我校虛擬仿真實驗教學資源的建設與探索

謝獻忠，梁小玲，吳亮紅，席在芳

(湖南科技大學 教務處，湖南 湘潭 411201)

隨著信息技術與教育教學的深度融合，以信息技術應用為基本特征的虛擬仿真實驗教學主動適應我國新時代高等教育開放共享的改革要求，為大學生進行自主學習、創新實驗提供了先進的技術平臺和資源，也為高校實驗實訓教學與改革提供了新思路[1-2]。當前，各高校投入大量人力和物力開展虛擬仿真實驗教學，但在資源的開發、利用和維護過程中，還存在一些亟待解決的問題。近年來，我校在中長期發展規劃和國家戰略需求的基礎上，根據各專業的實際情況，積極推進虛擬仿真實驗教學資源的建設與應用。本文結合我校虛擬仿真實驗教學的現狀和存在的主要問題，提出了相應的對策，以期進一步提高我校虛擬仿真實驗教學的質量和水平。

1 我校虛擬仿真實驗教學資源的建設現狀

我校是國內最早開展虛擬仿真實驗教學的單位之一。1997年我校計算中心率先開展虛擬仿真實驗教學的研究和應用，先后承擔了國家自然科學基金“基于虛擬原型的虛擬實驗室實現原理研究”和教育部骨干教師基金“虛擬實驗室技術”等項目的研究，出版了《虛擬電子實驗平臺應用技術》教材，對加強和推廣虛擬仿真實驗教學起到了重要作用，有力促進了虛擬仿真實驗教學的應用研究。經過多年來的摸索與實踐，我校已基本形成相對穩定、切實可行的虛擬仿真實驗教學資源建設模式。

1.1 制定虛擬仿真實驗教學資源的建設目標

學校圍繞立德樹人的根本任務，以學生發展為中心，主動適應經濟社會發展對人才培養的新要求，運用現代信息技術構建與理論教學相互平行、相對獨立、相互補充、相互促進的虛實結合的實踐教學體系，強化學生的專業素養和職業技能，培養學生的實踐能力和創新能力，推動我校個性化、智能化、泛在化的實驗教學新模式，形成專業布局合理、教學效果優良、開放共享的虛擬仿真實驗教學體系，促進我校人才培養質量的全面提升。

1.2 確定以問題為導向、以能力為本的建設原則

我校在虛擬仿真實驗教學資源的建設中，一直秉承以問題為導向、以能力為本的原則。有些專業沒有辦法安排學生在真實的環境實訓實習，如煤礦井下環境的實習，由于地質條件復雜，危險系數高，為確保煤礦安全生產，煤礦企業難以接受學生進行井下實習和綜合實訓，導致學生無法了解礦山電氣設備在礦井下的工作場景，也沒有動手操作訓練的機會；有些實體實驗具有高成本、高消耗的特征，如難加工材料切削加工實驗，由于其對環境場地、機床數量要求高，且難加工材料一般價格昂貴，開展大范圍實驗教學成本較高，導致學生全員參與困難；等等。

針對這些問題，學校倡導虛實結合的教學理念，鼓勵相關專業積極主動采用虛擬仿真技術，開展虛擬仿真實驗教學，增加學生動手實驗的機會，使學生低成本、高效率認知工作場景，提高學生的職業素養和仿真操作技能，培養學生的綜合素質和創新能力。

1.3 成立虛擬仿真實驗教學中心

教育部2013年啟動的國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作，是國家級實驗教學示范中心建設的延續與發展，是我國實現教育信息化的重要環節[3]。目前我校虛擬仿真實驗教學中心基本形成了一批建設標準高、應用效果好、輻射作用強的虛擬仿真實驗教學基礎平臺，為完善我校實驗教學體系、促進實驗教學改革、提升實驗教學水平提供了強有力的支撐。我?！靶畔⑴c電氣技術虛擬仿真實驗教學中心”已獲評國家級虛擬仿真實驗教學中心，“礦業工程省級虛擬仿真實驗教學中心”“電子與信息技術省級虛擬仿真實驗教學中心”“網絡信息安全省級虛擬仿真實驗教學中心”獲評省級虛擬仿真實驗教學中心。

