新工科背景下虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)探析

鄧英霞 胡百林

摘 要：新經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展迫切需要新型工科人才支撐，新型工科人才培養(yǎng)離不開實(shí)踐教育教學(xué)環(huán)節(jié)的改革和創(chuàng)新，實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直是工程人才培養(yǎng)中極為重要的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到工程人才的培養(yǎng)質(zhì)量和實(shí)踐能力。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有力補(bǔ)充，是實(shí)踐教學(xué)的改革和創(chuàng)新，能夠極大提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平。

關(guān)鍵詞：新工科;虛擬仿真實(shí)驗(yàn);教育信息化

1.研究背景

以互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、新能源、新材料等為標(biāo)志的新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命正驅(qū)動著新經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，新經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展迫切需要新型人才支撐，而新型工程人才是推動新技術(shù)革命的最重要的技術(shù)力量。當(dāng)前，我國工程教育在新型工程人才培養(yǎng)方面存在理念不適應(yīng)、人才結(jié)構(gòu)不適應(yīng)、分類發(fā)展體系不適應(yīng)與培養(yǎng)模式不適應(yīng)等諸多問題[1]，因此，需要進(jìn)行全面深刻的改革和創(chuàng)新。在此背景下，教育部高教司于2017年積極推進(jìn)“新工科”建設(shè)，相繼形成了“復(fù)旦共識”[2]、“天大行動”[3]、“北京指南”[4]等指導(dǎo)性文件，指引工程教育以新經(jīng)濟(jì)新產(chǎn)業(yè)為背景，樹立創(chuàng)新型、綜合化、全周期工程教育“新理念”，構(gòu)建新興工科和傳統(tǒng)工科相結(jié)合的學(xué)科專業(yè)“新結(jié)構(gòu)”，建立完善中國特色工程教育“新體系”，探索實(shí)施工程教育人才培養(yǎng)“新模式”，全面推進(jìn)工程教育改革和創(chuàng)新。

新工科是基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的我國工程教育改革方向。新工科建設(shè)要求高校以工程教育新理念、新結(jié)構(gòu)、新體系、新模式構(gòu)建新工科專業(yè)或改造現(xiàn)有專業(yè)，培養(yǎng)新經(jīng)濟(jì)和新產(chǎn)業(yè)所需的新型工程技術(shù)人才。

實(shí)踐教育教學(xué)體系與實(shí)踐平臺是新工科人才培養(yǎng)新質(zhì)量的重要保障，應(yīng)圍繞工科學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的目標(biāo)，著力構(gòu)建面向新工科的工程實(shí)踐教育體系與實(shí)踐平臺，積極推進(jìn)虛擬仿真等信息技術(shù)在工程實(shí)踐教學(xué)中的深度應(yīng)用。

2.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)有關(guān)概念

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是現(xiàn)代信息技術(shù)與高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，是教育信息化的重要內(nèi)容，指的是綜合應(yīng)用多媒體、大數(shù)據(jù)、人工智能、人機(jī)交互、虛擬現(xiàn)實(shí)、網(wǎng)絡(luò)通訊等現(xiàn)代信息技術(shù)，通過構(gòu)建逼真的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展高效、安全且經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果。[5]

教育信息化，是指信息與信息技術(shù)在教育、教學(xué)領(lǐng)域和教育、教學(xué)部門的普遍應(yīng)用和推廣[6]。教育信息化一般至少包含四個子系統(tǒng)：硬件基礎(chǔ)設(shè)施;軟件平臺;各級各類教育教學(xué)資源;教師培訓(xùn)。其中，又以教師培訓(xùn)子系統(tǒng)最為重要，因?yàn)樵撟酉到y(tǒng)是由經(jīng)過培訓(xùn)的教師利用這些信息化教學(xué)環(huán)境實(shí)現(xiàn)教育信息化的最終目標(biāo)。

3.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢

實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要目標(biāo)是探索科學(xué)奧秘、培養(yǎng)科學(xué)興趣、形成團(tuán)隊(duì)合作精神、促進(jìn)概念理解。經(jīng)驗(yàn)研究表明傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對于幫助學(xué)生對基本原理和概念的理解沒有區(qū)別，因而，在獲取概念性知識方面，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。

相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

首先，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)最重要的不同是便于調(diào)節(jié)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者可以根據(jù)需要突出重要信息去除干擾因素，或者調(diào)節(jié)模型參數(shù)以突出實(shí)驗(yàn)對象的某一性能，便于學(xué)生發(fā)現(xiàn)、理解特定的科學(xué)現(xiàn)象。

其次，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)效率更高，因?yàn)橥ǔＲ蟾俚脑O(shè)計(jì)步驟并且能夠即時展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如此一來，學(xué)生便能在同樣的時間內(nèi)做更多的實(shí)驗(yàn)。相比之下，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)則需要真實(shí)的延時，在進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)前需要花費(fèi)更多時間準(zhǔn)備。

再次，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生只專注于實(shí)驗(yàn)本身，而不用過多考慮測量誤差。

最后，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以模擬高危和極端環(huán)境實(shí)驗(yàn)，或以極低費(fèi)用模擬高成本高消耗的大型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生可以安全、經(jīng)濟(jì)、高效地開展實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而達(dá)到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不具備或難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果。

4.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)當(dāng)融入傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，而不能一味采取虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。心理學(xué)研究表明，真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)帶來的觸覺體驗(yàn)對學(xué)生的影響是巨大的，觸覺信息能夠幫助學(xué)生切身感知所學(xué)概念，身臨其境解決所遇到的問題。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)大多數(shù)只能提供視覺信息，演示的意味更濃厚一些。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫膸椭鷮W(xué)生培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)技能、故障處理、仔細(xì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟的能力。因此，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中理應(yīng)遵循虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛的原則。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，在線學(xué)習(xí)已經(jīng)成為一種重要的學(xué)習(xí)方式，基于信息技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)理應(yīng)順應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)時代的發(fā)展，開展更廣更深層次的在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，開放實(shí)驗(yàn)獲取途徑，建立開放式的實(shí)驗(yàn)資源平臺，迎接教育教學(xué)領(lǐng)域的革命性變革。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一個系統(tǒng)工程，不僅僅是一個簡單的教學(xué)過程，還包括以下四個方面[7]：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理和共享平臺、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍。因此，這是一項(xiàng)面臨諸多挑戰(zhàn)的工作。

5.結(jié)論

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)一樣，能夠完成培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力的教學(xué)目標(biāo)，能夠幫助學(xué)生理解科學(xué)知識、建立科學(xué)概念。起源于計(jì)算機(jī)技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有力補(bǔ)充：能讓學(xué)生觀察到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)看不到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，建立可觀和不可觀現(xiàn)象的聯(lián)系，突出教學(xué)重點(diǎn);對于那些涉及高危或極端環(huán)境、不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的大型或綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有明顯的優(yōu)勢。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平也越來越高，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在某些方面甚至已經(jīng)超過傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]鐘登華.新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：7-12.

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[4]教育部高教司.新工科建設(shè)形成“北京指南”[J].教育發(fā)展研究，2017，37（Z1）：82.

[5]王衛(wèi)國.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)思考與建議[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（12）：5-8.

[6]何克抗.我國教育信息化理論研究新進(jìn)展[J].中國電化教育，2011（1）：1-19.

[7]李平，毛昌杰，徐進(jìn).開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化水平[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（11）：5-8.

課題項(xiàng)目：本論文為校級教改項(xiàng)目“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)研究”項(xiàng)目編號：2015xh20的階段性成果。