高校組織建設虛擬仿真實驗教學項目的思考
——以河北大學為例

常 亮，劉慧君，孫學軍，張曉瑜，陳雪錚

（河北大學 綜合實驗中心，河北 保定 071002）

進入21 世紀以來，以互聯網、大數據、虛擬現實、人工智能、區塊鏈等為代表的信息技術快速發展，給全球經濟社會發展帶來巨大變化。如何適應新時代的變化，將新的科技手段應用到實驗教學中，不斷提升教學水平，是擺在各高校面前的重要課題，須認真研究。

虛擬仿真實驗教學是在新時代高等教育內涵式發展背景下，實驗教學主動適應新技術變革，提升學生的創新精神和實踐能力，培養卓越拔尖人才的重要舉措，是中國高等教育人才培養推進“智能+教育”的積極探索，也是推動人才培養質量提升的新動力，對高等教育發展具有重要的全局性意義[1]。

1 虛擬仿真教學項目建設現狀

1989 年，美國學者威廉·沃爾夫首次提出虛擬實驗室的概念[2]。經過30 多年的建設，發達國家虛擬實驗室已經普及，各大院校和科研機構先后開展虛擬實驗室的建設，并將其應用到教學科研工作中[3]。我國的虛擬實驗室建設受到教育主管部門的高度重視，截至2016 年，教育部已經遴選建設了100 個國家級虛擬仿真實驗教學中心。2017 年7 月，教育部辦公廳發布《關于2017—2020 年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》（教高廳〔2017〕4 號），計劃在高校實驗教學改革和實驗教學項目信息化建設基礎上，統籌規劃2017—2020 年在60 個學科類別中認定1 000 項左右的示范性虛擬仿真實驗教學項目[4]。其中2017 年計劃認定 100 個項目，最終認定105 項；2018 年計劃認定250 個項目，最終認定296 項；2019 年計劃認定300個項目，最終認定327 項；2020 年計劃認定350 個項目（目前仍在認定過程中）。2017—2020 年度虛擬仿真實驗教學項目建設數量如圖1 所示。

圖1 2017—2020 年度虛擬仿真實驗教學項目認定數量

2 虛擬仿真實驗教學項目的優勢與不足

2.1 虛擬仿真實驗教學項目具有的優勢

（1）使用成本低。在實驗教學過程中，由于受到實驗器材昂貴、實驗場地不足等因素影響，許多重要的實驗課程無法開設。虛擬仿真實驗既不消耗實驗器材,也不受場地等外界條件制約，還可重復操作，實驗過程及結果能夠高度仿真真實實驗，有效降低了器材的損耗率，節約了實驗教學成本。

（2）仿真效果強。虛擬仿真實驗通過綜合運用交互式多媒體、虛擬現實、增強現實等現代技術，可以將微觀變為宏觀，將不可見變為可見，并以生動的形式展現出來。許多高校在實驗教學中遇到的“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”等問題基本能夠得到有效解決[5]。

（3）安全系數高。虛擬仿真實驗教學項目建設的初衷是通過“智能+教育”，重點解決真實實驗項目條件不具備或實際運行困難、涉及高?；驑O端環境、高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓練難展開等問題[6]。充分利用虛擬現實、人機交互和網絡通信等技術，引導學生在高度仿真的虛擬環境中開展實驗，降低了實驗教學中的危險程度，保障了實驗的安全進行。

（4）學習趣味性濃。虛擬仿真實驗具有沉浸感、交互性、想象性和智能性等特征，通過現代科學技術，構建出高度仿真的實驗教學環境，使學生產生置身其中的感覺，能夠有效激發學生學習興趣和學習潛能，提升學生學習的主觀能動性，啟發學生的創新性思維[7]。

2.2 虛擬仿真實驗項目存在的不足

（1）建設投入過大。目前，普遍的虛擬仿真實驗項目建設模式是高校教師出設計思路和腳本，專業制作商提供技術支持。一般情況下，一個虛擬仿真實驗項目的制作費用從幾十萬元到近百萬元；設計較為復雜，仿真度要求高的項目將耗資更多；如果再考慮硬件條件，還需要配備相應的計算機、顯示屏幕、感官設備、動作捕捉設備等，動輒將上百萬元。如此大的投入，不是所有高校都能承受的，一旦項目建設的效果不理想，將會造成巨大的資源浪費。

