一是虛擬系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程及其結(jié)果的展示與真實(shí)系統(tǒng)的過程與結(jié)果高度一致，符合科學(xué)規(guī)律；二是虛擬系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境及實(shí)驗(yàn)者的感受與真實(shí)系統(tǒng)一致，包括視、聽、觸、嗅及三維空間結(jié)構(gòu)及比例等。比如，實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)空間布局、實(shí)驗(yàn)物理環(huán)境（如化學(xué)實(shí)驗(yàn)通風(fēng)櫥的排風(fēng)方向、風(fēng)速、溫度、濕度等），均應(yīng)與實(shí)際實(shí)體境況一致或高度接近。

因此，對于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，在投入使用前必須組織業(yè)內(nèi)專家進(jìn)行“真實(shí)性”鑒定評價(jià)，包括多種變化條件下的實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果是否均嚴(yán)格符合科學(xué)實(shí)際，實(shí)驗(yàn)者的感受是否真實(shí)。科學(xué)實(shí)驗(yàn)“差之毫厘、謬之千里”，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)一旦失去“真實(shí)”，輕則教學(xué)不嚴(yán)謹(jǐn)、教學(xué)質(zhì)量低下，重則傳播假科學(xué)、誤人子弟、貽害大眾和國家科技發(fā)展。

所以，對于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如何“證真”，十分重要，極為關(guān)鍵，不能馬虎。

3.2 交互貧乏

真實(shí)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)由于實(shí)驗(yàn)條件可調(diào)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與環(huán)境可組合變化、實(shí)驗(yàn)難度與內(nèi)容可動、實(shí)驗(yàn)結(jié)果可觀察，因而具有生動趣味。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)既要避免單向播放式、簡單動畫式，也要避免實(shí)驗(yàn)條件簡單、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料貧乏、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單調(diào)等造成的交互性差、呆板枯燥等現(xiàn)象，避免“摸啥摸不著，要啥也沒有”的“虛、空”等情況。如何最大限度地增進(jìn)“交互性”，最大限度地逼近真實(shí)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富性，是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)必須重視的問題，也是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是否具有生命力，是否師生喜歡用的重要方面。

所以，交互性的多與少、難與易、有趣與枯燥，是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)研發(fā)中必須注意的另一問題。

3.3 顯隱缺失

虛擬仿真信息化產(chǎn)品的特點(diǎn)之一是可提供真實(shí)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)之外的“增值服務(wù)”，幾乎可以“想啥有啥”。即與真實(shí)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)“觀宏”（觀察普通真實(shí)實(shí)驗(yàn)觀察不到的宏觀現(xiàn)象）、“探微”（微觀世界）、“克難”（開展真實(shí)系統(tǒng)不允許或極難進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，如極限壓力、核泄漏、核爆炸等）、“顯隱”（人眼看不到或一般儀器不易測量的實(shí)驗(yàn)過程中伴隨的科學(xué)現(xiàn)象，如溫度場、流速場、電磁場等）。總之，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，從理論上講應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)諸多真實(shí)系統(tǒng)難以實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容或觀察的現(xiàn)象，化“隱”為“顯”，化“無”為“有”，提供增值服務(wù)。

所以，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺能夠提供的“顯隱”多與少、粗與細(xì)、深與淺，是衡量該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)水平高低的重要指標(biāo)。

3.4 廣用不足

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（軟件）類似于教材，對于教材是每個(gè)學(xué)校都自己進(jìn)行編著，還是直接購買市場上已有的？教材的編著是宜于個(gè)人開展，還是應(yīng)該教授團(tuán)隊(duì)集體進(jìn)行，或是多所高校聯(lián)合編著？教材編著時(shí)的目標(biāo)僅僅是自家使用、自產(chǎn)自銷，還是希望能夠被一定范圍推廣，能夠被許多高校使用？教材編著是為了大學(xué)排名、學(xué)科排名、職稱晉升，還是為了切實(shí)提高人才培養(yǎng)質(zhì)量？

定位不同、目的不同、方法不同、作者不同，肯定會造成教材水平不同、適用面不同。此外，虛擬仿真項(xiàng)目教材，作為信息化產(chǎn)品，應(yīng)注意信息化產(chǎn)品的特點(diǎn)：只有第一，沒有第二（如搜索引擎，國際上是google，國內(nèi)主要是百度，或者只有少數(shù)幾個(gè)品牌稱雄全世界，如社交平臺，國外主要有twitter、facebook，國內(nèi)主要是微信、QQ）。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的工具與手段，只要能達(dá)到教學(xué)目的，能夠在市場上買到現(xiàn)成的高水平虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，為什么自己還要花費(fèi)巨大的人力財(cái)力與時(shí)間重復(fù)開發(fā)呢？重復(fù)開發(fā)不僅僅造成資源的低水平重復(fù)化和浪費(fèi)，還會造成實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的降低。因?yàn)榉胖茖W(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、深入淺出、內(nèi)容豐富、被許多同行專家好評和使用的名著教材不用，偏偏使用自編的半生不熟的自編講義，這肯定不是最好的選擇。