其中國家級“信息與電氣技術虛擬仿真實驗教學中心”依據不同層次、不同學科專業學生的實驗要求，構建了新能源與控制技術類、信息技術類、礦山電氣自動化類、科研成果轉化類和電工電子公共基礎類五個虛擬仿真實驗平臺。中心與北京潤尼爾網絡科技有限公司聯合開發了信息與電氣技術虛擬仿真實驗平臺。中心構建了能滿足虛擬仿真實驗教學要求的軟硬件環境，師生可根據平臺提供的資源配置連接虛擬實驗資源，自由搭建典型實驗項目。平臺具有信息發布、數據收集分析、互動交流、成果展示和成績評定等功能，可以為師生身份管理、認證管理提供用戶認證和權限等級識別，實現網絡的安全運行、管理和維護。目前中心服務于全校27個本科專業，涉及22門實驗課程，開發了160余項虛擬仿真實驗教學資源。通過采用虛擬仿真實驗教學，拓展實驗參與度，降低實驗風險和成本，基本形成了“兩型”綠色實驗教學新格局[4]。

1.4 建設多個高水平的虛擬仿真實驗教學團隊

目前我校已建設多個高水平的虛擬仿真教學團隊。校、院、系三級積極協調，全力支持虛擬仿真實驗教學項目的建設，每個團隊都是由實驗教學一線的教師和擁有信息技術素養的專業技術人員構成。實驗教學一線的教師根據學科專業實驗內容，將教學資源轉化成虛擬仿真實驗的腳本，作出最好的實驗設計；學校和制作公司的虛擬仿真技術人員根據腳本進行虛擬仿真實驗的開發、管理以及后期維護，實現實驗教師的設想。

1.5 完善虛擬仿真實驗教學的管理制度

為了加強實驗室規范管理以確保虛擬仿真實驗教學的可持續發展，我校制定了《本科實踐教學管理辦法》《本科教學質量與教學改革工程項目管理辦法》等制度?！侗究茖嵺`教學管理辦法》包含了虛擬仿真實驗教學的管理規定和工作規定等相應的規章制度。《本科教學質量與教學改革工程項目管理辦法》中的課程建設管理辦法明確了虛擬仿真實驗教學項目應采取先建設應用、后評價認定、持續監測評估的方式，按建設規劃分年度認定虛擬仿真實驗教學項目，從實驗教學理念、實驗教學內容、實驗教學方式與方法、實驗技術與運行、實驗教學團隊建設與服務、實驗教學效果評價與評估等要素綜合考察虛擬仿真實驗教學資源的建設。課程建設管理辦法制定了虛擬仿真實驗教學項目建設立項評審、中期檢查和結題驗收的實施辦法，對通過評審的虛擬仿真實驗教學一流課程的教學內容、教學方法、教學效果、教學資源、共享服務等方面進行綜合評價。針對認定的虛擬仿真實驗教學項目，要求其被認定后1年內面向高校和社會免費開放并提供教學服務，1年后至3年內免費開放服務內容不少于50%，3年后免費開放服務內容不少于30%。

1.6 優先提供資金和政策支持

為了滿足虛擬仿真實驗資源的建設需要，我校在資金、政策等方面提供優先支持。近年來，學校將虛擬仿真實驗教學資源的建設列入教學改革專項預算，詳細規劃了項目經費投入，明確規定了經費的使用范圍，為虛擬仿真實驗資源的建設與管理提供了充分的資金保障。其中國家級“信息與電氣技術虛擬仿真實驗教學中心”的建設已投入800多萬元，另累計從中央財政支持地方高校改革發展資金、校內實驗室建設經費中安排專項資金200余萬元用于虛擬仿真實驗教學資源和平臺等方面的建設。

虛擬仿真實驗項目申報成功后，由學校招標遴選項目制作公司，并組織公司技術人員來校對所有立項建設的項目教學團隊進行培訓或指導，輔助教學團隊完成建設任務。

針對教師關注的職稱評審、獲獎評優等問題，學校專門出臺了相應措施，鼓勵廣大教師參與虛擬仿真實驗資源的建設，最大程度認可虛擬仿真實驗教學團隊的工作。

2 我校虛擬仿真實驗教學項目的實施效果

2.1 進一步夯實了虛擬仿真實驗教學項目建設的基礎

近年來，我校整合優勢教學資源，建設并獲批2個國家級實驗教學示范中心、1個國家級虛擬仿真實驗教學中心、3個省級虛擬仿真實驗教學中心、79個省級實踐教學平臺、6個省級虛擬仿真實驗教學項目、4門省級虛擬仿真實驗教學一流課程。我校目前在用的虛擬仿真實驗教學項目近600項，可以滿足不同專業學生對虛擬仿真實驗教學內容的需要。其中國家級“信息與電氣技術虛擬仿真實驗教學中心”開設了160余項虛擬仿真實驗項目，省級“網絡信息安全虛擬仿真實驗教學中心”開出虛擬仿真實驗項目121項。

