虛擬仿真實驗教學(xué)中心和項目的建設(shè)與發(fā)展

韓永光 牛樂 樊香 常薇 祿保平

摘 ?要 ?以科技為載體，將現(xiàn)代信息技術(shù)融入實驗教學(xué)項目，建設(shè)高質(zhì)量的虛擬仿真實驗中心和項目，拓展實驗教學(xué)的深度和廣度，讓學(xué)生在實踐中親身體驗科技發(fā)展、科學(xué)技術(shù)帶來的便捷，領(lǐng)略現(xiàn)代科技發(fā)展現(xiàn)狀，激發(fā)學(xué)生的探索興趣。從虛擬仿真的重要作用、建設(shè)過程、建設(shè)目標(biāo)及可能達(dá)到的預(yù)期效果等方面進(jìn)行探討，以期對虛擬仿真的建設(shè)和應(yīng)用提供一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞 ?信息技術(shù)；虛擬仿真；實驗教學(xué)

中圖分類號：G642.423 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2023）04-0008-04

Construction and Development of Virtual Simu-

lation Experiment Teaching Center and Project//

HAN Yongguang1， NIU Le1， FAN Xiang1， CHANG Wei1， LU Baoping2

Abstract ?Taking science and technology as the carrier，

we integrate modern information technology into experimental teaching projects， and build high-quality virtual simulation experiment centers and projects， and expand the depth and breadth of experi-

mental teaching， which let students enjoy the deve-

lopment of science and technology and the conve-nience brought by science and technology in prac-tice， appreciate the current situation of modern science and technology development， and stimulate students interest in exploration. This paper dis-cusses the important role， construction process， construction objectives and possible expected effects of virtual simulation， in order to provide some references for the construction and application of virtual simulation.

Key words ?information technology; virtual simulation;

experimental teaching

Authors address

1 ?Henan University of Chinese Medicine， Zhengzhou，

China， 450006

2 ?Academic Affairs office， Henan University of Chinese

Medicine， Zhengzhou， China， 450006

0 ?引言

根據(jù)《教育部辦公廳關(guān)于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》的要求，在高校實驗教學(xué)改革和教育信息化建設(shè)的基礎(chǔ)上，不斷推進(jìn)和完善開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作，通過信息技術(shù)和高等教育的深度融合，為更好地開展實驗教學(xué)及培養(yǎng)高質(zhì)量的學(xué)生提供了更好的平臺，進(jìn)一步拓展了高等教育的外延。利用信息技術(shù)的優(yōu)越性改變傳統(tǒng)教育模式，打破實驗教學(xué)的時空及條件限制，豐富實驗教學(xué)手段，拉近師生距離，增進(jìn)雙方的溝通交流，使學(xué)生根據(jù)需求隨時隨地通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的方式學(xué)習(xí)，進(jìn)一步擴大實驗教學(xué)的輻射范圍，提高實驗教學(xué)的效率[1-3]。

實驗教學(xué)是提升學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量的重要過程，是人才培養(yǎng)非常重要的組成部分，是提高學(xué)生實踐動手能力和創(chuàng)新能力的重要方式，也是培養(yǎng)高素質(zhì)、高層次人才的關(guān)鍵。虛擬仿真實驗教學(xué)項目的建立打破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式下的各種約束，具有交互性、沉浸性、時代性和娛樂性四大應(yīng)用特點。虛擬仿真技術(shù)通過創(chuàng)設(shè)、模仿真實的生活場景，突破現(xiàn)實生活中時間、空間領(lǐng)域的局限，以寓教于樂的方式，全面激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，一改過去學(xué)生對于學(xué)習(xí)的厭倦和焦慮心態(tài)，從而回歸教育的本質(zhì)[4-5]。

利用先進(jìn)的信息化手段和技術(shù)，重點建設(shè)具有學(xué)校專業(yè)特色的，虛擬仿真實驗項目，構(gòu)建完善的虛擬仿真實驗教學(xué)課程群；錄制基礎(chǔ)的實驗操作在線課程，構(gòu)建實體與虛擬相結(jié)合、基礎(chǔ)與臨床相結(jié)合、教學(xué)與科研相結(jié)合“三結(jié)合”模式的虛擬仿真實驗課程體系；利用科研大數(shù)據(jù)和研究成果反哺教學(xué)，為實體綜合性設(shè)計實驗提供有益補充，為學(xué)生開展科研探索提供虛擬平臺[6]。