（2）真實性欠缺。虛擬仿真實驗項目能夠實現虛擬系統實驗過程及其結果的展示與真實系統的實驗過程與結果高度一致，但對于虛擬實驗者的感受，包括視、聽、觸、嗅等方面仍是不足的[8]。虛擬仿真技術需要非常精確的數據支撐它對現實的仿真，它的程序設計相對固化，但是現實生活中有很多的不可預測性，不一定會完全按照設計思路發生，甚至同樣的做法也可能產生不同的結果，對解決這些變量問題，虛擬仿真技術有一定的局限性。

（3）校企溝通困難。由于大部分虛擬仿真實驗項目是以校企合作的模式研發，高校教師具備豐富的實驗設計經驗但缺乏軟件開發經驗，而制作技術人員恰恰相反。理論上雙方合作可以實現優勢互補。但在實際制作過程中，雙方的溝通比較困難，教師很難讓技術人員充分理解自己的設計理念，制作出的軟件效果時常低于教師的預期，需要雙方反復溝通，不斷修改腳本。企業以盈利為目的，要考慮成本和收益問題，反復修改設計和不斷提升制作標準會加大企業的成本壓力，因此，校企雙方在一定程度上存在虛擬仿真實驗項目建設目標的分歧，最終影響產品的實際效果。

3 虛擬仿真實驗教學項目的基本模式

自教育部開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設以來，我校積極組織本校虛擬仿真實驗教學項目的開發與建設，經過6 年多的摸索與實踐，已形成了相對穩定、行之有效的建設模式，截至目前，已建成一個國家級、兩個省級和若干個校級虛擬仿真實驗教學中心。

3.1 強化虛擬仿真項目立項工作，做好項目的建設規劃和儲備

虛擬仿真實驗教學項目的建設理念是：按照新時代高等教育人才培養要求，建設符合一流本科教學的實驗教學條件和人才培養模式，探索信息化背景下培養學生創新創業、探索發現能力的新途徑、新方法。

在該建設理念的指導下，我校自2017 年開始，每年組織一次校級虛擬仿真實驗項目立項，按照教育部的建設規劃，提前布局，超前立項建設。通過立項，篩選并培育優秀項目。截至2019 年底，全校共收到立項申請68 項，最終認定校級虛擬仿真實驗教學項目46 項，重點支持建設項目13 項，其中2018 年度有5個項目被教育部認定為國家虛擬仿真實驗教學項目（見表1），2019 年度有6 個項目被推薦參加評選認定。

表1 2018 年度河北大學被教育部認定為 國家虛擬仿真實驗教學項目一覽表

3.2 堅持項目建設的原則，從源頭截斷低質量項目的流入

虛擬仿真實驗教學項目建設首先要堅持“能實不虛”的原則，即實現真實實驗不具備或難以完成的實驗教學功能，在涉及高危或極端的環境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況時，提供可靠、安全和經濟的實驗項目，充分體現虛實結合、相互補充、能實不虛的原則[9]。其次要堅持“高階性、創新性、挑戰度”，即“兩性一度”標準。高階性是指知識能力素質的有機融合，培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維；創新性是指教學內容反映前沿性和時代性，教學形式體現先進性和互動性，學習結果具有探究性和個性化；挑戰度是指實驗項目要有一定難度，需要學生努力才能完成[10-11]。

“能實不虛”和“兩性一度”也是我校篩選和培育優秀項目的基本依據。在虛擬仿真項目建設的論證過程中，我校拋棄了一批“模擬實驗”項目，這些實驗設計只是把真實實驗的操作過程原原本本地通過仿真技術進行了還原，沒有能夠深入理解虛擬仿真的內涵。我校要求虛擬仿真實驗不能是簡單地點擊按鈕或打開開關，重點是通過試錯、計算等互動手段，觸發學生的思考和探索。我校鼓勵在虛擬仿真項目建設過程中將科研成果及時轉化為實驗教學項目的內容，讓學生早接觸前沿科學內容、早進實驗室、早參與科學研究與探索。

3.3 把牢項目建設的方向，從頂層統籌規劃各學科的實驗教學體系建設

按照教育部一流本科課程建設的要求，將虛擬仿真實驗教學項目納入相關專業培養方案，更重要的是切實將虛擬仿真實驗項目應用到實驗教學當中去，利用虛擬仿真項目的巨大優勢彌補實驗教學的短板。

