“新工科”背景下關(guān)于虛擬仿真實驗的幾點思考和建議

張 寧，趙毅強，蘭馗博，侯曉鑫

（1. 天津大學 微電子學院，天津 300072；2. 天津科技大學 電子信息與自動化學院，天津 300072）

“新工科”需要產(chǎn)教融合，需要教育轉(zhuǎn)型，需要從經(jīng)驗分享走向?qū)嵅賹嵱?，從形式主義走向注重實效，從知識考試走向能力養(yǎng)成，從單一能力走向系統(tǒng)集成能力[1]。這是對學生的實踐創(chuàng)新能力、解決復雜工程問題能力提出的前所未有的高要求。但目前高校在培養(yǎng)學生能力的實踐教學過程中出現(xiàn)許多棘手問題，一些高危、高消耗、長周期的實驗不能重復做、隨時隨地做；傳統(tǒng)實驗室平臺和教學儀器以操作、演示為主，拓展性弱，難以開展創(chuàng)新性實驗；實踐教學與科技前沿、工程實際相差較遠，難以跟上“新工科”建設與教學改革的步伐。

隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實等信息技術(shù)蓬勃發(fā)展，虛擬仿真實驗應運而生[2]。通過虛擬仿真對實體實驗進行模擬，展現(xiàn)不可視的結(jié)構(gòu)或原理，完成各類預設的實驗，能夠以虛補實、以虛驗實、以虛展實、以虛代實，從而快速響應實驗教學的需求，拉近實驗教學與工程實踐、科技前沿的距離，促進學生自主學習、探究式學習、無紙化學習，解決目前實驗做不到、做不好的問題[3]。

虛擬仿真是一種新的教育生產(chǎn)力，虛擬仿真項目是教育部在“十三五”期間在實驗教學領域的建設重點[4]。在虛擬仿真快速發(fā)揮效用的同時，也面臨一些亟待解決和深入探索的問題。本文對目前我國虛擬仿真教學現(xiàn)狀和存在問題進行總結(jié)，并從基層教師角度對虛擬仿真實驗的建設和應用提出幾點思考和建議。

1 虛擬仿真實驗建設現(xiàn)狀

1.1 虛擬仿真實驗發(fā)展歷程

國內(nèi)部分高校從20 世紀90 年代后期相繼開展仿真技術(shù)和基于網(wǎng)絡的虛擬實驗及教學應用研究[5]，2008—2010 年教育部組織開展了“虛擬實驗教學環(huán)境關(guān)鍵技術(shù)研究與應用示范”課題研究[6]。為提高高等學校學生的創(chuàng)新實踐能力，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)實驗教學資源共享，推進實驗教學信息化建設和實驗教學改革與發(fā)展，2013—2015 年開展了國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作，并評審出300 個國家級虛擬仿真實驗教學中心[7]。隨著虛擬仿真實驗教學從以信息化網(wǎng)絡平臺建設為重點的初始階段，進入到以優(yōu)質(zhì)項目資源建設與應用為重點的深入發(fā)展階段，以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托，以相關(guān)專業(yè)急需的實驗教學內(nèi)容為指向，以完整的實驗教學項目為基礎[8]，開展了示范性虛擬仿真實驗教學項目，2017 年和2018 年共支持建設350項，統(tǒng)籌規(guī)劃到2020 年共支持建設1000 項左右，以促進實驗教學質(zhì)量穩(wěn)步提高[9]。

1.2 目前虛擬仿真實驗存在的問題

雖然近年來在虛擬仿真實驗建設方面進行了積極探索，但在此過程中仍存在資源購置重復，虛擬仿真實驗建設質(zhì)量低，兼容性、可拓展性差，具體教學方法有待探索等問題。

（1）資源購置重復。在國家的大力支持下，很多高校開展了虛擬仿真實驗建設，由于虛擬軟件設計周期長，且需要進行反復修改、完善和測試，加之共享機制不健全，建設消息閉塞，很多高校針對同一個實驗重復購置，導致資源浪費[10]。

（2）項目建設質(zhì)量有待提高。目前一些項目僅僅把實體實驗虛擬化，做成三維動畫，與學生的交互較少，學生缺乏沉浸感；項目的實驗過程設計過于程序化，只有規(guī)定好的實驗步驟和實驗選項，學生的自主探索環(huán)節(jié)缺失，不利于學生的思維訓練和綜合能力提高?？傮w來說，目前虛擬仿真實驗項目建設質(zhì)量參差不齊，很多都未達到拓寬教學內(nèi)容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提高實驗教學質(zhì)量和水平的目的。

（3）基于虛擬仿真實驗的教學方法有待探索[11]。目前不少高校忙于虛擬仿真實驗建設，卻對如何基于虛擬仿真實驗提高教學效果的探索較少，對于在虛擬仿真實驗中教師扮演什么角色、采用什么教學方法、如何虛實結(jié)合等問題缺乏深入研究。