虛擬仿真實驗教學(xué)中心依托實驗平臺對虛擬仿真實驗項目進(jìn)行管理運行，中心秉承開放、共享、高效的原則，加強資源的有序整合和有效對接，實現(xiàn)平臺資源統(tǒng)一認(rèn)證、檢索、教師指導(dǎo)、在線學(xué)習(xí)、在線操作、在線測試、成績反饋、意見建議等，實現(xiàn)虛擬仿真實驗教學(xué)資源最大化利用，切實做好以“虛實結(jié)合、以虛補實”為原則的虛擬仿真實驗教學(xué)工作[7]。

本文以期通過實際建設(shè)、使用和管理中的經(jīng)驗，為更好地推廣應(yīng)用虛擬仿真實驗教學(xué)構(gòu)建虛擬仿真實驗教學(xué)體系，提供有益借鑒。

1 ?虛擬仿真實驗教學(xué)中心和項目在實驗教

學(xué)中的重要作用

1.1 ?有效促進(jìn)實驗教育的深度發(fā)展

虛擬仿真實驗教學(xué)有效促進(jìn)了實驗教育的深度發(fā)展，可以通過模擬微觀精密、宏觀復(fù)雜或高危環(huán)境等在實體實驗過程中不能進(jìn)行的場景，學(xué)生通過信息技術(shù)手段構(gòu)建的三維場景先學(xué)習(xí)理論知識，基本概念、理論及技術(shù)，后進(jìn)行仿真實驗過程操作，進(jìn)一步理解和掌握基本知識，還可以避免由真實實驗環(huán)境帶來的潛在的人身危險和資源浪費。充分發(fā)揮虛擬仿真實驗教學(xué)項目在教學(xué)過程中“以虛補實、以虛促實、虛實結(jié)合” 的重要作用，進(jìn)一步拓寬實驗教學(xué)的深度和廣度[8]。

1.2 ?提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動性

虛擬仿真實驗教學(xué)項目集成了多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、計算機技術(shù)，搭建非常逼真的虛擬化環(huán)境，并借助特殊顯示器為人們提供更加真實的視覺效果與聽覺效果，具備沉浸性、交互性、高感知性，在提高教學(xué)質(zhì)量、教學(xué)效率等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)工作中讓學(xué)習(xí)知識的過程變得更加具有吸引力，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動性[9]。

1.3 ?最大限度地發(fā)揮學(xué)校的實踐教學(xué)效率

虛擬仿真實驗教學(xué)是現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展到一定時期的必然結(jié)果，充分體現(xiàn)了信息技術(shù)和實驗教學(xué)結(jié)合的優(yōu)越性，也是未來實驗教學(xué)的大勢所趨。虛擬仿真實驗教學(xué)能最大限度地開展實驗教學(xué)項目，更合理地安排實驗教學(xué)課程，有助于提升學(xué)生掌握專業(yè)技能的能力，充分利用課內(nèi)外時間開展實驗教學(xué)，最大限度地發(fā)揮學(xué)校的實踐教學(xué)效率[9-10]。

1.4 ?更有利于分析實驗教學(xué)的難重點

利用虛擬仿真實驗教學(xué)項目可方便地收集實驗報告和數(shù)據(jù)結(jié)果，也更方便評定學(xué)生成績，更為重要的是可以更高效地分析學(xué)生對實驗教學(xué)的重難點的掌握情況，不僅對以后的實驗教學(xué)過程更有針對性，而且可以為以后的實驗教學(xué)改革提供可靠的數(shù)據(jù)和資料[11]。

2 ?虛擬仿真實驗項目和中心建設(shè)過程

2.1 ?加強頂層設(shè)計、科學(xué)合理布局

進(jìn)一步理順運行機制，制定符合學(xué)校實際需求和建設(shè)目標(biāo)的實驗教學(xué)信息化制度，構(gòu)建獨具特色的“實體—虛擬—臨床”虛擬仿真實驗教學(xué)體系，結(jié)合中醫(yī)、中藥等學(xué)校特色優(yōu)勢，統(tǒng)籌做好虛擬仿真實驗教學(xué)中心、平臺及一流課程建設(shè)的整體規(guī)劃和科學(xué)布局[12]。