虛擬仿真實驗項目的建設，需要依托教學大綱、依托教學需求、圍繞課程體系來建設。虛擬仿真實驗教學是現實教學的有力補充和發展，學校要在頂層設計上，做好虛擬仿真項目建設的長遠規劃，將零散項目凝結到實驗教學的主軀干上來，最大限度發揮虛擬仿真項目在實驗教學中的作用。以我校建筑工程學院為例，在建設虛擬仿真項目前，首先認真梳理了土木工程專業有多少門實驗課程是必須要開設的，在此基礎上區分哪些課程是我校目前已經實際開設的，哪些因條件不足而無法開設的，這些無法開設的實驗課程又有哪些可以利用虛擬仿真手段實現的。選好方向后，每年重點建設1～2 個項目，利用4 年的時間打造一套虛擬與現實相結合、線上與線下相結合的高質高效的實驗教學體系。

3.4 切實發揮好服務職能，全力保障項目建設順利進行

虛擬仿真實驗項目的建設需要學校在資金、人員、政策等各方面的支持，項目組提出的各項需求，都是我校實驗管理部門努力的方向。

（1）資金方面。為確保項目建設經費有保障，我校每年專門投入資金200 萬元用于對虛擬仿真實驗項目建設進行立項支持。根據項目的質量和建設進度，我校將建設的虛擬仿真項目分為重點支持項目和一般支持項目兩類，重點支持項目最高可獲得學校20 萬元的資金支持，一般支持項目最高可獲得學校10 萬元的資金支持，對優秀的建設項目，建設過程中還可進一步申請資金支持，以便能夠高質量完成項目建設。

（2）人員方面。校、院兩級積極協調，全力支持項目建設。每個團隊至少有3 類人員：一是實驗教學一線的教師，他們最了解實驗內容，可以做出最好的實驗設計；二是操作實驗的學生，他們是實驗課的最終對象，可以點評實驗項目的實際效果；三是懂技術的專業人員，特別是將制作公司的虛擬仿真技術人員納入建設團隊，他們知道如何實現實驗教師的設想。

（3）政策方面。力求項目制作團隊無后顧之憂。針對教師關注的工作量評定、職稱評審、獲獎評優等問題，學校專門出臺了相應措施，使虛擬仿真項目制作團隊的工作得到最大程度的認可，鼓勵廣大教師參與虛擬仿真實驗項目的建設。

3.5 兼顧“請進來、走出去”，做好橫豎對比，精心打磨優質項目

在虛擬仿真實驗項目的建設過程中，僅僅依靠自身，閉門造車是不行的。我校一方面積極邀請相關專家進校園，指導虛擬仿真實驗項目建設，并一對一地把脈診斷，指出項目建設中存在的問題，并提出修改意見；另一方面積極促成項目組成員走出校門，去了解最新動態，去其他院校考察學習虛擬仿真實驗項目建設情況，通過橫向和縱向對比，發現問題，啟發思路，把我校的虛擬仿真實驗項目建設得更加完善。

3.6 持續關注虛仿項目的實際應用，不斷督促后期的更新完善

教育部明確要求，將虛擬仿真實驗教學項目納入相關專業培養方案和課程體系，制定相關教學效果評價辦法。根據學生和教師的反饋，改進相關教學評價機制[11]。我校高度重視虛擬仿真項目建設完成后的實際應用和持續更新工作，所有項目必須放到實驗教學中接受檢驗，決不能建設結束后就束之高閣，無人問津。學校專門組織力量對學生使用虛擬仿真實驗的情況進行調研，對實際使用過程中發現的仿真效果欠佳、操作步驟繁瑣、個別數據報錯等問題，及時反饋給項目組成員，不斷修改、完善設計方案，切實將虛擬仿真項目打造成精品實驗課程。

4 結語

國家虛擬仿真實驗教學項目是國家級實驗教學示范中心建設的深化與延續，是進一步豐富實驗教學理念，完善實驗教學體系，深化實驗教學內容和方法改革，建設信息化、智能化實驗室的重要舉措，是新時代實驗室建設的必然要求。盡管在目前的開發與建設過程中仍存在各種各樣的困難，但其巨大的發展空間 和廣闊的發展前景依舊讓人期待，在推動實驗教學改 革的進程中必將發揮出重要的作用。