所以，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的研發(fā)，必須以高質(zhì)量為第一原則，并以被業(yè)內(nèi)同行師生廣泛采用為目標(biāo)（即廣用），無廣用，不成功。

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)研發(fā)的方式

高水平的虛擬仿真，如拍電影、做網(wǎng)絡(luò)游戲等，不是一個(gè)人的戰(zhàn)爭，也不是一個(gè)小團(tuán)隊(duì)的戰(zhàn)爭，而需要教學(xué)（課程）專業(yè)人員、計(jì)算機(jī)軟件專業(yè)人員、工藝美術(shù)專業(yè)人員、產(chǎn)品策劃與管理專業(yè)人員等多方面專業(yè)人員的協(xié)同合作，是一個(gè)多兵種聯(lián)合作戰(zhàn)。

虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)目的，是服務(wù)于本科實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，提高教學(xué)效果和辦學(xué)效益，而教學(xué)本身自有其內(nèi)在規(guī)律，比如：

（1）在知識內(nèi)容上，存在知識點(diǎn)—知識面—專業(yè)知識體系—多學(xué)科知識體系—知識交叉融合—知識更新與創(chuàng)新—知識應(yīng)用與創(chuàng)新等層次與過程；

（2）在教學(xué)過程的人—物—環(huán)境方面，存在“教方—教師”“學(xué)方—學(xué)生”“教學(xué)知識載體”及“技術(shù)環(huán)境”；

（3）在教學(xué)方法上，有學(xué)術(shù)問題導(dǎo)向型、知識點(diǎn)（面）導(dǎo)向型、課題（項(xiàng)目）導(dǎo)向性、技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)向型等。

虛擬仿真項(xiàng)目是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的工具、手段、裝備，是“產(chǎn)品”。作為產(chǎn)品，應(yīng)注意如下特點(diǎn)：

（1）產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，包括適用范圍，品種、規(guī)格，核心功能，技術(shù)參數(shù)、壽命、可靠性等；

（2）兼容性，能方便地適用于各種技術(shù)環(huán)境；

（3）性價(jià)比，在價(jià)格上與同類產(chǎn)品相比較具有一定的競爭優(yōu)勢；

（4）售后服務(wù)，能夠提供良好的售后服務(wù)；

（5）市場占有率，應(yīng)在市場上具有一定的比率；

（6）美譽(yù)度，具有比較好的聲譽(yù)及信譽(yù)。

沒有產(chǎn)品策劃與管理專業(yè)人員團(tuán)隊(duì)的深度介入，虛擬仿真項(xiàng)目很可能一錘子買賣，既難以推廣到其他高校，沒有市場占有率，也難以升級換代持續(xù)發(fā)展，更沒有好的性價(jià)比和好的售后服務(wù)。

所以，虛擬仿真項(xiàng)目的開發(fā)方式，最好是產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化模式。大學(xué)教師團(tuán)隊(duì)出思想和教學(xué)需求，軟件公司編程實(shí)現(xiàn)，雙方商業(yè)化運(yùn)作。形成國內(nèi)一流的、可持續(xù)的、有銷量的商品。這樣的模式解決了大學(xué)教師的動力來源、軟件公司的動力來源，是雙贏。否則，雙方都會當(dāng)作一錘子買賣，應(yīng)付交差，半生不熟、不好用、浪費(fèi)錢。目前市場上比較著名的仿真軟件，均是產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化模式運(yùn)行。如機(jī)械動力學(xué)的adams、ansys，電子的proteus，單片機(jī)的keil，通用的simulink，流體力學(xué)的fluent，虛擬儀器的labview等。

5 結(jié)語

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)固然重要，但必須理性看待，謀定而后動，一定要避免急功近利的低水平重復(fù)，更要杜絕“不真不實(shí)”可能造成的傳播假科學(xué)、誤人子弟、貽害大眾。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件要切實(shí)實(shí)現(xiàn)“真實(shí)”“交互”“顯隱”“廣用”。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件開發(fā)的最好方式是產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的產(chǎn)業(yè)化商業(yè)化模式。

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Thinking on virtual simulation experiments for undergraduate teaching

LI Zhenbiao1,2

(1. Laboratory and Equipment Administration Office, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2. School of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

In recent years, the research and development of virtual simulation experiments for undergraduate teaching has been widely carried out in Chinese colleges and universities. But there are few publicly reported literatures about what problems should be paid attention to, what disadvantages should be avoided and how to develop and use virtual simulation experiments. Starting from the re-understanding of the essence of virtual simulation experiments, this paper puts forward four drawbacks that must be avoided and proposes a reasonable way to develop virtual simulation experiments.

virtual simulation; experimental teaching; development of experiments

G642.0

A

1002-4956(2019)09-0005-03

2019-03-06

李震彪（1963—）男，河北新河，博士，教授、博士生導(dǎo)師，實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處處長，研究方向?yàn)殚_關(guān)電器、電接觸電弧及材料、實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理。

E-mail: 494071200@qq.com

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.002