2.2 ?突出制度導(dǎo)向、強化組織保障

圍繞領(lǐng)導(dǎo)職責(zé)、激勵機制、約束機制和運行保障等方面，建立相應(yīng)的激勵實驗教師選用、聘任、培訓(xùn)、考評和流動的制度和機制，鼓勵實驗教師依托信息技術(shù)投入實驗教學(xué)和教學(xué)改革，促進(jìn)虛擬仿真實驗教學(xué)中心、平臺和課程資源應(yīng)用的高效運轉(zhuǎn)。學(xué)校每年持續(xù)投入經(jīng)費用于虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)，對被評為省級及以上虛擬仿真實驗教學(xué)項目的團隊給予一定獎勵，在職稱評定、年底考核等方面給予傾斜，同時撥付一定的后期建設(shè)經(jīng)費進(jìn)一步改進(jìn)和完善教學(xué)資源[13]。

2.3 ?完善平臺資源建設(shè)、推進(jìn)全面高效共享

與相關(guān)企業(yè)和高校合作建設(shè)功能完備、高效共享的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，推動虛擬仿真實驗教學(xué)改革和全面的資源開放共享，形成開放共贏的示范引領(lǐng)效應(yīng)。圍繞中醫(yī)、中藥等特色優(yōu)勢學(xué)科結(jié)合實驗室現(xiàn)有條件、課程實際與實驗教學(xué)大綱，按照“以虛補實、以虛促實、虛實結(jié)合”的基本原則，建設(shè)一批虛擬仿真實驗教學(xué)金課，實現(xiàn)信息技術(shù)與實驗教學(xué)深度融合。完善現(xiàn)有的資源建設(shè)，引入評價機制，實驗應(yīng)用過程可查可控可追溯，應(yīng)用效果納入學(xué)業(yè)過程考核，適當(dāng)提高比重，引導(dǎo)學(xué)生主動參與到虛擬仿真實驗訓(xùn)練中，提高虛擬仿真項目的利用率[14]。

2.4 ?線上線下互補協(xié)同、推進(jìn)實驗教學(xué)模式改革

雖然虛擬仿真實驗項目具有獨特的優(yōu)勢，但仍不能完全替代實體實驗項目，虛擬仿真實驗教學(xué)也不能替代傳統(tǒng)的實驗教學(xué)，只有將兩者充分結(jié)合起來，才能互為補充，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，完成虛擬與實體的有機整合。依托現(xiàn)有虛擬仿真實驗教學(xué)中心、虛擬仿真實驗平臺和虛擬仿真實驗資源，構(gòu)建線上線下相結(jié)合的實驗教學(xué)新模式。

3 ?虛擬仿真實驗項目和中心的建設(shè)目標(biāo)

3.1 ?建立“開放共享+閉環(huán)反饋”的虛擬仿真實驗教學(xué)運行機制

緊扣教育部相關(guān)文件精神，通過完善虛擬仿真實驗教學(xué)平臺功能，整合各虛擬仿真實驗教學(xué)中心虛擬仿真項目，統(tǒng)一身份認(rèn)證，數(shù)據(jù)接口對接，實現(xiàn)課程資源開放共享，發(fā)揮虛擬仿真實驗教學(xué)項目在教學(xué)過程中“以虛補實、以虛促實”的重要作用；虛擬仿真實驗教學(xué)平臺與虛擬仿真實驗項目底層數(shù)據(jù)對接，實現(xiàn)使用過程的信息抓取和數(shù)據(jù)分析，建立“學(xué)生—教師—項目”多元閉合反饋機制，實現(xiàn)對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和學(xué)習(xí)效果的監(jiān)控，促進(jìn)教師教學(xué)策略調(diào)整和虛擬仿真實驗教學(xué)項目進(jìn)一步改進(jìn)，優(yōu)化了虛擬仿真實驗教學(xué)運行機制[15]。

