虛擬仿真實驗室的建設與實驗教學的改革

張云峰 宋英

摘要：虛擬仿真實驗室是真實實驗室的有效延伸，對實驗教學改革具有十分重要的作用。目前，學校正逐步通過信息技術、網絡技術將全新的教育教學理念變成現實，構建一個個體系完備的虛擬仿真實驗室，這對提高實驗教學效果、培養高素質人才隊伍具有重要影響。本文對虛擬仿真實驗室建設過程中的指導思想及其主要內容進行了有效梳理，并提出實驗教學改革的主要策略。

關鍵詞：虛擬仿真實驗室;試驗教學;改革

隨著虛擬實驗技術的發展，自主性、探究性教學理念逐漸得以推廣，越來越多的人意識到虛擬仿真實驗室在教育中的作用與價值，虛擬仿真實驗室不僅可有效推動教師的科研工作，還可提高試驗教學的效率，并使試驗器具在短時間內得到有效維護。近年來，為滿足科研及教學的需要，越來越多的學校建立了較有針對性的虛擬仿真實驗室，以期推動實驗教學改革，從而拓寬虛擬現實技術的應用范疇。

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》明確規定，學校要積極利用信息技術的優勢，加快建設虛擬仿真實驗室的建設，推動教育信息化與試驗教學改革。教育部也明確提出，高級高校要積極建設實驗室與實訓基地，構筑實踐教學共享平臺，提高實驗教學水平，提升人才培養的質量與層次。另外，《教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）》也指出，高等教育要積極與信息技術尋求融合，將大量的網絡資源整合成可利用的教學資源，并形成虛擬仿真實驗室建設的相關經驗，推動信息化平臺的發展與構建。

一、虛擬仿真實驗室的建設

（一）指導思想

虛擬仿真實驗室是高等教育信息化建設的重要組成部分。在信息化的倡導下，學校的教育教學改革逐漸向信息化推進，而虛擬仿真試驗室的建立與完善就是教育信息化的重要舉措。另外，虛擬仿真實驗室建設也是實驗教學的重要內容。虛擬仿真實驗室為實驗教學注入了新的活力與內容，對啟發式教學的推進具有十分重要的作用與意義，且能實現虛實結合的目的，有利于將真實的運行環境附加于虛擬的網絡中，便于提升實驗教學的效率。

虛擬仿真實驗室的建設要與不斷發展的信息技術相結合，遵循教育教學的普遍規律，并充分考慮學科的發展特點與要求，從而實現資源貢獻、持續發展的教育教學理想。虛擬仿真試驗室要堅持科學規劃的原則，充分考慮師生的主動性與創造性，使之主動參與教育教學，從而推動學校、學科、專業的發展;堅持資源共享的原則，推動構建良性互補的教育教學機制，健全實驗教學資源，讓所有學生都參與使用，形成合理的有償循環模式;堅持重點突出的原則，大力推動實驗教學的支持服務，兼顧運行平臺、教學隊伍及管理機制的完善，提高學生參與實驗教學的主動性與積極性;堅持效益優先、兼顧社會效益的原則，全面提升實驗室資源的使用效率，推動高校實驗教學的創新與改革，提升高校教育教學的質量。

（二）任務與內容

一是了解虛擬仿真實驗室的特征。虛擬仿真實驗室是信息化技術背景下的虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等為一體的虛實環境。一旦構筑了較高仿真度的虛擬實驗環境，學生就可在相對預定的環境中開展各種實驗，并獲得較高的技能與技術。這種實驗室是在教學大綱的前提下建立起來的，對實驗教學具有積極的推動作用。

二是進一步界定虛擬仿真實驗室的功能。虛擬仿真實驗室的出現并不意味著取消實體實驗室，相反，我們要充分利用虛擬仿真實驗室來完成真實實驗室所不具備的教學功能。虛擬仿真實驗室可在高危與極端環境、不可操作、高成本與高消耗、綜合實訓中提供可靠的實驗項目，從而拓寬實驗領域，提高教學能力與學習能力。

三是積極推動構建相對完善的虛擬仿真實驗教學內容。將虛擬仿真實驗教學資源、教學管理與共享平臺、管理隊伍、管理體系等四個方面結合起來，實現軟件共享、儀器共享與遠程控制，實現二次開發與建設;積極引入企業，讓有實力的企業參與開發與服務，將資源開發、管理與更新結合起來，推動實驗教學的發展;積極加強隊伍管理，注重績效考核，實現資源開放、共享。

二、實驗教學的改革

（一）轉變教師角色

虛擬仿真實驗室的建立標志著教師的角色開始發生轉變，學生主體、教師主導的啟發式教學模式基本形成。一方面，虛擬仿真試驗室構筑了相對虛擬的試驗環境，教師要從知識的傳授者轉變成為教學的設計者與輔導者。另一方面，在具體的教育教學過程中，教師還要根據學習任務與內容的不同，幫助學生適當修訂實驗環境，實現“先學后教”“先練后講”，推動構建學生自定步調、教師異步指導的教育教學模式，將學生培養成為自主、能動與創造為一體的社會主體。

（二）完善實驗模式

虛擬仿真實驗室的實驗可設定為三種基本模式，分別是演示模式、練習模式和考試模式，學生可根據需要，將這三種模式進行組合，衍生出滿足不同需求的實驗模式。在演示模式中，學生科了解虛擬實驗的內容和實現步驟;在練習模式中，有正確的連線提示功能，學生可多次進行實驗練習，從而掌握實驗內容及實驗操作;在考試模式中，學生的所有操作都將被作為評分的依據，點擊“提交”按鈕之后，系統將會自動給學生打分，以及記錄操作時間，成績達標的學生可進入實驗室進行真實實驗項目動手實踐，從而起到虛擬實驗與真實實驗項目的有效對接。

（三）推動構建相對完善的實驗教學體系

一方面，重新認識虛擬仿真試驗室的內涵，更新實驗教學理念，利用相對平民化技術推動虛擬仿真實驗室的建設與應用，建立相對完善的虛擬現實系統，解決實驗教學過程中可能碰到的各種問題。另一方面，構建虛擬現實應用開發平臺，健全軟件平臺與硬件平臺，實現高性能圖像生成及處理系統、立體式虛擬三維顯示系統、虛擬現實交互系統、集成應用控制系統的統一，使虛擬仿真實驗教學改革有序進行。

虛擬仿真實驗室與實驗教學相輔相成、相互影響。虛擬仿真實驗室系統的完善有利于推動實驗室教學改革。所以，我們要積極健全虛擬仿真試驗室系統，推動實驗教學改革，培養創新型、應用型專業人才隊伍。

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通訊作者：宋? 英