這些成果進一步夯實了我校虛擬仿真實驗教學資源建設的基礎，不僅推進了我?，F代信息技術融入實驗教學的步伐，拓展了實驗教學內容的廣度和深度，延伸了實驗教學的時間和空間，也為大學生進行自主學習、創新實驗提供了先進的技術平臺和資源，強化了學生的參與感和領悟感，提高了學生的專業綜合能力和素養。

2.2 虛擬仿真實驗教學平臺運行良好

虛擬仿真實驗教學平臺搭建成功后，通過寬帶網絡將虛擬仿真實驗教學遠程化、網絡化、分布式化。通過平臺擴大實驗的覆蓋面，延伸到網絡的每個教學點。教師可以根據課程需要，在機房組織集中學習與實訓，也可以安排校內分散學習與實訓。學生可以通過手機移動智能終端，利用閑暇時間和碎片化的時間通過賬號登錄訪問服務器，隨時隨地學習相關專業知識，提高專業技能而不受時間、地理位置、天氣因素的影響。

虛擬仿真實驗教學平臺有效保障了我校線上實驗教學的有序運行，并一定程度實現了資源的校內共享和校外共享。目前省級以上虛擬仿真實驗教學項目已累計服務校內學生35 000余人，服務校外學生3 400余人，總訪問量達到173 500余人次(見表1)。其中“礦用隔爆型磁力起動器控制方法及故障分析”虛擬仿真項目在校內實驗教學中利用率最高，服務學生人數高達22 446人，約占比64.1%；“企業運營管理決策模擬”虛擬仿真項目在資源共享方面做得最好，累計服務校外學生2 816人，約占比82.1%。

表1 省級以上虛擬仿真實驗教學項目運行數據

2.3 促進了產學研教學資源的深度融合

目前我校已形成科研成果轉化實踐教學資源、以教師科研反哺學生實踐教學的相關機制，有效促進了產學研教學資源深度融合。

國家級“信息與電氣技術虛擬仿真實驗教學中心”主動對接海洋資源勘測、新能源技術等國家發展戰略，始終注重保持實驗內容的時代性與前瞻性，實現前沿技術和科研成果向實驗教學資源的轉化。針對深海實驗的復雜性、艱巨性和高成本，中心自主研發了我國“海?！鄙詈：５?0米多用途鉆機虛擬仿真系統，開發了自動控制原理虛擬仿真實驗平臺、高級過程控制虛擬仿真平臺、光伏發電系統虛擬仿真平臺、大型直驅式風電機組仿真平臺、大型火車站加水系統控制仿真軟件和RFID二叉樹防碰撞算法仿真平臺等虛擬實驗教學內容。

省級“網絡信息安全虛擬仿真實驗教學中心”教學團隊將自主研發的數字水印實驗系統、大規模集成電路知識產權保護系統、網絡輿情監控與預測系統、虛擬化仿真系統、大數據分析平臺、基于命名數據網絡的內容語義聚合仿真系統、Web搜索與相關性評測平臺、Mashup應用搜索引擎系統等部分最新科研成果轉化為虛擬實驗教學資源，將成熟的科研技術和方法引入虛擬實驗教學，豐富了虛擬仿真的實驗教學的內容，提高了虛擬仿真實驗教學資源的質量，有效促進了教學與科研的互動，對培養學生的創新思維和創業能力具有深遠的意義。

2.4 提高了學生的專業綜合能力和素養

學校依托虛擬仿真實驗平臺開展學科競賽練習和培訓。學生在模擬仿真實訓中經歷多次摸索與打磨，獲取了更深刻的參與感和領悟感，得到了更多的職業技能培訓，積累了豐富的實戰經驗，提高了發現問題、思考問題與解決問題的能力?！捌髽I運營管理決策模擬”虛擬仿真教學團隊指導學生參加湖南省教育廳組織的大學生企業模擬經營競賽，2019年獲得一等獎3項，2020年獲得一等獎4項，連續兩年代表湖南省參加該項賽事的全國總決賽均獲全國一等獎；“礦山測量虛擬仿真實驗”教學團隊指導學生參加2021年湖南省教育廳主辦的大學生工程訓練綜合能力競賽獲得一等獎3項，并代表湖南省參加全國總決賽。2021年我校學生在全國高等學校測繪技能大賽中獲得虛擬仿真數字測圖競賽一等獎和團體二等獎，在湖南省教育廳舉辦的第三屆“南方測繪杯”大學生測繪綜合技能大賽中獲得一等獎1項、二等獎2項、三等獎2項。