3.2 ?構(gòu)建“在線開放課+虛擬仿真實驗項目”的實驗課程新體系

通過實驗操作方面在線開放課的錄制建設(shè)，與虛擬仿真實驗項目形成優(yōu)勢互補，在線開放課以實物的形式直觀展現(xiàn)，增強學(xué)生對實體的感知，彌補虛擬仿真實驗教學(xué)項目在實體呈現(xiàn)和具體操作細(xì)節(jié)方面的不足，使學(xué)生在熟悉虛擬環(huán)境下實驗步驟、操作細(xì)節(jié)等基礎(chǔ)上，跳出虛擬空間，進(jìn)一步增強學(xué)生對實體實驗的認(rèn)知和理解，有助于學(xué)生建立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和正確的價值取向[16]。

3.3 ?重構(gòu)“線上+線下”互補協(xié)同的實驗教學(xué)新模式

借鑒學(xué)校現(xiàn)有國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目的建設(shè)經(jīng)驗，圍繞中醫(yī)、中藥等特色優(yōu)勢學(xué)科，結(jié)合學(xué)校實際，重點建設(shè)“不能開、開不好、高危險、不可逆”的虛擬仿真實驗教學(xué)金課，彌補現(xiàn)有實驗課程體系的不足，構(gòu)建實體與虛擬相結(jié)合、基礎(chǔ)與臨床相結(jié)合、教學(xué)與科研相結(jié)實驗課程體系，使學(xué)生線上體驗學(xué)習(xí)原理和流程，線下操作強化實踐和能力，進(jìn)一步重構(gòu)“線上+線下”互補協(xié)同實驗教學(xué)新模式。

4 ?預(yù)期效益

4.1 ?提高成員高校間的虛擬仿真實驗項目的利用率

加強成員高校間的溝通與協(xié)調(diào)，推動虛擬仿真實驗教學(xué)改革和全面的資源開放共享，形成開放共贏的示范引領(lǐng)效應(yīng)。圍繞中醫(yī)、中藥等特色優(yōu)勢學(xué)科結(jié)合實驗室現(xiàn)有條件、課程實際與實驗教學(xué)大綱，按照“能實不虛、以虛補實、虛實結(jié)合”的基本原則，建設(shè)一批高質(zhì)量的虛擬仿真實驗一流課程，實現(xiàn)信息技術(shù)與實驗教學(xué)深度融合。完善現(xiàn)有的資源建設(shè)，引入評價機制，實驗應(yīng)用過程可查可控可追溯，應(yīng)用效果納入學(xué)業(yè)過程考核，適當(dāng)提高比重，引導(dǎo)學(xué)生主動參與到虛擬仿真實驗訓(xùn)練中，提高虛擬仿真項目的利用率。

4.2 ?線上線下互補協(xié)同、推進(jìn)實驗教學(xué)模式改革

虛擬仿真實驗教學(xué)中心依托實驗平臺對課程群、虛擬仿真實驗項目進(jìn)行管理運行，中心秉承開放、共享、高效的原則，加強資源的有序整合和有效對接，實現(xiàn)平臺資源統(tǒng)一認(rèn)證、檢索、教師指導(dǎo)、在線學(xué)習(xí)、在線操作、在線測試、成績反饋、意見建議等，實現(xiàn)虛擬仿真實驗教學(xué)資源最大化地利用，切實做好以“虛實結(jié)合、以虛補實”為原則的虛擬仿真實驗教學(xué)工作。學(xué)生先進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，初步掌握基本的知識點和重難點，然后利用課余時間采用虛擬仿真實驗項目對實驗過程進(jìn)行模擬操作。在實際實驗課程中，按照實際操作步驟進(jìn)行實驗訓(xùn)練，可使得虛擬仿真教學(xué)和實際教學(xué)高度融合，更有利提高實驗教學(xué)水平，提高學(xué)生的實驗動手能力。

4.3 ?學(xué)生學(xué)習(xí)積極性明顯提高，教學(xué)質(zhì)量顯著提升

一是通過 “線上學(xué)習(xí)+線下翻轉(zhuǎn)”的創(chuàng)新型混合式教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、主動思考、創(chuàng)新性思維和創(chuàng)造性思維能力；二是通過基本知

識、基本技能、在線習(xí)題和測試、互動討論等方式，使過程性評價和考核更具有可操作性；三是充分調(diào)動學(xué)生參與度和討論問題的積極性，讓學(xué)生坐到前排來、把頭抬起來，讓學(xué)生樂于學(xué)習(xí)、樂于思考。采用翻轉(zhuǎn)課堂、混合式教學(xué)等新型教學(xué)模式，把沉默單向的課堂變成思想碰撞、啟迪智慧的線上線下互動場所，切實提高課程教學(xué)質(zhì)量。形成“線上學(xué)習(xí)+線下翻轉(zhuǎn)”的創(chuàng)新型混合式教學(xué)模式，使學(xué)生綜合能力顯著提高，教學(xué)效果顯著增強。