（4）虛擬仿真實驗的兼容性、可拓展性有待提高[12]。虛擬仿真實驗建設價格昂貴，一般2 個學時的教學項目需要花費幾十萬元。如何提高各實驗模塊的兼容性、可擴展性，降低綜合實驗成本，提高學生的創(chuàng)新能力，是目前亟待解決的一個問題。

2 關(guān)于虛擬仿真實驗的幾點思考和建議

針對虛擬仿真實驗建設過程中的主要問題，基于在集成電路工藝虛擬仿真實驗建設過程中的經(jīng)驗，從項目組織、項目建設、教學等方面進行思考，并提出幾點建議。

2.1 項目組織

根據(jù)專業(yè)分類，在全國范圍內(nèi)成立虛擬仿真實驗建設小組，共享建設信息，避免項目重復建設和資源浪費；分享建設經(jīng)驗，互取所長，穩(wěn)步提高虛擬仿真實驗建設質(zhì)量；通過建設小組的統(tǒng)一管理，提高不同模塊間的兼容性，以利于虛擬仿真實驗的共享和實驗內(nèi)容的拓寬。同時要發(fā)揮金課聯(lián)盟優(yōu)勢，鼓勵校級合作，對已建虛擬仿真實驗進行推廣，發(fā)揮示范作用。此外，建設虛擬仿真實驗的課題組首先要充分組織調(diào)研，主動尋求合作，共建合作虛擬仿真平臺，拓寬項目應用范圍。

2.2 項目建設

2.2.1 總體方案

在虛擬仿真實驗建設過程中，應從實驗廣度、實驗深度和實驗精度等三方面提高建設質(zhì)量；成立一只由不同類型高校專業(yè)教師、實驗教師及公司技術(shù)人員共同組成的研發(fā)團隊，為項目建設質(zhì)量提供保障。提高虛擬仿真項目建設質(zhì)量的總體方案見圖1。

圖1 提高虛擬仿真項目建設質(zhì)量的總體方案

2.2.2 實驗廣度

針對每個虛擬仿真實驗設計相應的學習模式、考核模式和工程化模式，滿足技術(shù)型、研究型等不同類型學生在認知、掌握和工程化應用等不同學習階段的需求，實現(xiàn)實驗教學的多層次化和因材施教，以利于實驗的共享和輻射。通過技術(shù)層面的突破，實現(xiàn)各因素的靈活變動及不同模塊之間的混搭，提高實驗擴展性、兼容性和前瞻性，滿足學生綜合創(chuàng)新實驗需求，降低綜合實驗建設成本。

2.2.3 實驗深度

根據(jù)認知理論和行為主義學習理論，通過虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)設置問題情境，形成認知矛盾，激發(fā)學生求知欲及學習興趣，形成良好的學習動機[13]。制定考評方法和標準，將打游戲過程的闖關(guān)引入實驗項目，激發(fā)學生學習的好奇心、好勝心。在虛擬仿真實驗重要步驟和關(guān)鍵點設置多處交互及結(jié)果反饋，提高學生的學習主動性和學習興趣。學生根據(jù)得到的各種反饋信息進行邏輯判斷、推理和聯(lián)想等思維活動，預測可能出現(xiàn)的問題、現(xiàn)象，認識深層次的規(guī)律和機理。

在虛擬仿真實驗中加入聲音，例如對真空泵抽氣聲音進行虛擬仿真等，增強虛擬過程的多感知性。增加對現(xiàn)實環(huán)境和環(huán)境因素變化的虛擬仿真，例如對超凈室真實環(huán)境、光刻室燈光對實驗結(jié)果的影響等進行虛擬仿真，提高虛擬仿真實驗的沉浸感和真實還原感。此外，對實體實驗過程中看不到的內(nèi)部現(xiàn)象進行虛擬仿真，例如對光刻工藝對準環(huán)節(jié)中設備內(nèi)部的變化進行虛擬仿真，以達到利用虛擬仿真提高學習效率的目的[14]。

2.2.4 實驗精度

目的是提高虛擬仿真實驗的精細化水平，增加真實還原感，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)膶嶒瀾B(tài)度。虛擬仿真實驗要符合各項規(guī)范，例如：光刻過程的涂膠、烘干等有毒有害實驗過程一定要在通風櫥中進行；易燃易爆化學物品要分類存放于符合要求的安全柜中；在實驗室門口、儀器設備上張貼安全標識；在實驗室內(nèi)張貼實驗操作規(guī)范、實驗室章程等。虛擬仿真實驗操作步驟要與實體實驗相一致，每步驟所用時間可以等比例縮短或延長。對于實驗前設備的預熱、校準和補償，實驗工具的清洗和分類放置，以及實驗后實驗臺的整理等細節(jié)都要作出要求，如果某方面的操作未達到要求，不允許進行下一步，或者給出明確警示，注重提高學生對實驗細節(jié)的關(guān)注度。