2.5 提升了我校專業建設總體水平和核心競爭力

我校由原國家煤炭工業部在江南的唯一本科院校湘潭礦業學院與湘潭師范學院合并組建而成，具有深厚的煤炭行業背景，其采礦工程、安全工程、自動化等專業均為國家特色專業，煤炭行業特色鮮明。信息化、數字化、智能化、無人化的煤炭開采技術不僅能提高采礦效率，還能實現綠色采礦、安全采礦。因此，數字化與智慧型礦山的建設，亟須通過虛擬仿真實驗教學資源的建設培養具有跨學科知識融合能力和創新創業能力的復合型礦業類人才。

我校在遵循學科發展規律的基礎上，將虛擬仿真實驗教學資源建設與特色專業學科內涵深度融合，整合全校相關實驗教學資源和產學研資源，建立了國家級“信息與電氣技術虛擬仿真實驗教學中心”。針對煤礦礦井環境高危惡劣和學生難以下井實習的現實，中心與中煤科工集團重慶研究院、平安電氣股份有限公司、河南靈境礦山安全技術有限公司聯合開發了礦山安全監控虛擬仿真系統、礦山供電系統虛擬仿真系統等特色仿真資源。中心將虛擬仿真教學與煤礦電氣和信息技術有機融合，依托先進礦山裝備教育部工程研究中心和礦山安全預警技術與裝備湖南省工程實驗室，聯合中煤科工集團重慶研究院等單位，建設了礦山安全監控虛擬仿真實驗系統、礦山自動化虛擬仿真系統、礦山供電虛擬仿真實驗系統、礦井人員定位虛擬仿真系統等特色資源?；谏鲜鲅芯颗c建設成果，我校獲批了“礦業工程虛擬仿真實驗教學中心”省級平臺，“礦用隔爆型磁力起動器控制方法及故障分析”與“基于物聯網云平臺的井下安全監測”2個省級虛擬仿真實驗教學項目以及“礦山災害數值仿真實驗”與“礦山測量虛擬仿真實驗”2門省級虛擬仿真一流課程。

學校加大對特色專業的虛擬仿真實驗教學資源建設的投入力度，推動了特色專業的發展，帶動了其他相關專業的協同發展，提升了學校專業建設總體水平和核心競爭力。

3 我校虛擬仿真實驗教學資源建設中存在的主要問題

3.1 虛擬仿真實驗教學資源少且學科專業分布不平衡

目前，我校虛擬仿真實驗教學資源主要分布在安全工程、采礦工程、機械設計、自動化、計算機、通信工程、電子信息工程等優勢工科專業以及商學院的經管類專業，物理、生物、力學、土木等理工科專業以及人文類專業基本還處于起步階段。虛擬仿真實驗教學資源整體不足，且分布不平衡，也不合理，與我校學科專業的發展規劃和定位不符。

3.2 虛擬仿真實驗自主研發能力較弱

雖然我校自主研發了各類虛擬仿真實驗項目近600項，為相關專業的實驗、實訓提供了有益的教學資源。但總體來說，目前各專業虛擬仿真實驗項目的自主研發意識與能力比較弱，自主創新和擁有自有知識產權的實驗資源比較少。有些開發出來的產品層次較低，沒有充分應用虛擬現實、增強現實、網絡協同、人工智能、個性化自主、虛實結合等先進的教學理念和技術，人機界面沒有體現出自然、靈活、高效、安全的人性化設計思想，達不到高度的交互性、開放性和啟發性。學生在實驗過程中的體驗感、現實感和沉浸感不強，學習積極性和教學效果還有待進一步提高。

3.3 虛擬仿真實驗教學可持續發展機制不健全

我校對虛擬仿真實驗教學資源的建設一般采取一次性的項目經費投入，在建設完成后不再下撥持續性的運維經費。但虛擬仿真實驗教學資源需要進行后期的運營、維護、擴展和完善，這些均離不開后續經費的支持。目前，學校缺乏統一的虛擬仿真實驗教學管理平臺，有限的教學資源分散在各個學院，形成了一個個信息孤島，沒有實現高效的開放共享，更談不上資源的有機整合。學校層面尚未出臺虛擬仿真開放實驗室的教學工作量計算辦法，部分教師進行虛擬仿真實驗教學尤其是開放共享教學的積極性不高，只是將其作為課前預習的工具或課程教學的輔助資源。反饋機制的不健全阻礙了虛擬仿真實驗教學資源的及時改進與完善，直接影響了用戶的體驗感和滿意度，間接降低了資源的配置效率和利用效率。