5 ?結(jié)束語

虛擬仿真實驗教學(xué)方式相對于傳統(tǒng)的實驗教學(xué)具有非常明顯的優(yōu)勢，通過構(gòu)建高度真實的虛擬實驗教學(xué)場景，建設(shè)高質(zhì)量、高水平的虛擬仿真實驗教學(xué)項目，并推廣應(yīng)用，對實驗教學(xué)方式方法進(jìn)行改革和創(chuàng)新，不僅能促進(jìn)創(chuàng)新實驗教學(xué)模式的改革，也有利于進(jìn)一步完善實驗教學(xué)內(nèi)容，不斷優(yōu)化實驗教學(xué)，提升實驗教學(xué)的資源效益，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，因此，不斷探索虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)和應(yīng)用具有非常重要意義。

6 ?參考文獻(xiàn)

[1] 熊宏齊.國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目的新時代教學(xué)特征

[J].實驗技術(shù)與管理，2019，36（9）：1-4.

[2] 馬超，曽紅，王宏祥.線上線下混合實驗教學(xué)模式研究

[J].實驗室研究與探索，2019，38（5）：185-189.

[3] 熊宏齊.虛擬仿真實驗教學(xué)助推理論教學(xué)與實驗教學(xué)的

融合改革與創(chuàng)新[J].實驗技術(shù)與管理，2020，37（5）：1-

4，16.

[4] 李廣智，張冬梅.醫(yī)學(xué)院校虛擬仿真實驗平臺建設(shè)現(xiàn)狀

的分析[J].科技視界，2017（10）：104.

[5] 張凱，陳東方.虛擬仿真實驗教學(xué)資源的設(shè)計與研究

[J].科教導(dǎo)刊，2016（21）：33-34，103.

[6] 亞春林.高校虛擬仿真實驗教學(xué)的思考[J].現(xiàn)代職業(yè)教

育，2022（25）：40-42.

[7] 石義金，王丹，曹高輝，等.基于虛擬仿真技術(shù)的數(shù)據(jù)

庫認(rèn)知實驗教學(xué)設(shè)計[J].實驗室科學(xué)，2022，25（2）：93-

97.

[8] 逯行，朱陶，徐晶晶，等.高校虛擬仿真實驗教學(xué)的基

本問題與趨勢[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2021，31（12）：61-68.

[9] 葉飛，廖成竹，章劍波，等.慕課與虛擬仿真深度融合

的實驗教學(xué)[J].北京科技大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），

2022，38（1）：67-72.

[10] 羅武輝，孫濤，李奇，等.虛擬仿真實驗在高校環(huán)境課

程教學(xué)中的應(yīng)用探索[J].廣東化工，2021，48（23）：213-

214，245.

[11] 華康民.虛擬仿真實驗教學(xué)項目的建設(shè)現(xiàn)狀與發(fā)展模式

探索[J].科技與創(chuàng)新，2021（15）：22-23.

[12] 張曉梅，彭其淵，鄧灼志，等.實驗教學(xué)示范中心與虛

仿中心的一體化建設(shè)與管理[J].實驗室科學(xué)，2021，

24（1）：179-183.

[13] 魏慧平，周薇，李勇莉.虛擬仿真平臺在高校實驗教學(xué)

改革中的應(yīng)用[J].解剖學(xué)研究，2022，44（2）：184-187.

[14] 謝久鳳，張繼冉，謝慧，等.虛擬仿真實驗教學(xué)的建設(shè)

與應(yīng)用現(xiàn)狀研究[J].黑龍江科學(xué)，2021，12（23）：30-33.

[15] 張澤，呂新，侯彤瑜，等.高校虛擬仿真實驗教學(xué)中心

建設(shè)探討[J].教育教學(xué)論壇，2021（15）：80-83.

[16] 農(nóng)春仕，孟國忠，周德群，等.“雙一流”行業(yè)高校建

設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)項目的探究[J].實驗技術(shù)與管理，

2021，38（5）：15-19.