2.2.5 人員組成

成立一只由不同類型高校專業(yè)教師、實驗教師及公司技術(shù)人員共同組成的研發(fā)團隊，為提高項目質(zhì)量、增加項目與學生契合度提供保障。其中，來自學術(shù)型、應用型等不同高校的專業(yè)教師，根據(jù)教學經(jīng)驗及知識特點相互配合進行實驗內(nèi)容、建設方案的設計，設計不同模式中的思考點、反饋點、闖關(guān)難度、提示內(nèi)容等；實驗教師提供大量實驗數(shù)據(jù)，并結(jié)合對學生實踐能力的了解，輔助專業(yè)教師完成設計工作，并進行后期在線服務；公司技術(shù)人員負責建設項目技術(shù)構(gòu)架，確保虛擬仿真實驗運行的流暢度，并負責實驗場景、系統(tǒng)風格、操作界面的構(gòu)思，使情境真實、布置合理，提高實驗項目的吸引力。

2.3 教學支撐

虛擬仿真實驗項目建成后，不應夸大虛擬效果，而應“以虛補實”“虛實結(jié)合”。將具備實驗預約、課前預習、下載資料、互動討論、上傳實驗報告、系統(tǒng)監(jiān)控等功能的實驗平臺與理論課程、虛擬仿真實驗及實體實驗有機融合。結(jié)合課前、課中、課后三個環(huán)節(jié)及線上、線下兩大教學環(huán)境開展教學。

在課前，教師向?qū)嶒炂脚_上傳學習視頻、知識問答、思考題等，學生進行在線預習，并在充分思考和探索的基礎上，與教師進行在線討論，了解實驗工程背景，掌握理論知識、實驗步驟、實驗注意事項等，最后通過預習測驗，獲得實驗資格。教師應同時做好實體實驗準備工作。

在課中，依托實驗平臺，使理論學習、虛擬仿真實驗、實體實驗相互補充、相互結(jié)合。理論學習與虛擬仿真實驗相結(jié)合，就是在傳統(tǒng)理論講解中融入虛擬仿真實驗模塊，將實驗內(nèi)部變化、反應過程等實體實驗中無法看到的現(xiàn)象呈現(xiàn)給學生，增加學生對理論知識和內(nèi)部原理的理解，增加理論學習的新鮮感、立體感，提高學習效率。虛擬仿真實驗與實體實驗相結(jié)合，就是使學生根據(jù)虛擬仿真實驗的特點以及實驗平臺優(yōu)勢，反復進行虛擬實驗、團隊討論、交流心得，教師同步進行線上指導，然后通過實體實驗，高效完成實驗方案。最后基于實體實驗過程中的疑問和思考，再通過虛擬仿真實驗，在師生間展開討論，從而形成“理論—虛擬仿真實驗—實體實驗—理論”的循環(huán)學習模式，并更多地開展探究式、合作式學習。

在課后，學生可隨時復習實驗，鞏固已學知識，進行反復咀嚼和知識吸收，形成能力，并通過線上提交實驗報告。教師應對學生的預習測驗情況、實驗過程、討論與思考情況、實驗報告質(zhì)量等多方面進行考核評價。在評價過程中，尤其要注重對學生創(chuàng)新思維的肯定。同時，教授可利用碎片化時間通過互聯(lián)網(wǎng)對學生產(chǎn)生的疑問及創(chuàng)新性想法進行回帖、指導，使教授參與實驗教學成為可能，激發(fā)學生的創(chuàng)新積極性。此外，教師可對學生學習過程中產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)加以整理、對比，據(jù)此可進一步對虛擬仿真實驗進行改進和優(yōu)化。

引入虛擬仿真實驗后，學生的學習形式、學習方法及教師的主要工作內(nèi)容、工作方式都發(fā)生了較大變化?，F(xiàn)在的學生作為“網(wǎng)絡原住民”對虛擬仿真實驗的引入比較適應，但對一些老教師卻是一次挑戰(zhàn)。因此，學校應適時地對教師開展虛擬仿真培訓，選拔年輕的骨干教師充實實驗隊伍，根據(jù)崗位特點，引入各專業(yè)的技術(shù)人才，構(gòu)建合理的人才隊伍，同時加大對實驗教師的獎勵和鼓勵，為虛擬仿真實驗的高效運行提供保障[11]。

3 結(jié)語

本文基于以往虛擬仿真實驗建設過程的經(jīng)驗，從基層教師角度，針對目前虛擬仿真實驗建設現(xiàn)狀及存在問題，從項目組織、項目建設、教學等方面提出幾點建議。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的進一步發(fā)展，學生將在虛擬仿真實驗過程中擁有全新的感知體驗，實驗創(chuàng)新將在更廣闊的平臺上得以實現(xiàn)，探究式、合作式教學模式將進一步發(fā)展。