4 促進我校虛擬仿真實驗教學項目進一步發展的措施

4.1 分類分層次建設虛擬仿真實驗教學資源

虛擬仿真實驗教學資源可以分為虛擬仿真、虛實結合兩種類型。虛擬仿真實驗為高溫、高壓、高危險性的無法實踐操作的實驗提供了一種唯一的替代方案。顯然，此類虛擬仿真實驗教學資源需投入足額的經費進行高規格的研發，以真正實現實驗操作過程的虛擬現實和沉浸感。為了拓展實驗內容的深度和廣度，延伸實驗教學的空間和時間，我校應加大力度推進“虛實結合，實踐為主，虛擬為輔”的個性化、智能化實驗教學新模式，增強此類虛擬仿真實驗資源的科學性、方便性及趣味性，使其成為符合大眾意愿的新型實驗教學模式，從而有效提高資源的利用率。同時，虛擬仿真實驗教學資源可以分為國家級、省級和校級三個不同的層次，它們分別隸屬于不同的實驗教學平臺，其使用的人數、頻度和開放共享的程度有較大的差別。顯然，對于通過國家級和省級認定的虛擬仿真實驗教學資源或項目，學校應該投入足夠的經費進行建設、運維、擴展和完善，最好能與相關企業合作，在公共服務平臺上實現共建共享、對外開放。目前我校物理、生物、力學、土木等理工科專業以及人文類專業的虛擬仿真實驗教學還處于起步階段，資源比較匱乏。各教學系可以結合專業特點自主研發一些低成本的虛擬仿真實驗教學項目；學院適當安排一定的啟動資金予以支持，以項目培育為抓手，推動我校虛擬仿真實驗教學高質量發展。

4.2 校企合作共建虛擬仿真實驗教學研發團隊

虛擬仿真開放式實驗室要求教師既是學生實驗的指導者，又是虛擬仿真實驗項目的研發者，同時還是實驗室的管理者，這三重身份對實驗教師隊伍提出了更高的要求。虛擬仿真實驗教學平臺與項目涉及的仿真技術和虛擬現實技術主要掌握在計算機、網絡、信息等專業技術人員手上，他們缺乏實驗教學的專業知識和教育教學經驗；專業教師具備按照教育教學規律傳授專業知識的能力，但缺乏應用仿真技術和虛擬現實技術等研發實驗教學平臺及項目的經歷和能力。校企合作共建虛擬仿真實驗教學研發團隊既是“產教協同育人”的基本要求，也是虛擬仿真實驗教學培養高素質人才的內在訴求?？梢酝ㄟ^共同研發和管理虛擬仿真實驗教學平臺和項目、對高校教師進行虛擬仿真技術培訓等措施提高實驗教學研發團隊的綜合素質和能力。此外，在虛擬仿真開放實驗室師資建設方面，學?？梢赃m當引進既懂專業又精通計算機技術的雙學位人才。

4.3 多級虛擬仿真實驗教學管理平臺實現開放共享

加強頂層設計，建設好國家級、省級和校級三級虛擬仿真實驗教學管理平臺，理順開放共享機制，實現虛擬仿真教學資源全域性、區域性和校區內的開放與共享。制定、頒布虛擬仿真資源的接口標準，保障資源的兼容性和可擴展性，通過統一的接口標準實現資源與平臺的無縫對接，提高資源的可管理化和共享化水平。實行平臺準入制度，保障資源的整體質量。被認定為國家級虛擬仿真一流課程的資源可以進入國家級教學管理平臺；被認定為省級以上虛擬仿真一流課程的資源可以進入省級教學管理平臺。目前學校急需構建一個全校性的虛擬仿真實驗教學管理平臺以整合我校國家級、省級和自主研發的校級教學資源，通過虛擬仿真資源的優化與集中管理，消除信息孤島，實現資源的跨學院、跨專業開放與共享。同時，學校出臺相關政策保障虛擬仿真開放實驗室教師的正當權益，將助推虛擬仿真實驗教學的可持續穩定發展。

5 結語

信息技術的飛速發展為虛擬實驗室、虛擬仿真實驗教學資源的建設與應用提供了有力支撐，促使實驗教學理念、模式及方法手段發生了深刻變革，一定程度上彌補了傳統實驗教學的不足[1,5]。但虛擬仿真實驗教學畢竟不是在實物實驗平臺上進行操作，這會降低學生對實物的感性認識[6-7]。所以，我們應順勢而為，積極推動“虛實結合”的個性化、智能化實驗教學模式改革，穩步提升我校實驗實訓教學環節的人才培養能力和質量。