虛擬仿真技術在本科實驗教學中的應用展望

馬雄德，楊紅斌，趙 艷

（1.長安大學水利與環境學院 陜西 西安 710054；2.旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室 陜西 西安 710054；3.長安大學社會合作處 陜西 西安 710054）

隨著科學技術的日益發展，尤其是信息科技的不斷深化和應用，傳統的高校實驗教學方式正面臨著必要的轉型和升級。在這一背景下，虛擬仿真技術成為了教育領域的重要創新應用。它以高效、安全、靈活和可控等優勢，為學生提供了一個更具互動性和真實感的實驗環境，從而深化了學生的理解力和操作技能，提高了教學效果。

作為一種新型的教學方式，虛擬仿真實驗教學不僅在理論學習方面為學生提供了全新的學習視角和手段，同時也在實踐能力的培養上展現出了顯著的優勢。尤其是在傳統實驗資源稀缺，實驗操作危險，實驗結果難以復現等問題日益突出的現實情況下，虛擬仿真實驗教學的重要性越發凸顯。它通過模擬真實的實驗環境和過程，讓學生在理論與實踐間建立橋梁，從而深化理論知識，熟練掌握實驗技能。

在這一過程中，虛擬仿真實驗教學的優點也逐漸得到了顯現。例如，它無須考慮實際實驗的場地、設備限制，能夠極大地節省教學資源。同時，它避免了傳統實驗教學中的安全風險，提升了實驗教學的安全性；而且它能夠隨時保存和復原實驗進度，使實驗教學更具靈活性。此外，通過虛擬仿真實驗教學，教師可以實時監控學生的學習進度，及時調整教學策略，提高教學效果。因此，虛擬仿真實驗教學已經成為高校實驗教學改革的重要方向，且在實踐型人才的培養上已經展現出了巨大的潛力和價值[1-2]。

1 虛擬仿真實驗教學現狀

虛擬仿真實驗教學借助現代計算機技術和相關軟件，模擬實驗操作過程和實驗現象，為學生提供一個接近真實的探究性學習環境。其主要通過虛擬實驗平臺，以復雜教學案例、實驗過程演示、離線數據分析等方式，實現教學資源和手段的有效整合與優化。

近年來，這一教學方式在高等教育領域得到了廣泛應用[3-4]。國外的高校和企業開始借助虛擬仿真技術來改善和優化實驗教學模式。丹麥虛擬實驗室和互動科學平臺Labster 是一家提供在線科學實驗室模擬的公司。它能夠為用戶提供廣泛的實驗選項，包括生物學、物理學、化學、工程及普通科學實驗等，并且每個模擬實驗都設計得十分詳細，讓學生可以在虛擬環境中盡可能地體驗真實實驗。PraxiLabs 實驗平臺提供了一套在線的虛擬實驗室，學生可以在其中進行各種生物學、化學和物理實驗。BioInteractive Virtual Labs實驗平臺提供一系列生物學虛擬實驗，其實驗設計得非常詳細，可以幫助學生理解復雜的生物學概念。麻省理工學院的開放式課程網絡（MIT OCW）為全球學生提供了免費的課程資源，其中包括大量虛擬實驗和仿真實驗，課程質量非常高，而且覆蓋了多種科學領域。英屬哥倫比亞大學的虛擬土壤學學習資源（University of British Columbia's Virtual Soil Science Learning Resources）提供了土壤科學虛擬實驗資源，學生可以在此進行虛擬實驗和仿真實驗。雖然專注于土壤科學，但這個網站為此領域的學習提供了極大的便利，虛擬實驗設計得細致且有深度，能幫助學生理解復雜的概念。美國國家科學基金會在其虛擬仿真教學實驗計劃中已經撥出了大筆經費，鼓勵更多的高校采用這種教學方式，以提高學生的學習效率和實驗能力。

同時，國內一些重點高校也開始積極引進和應用虛擬仿真實驗教學設備，推動課程教學的創新和改革。我國在2021 年7 月啟動了虛擬教研室試點工作，首批439 個虛擬教研室獲批試點建設。清華大學、北京大學的在線實驗平臺提供了大量的虛擬實驗教學資源，包括物理、化學、生物等多個領域。這個平臺不僅為學生提供了豐富的學習資源，還通過模擬實驗的形式增強了學生的實踐操作能力。類似的還有中國科學技術大學、電子科技大學、南京大學、西安交通大學等高校建成的虛擬實驗室基于不同學科優勢提供了豐富的仿真實驗資源。

總的來看，虛擬仿真實驗教學在國內外的應用非常廣泛，其在實驗內容的豐富性、實驗效果的優越性以及實驗安全性方面的優勢，相較于傳統實驗教學，都有了顯著的提升[5]。其優越性得到了廣泛的認知，應用范疇也在逐漸擴大。

2 虛擬仿真實驗教學的步驟

2.1 實驗前準備

這是教學過程中至關重要的一步，教師需要提前準備好虛擬仿真實驗的相關教學資源和工具。教師應設計或選擇適合課程內容和學生水平的實驗，并制作詳細的實驗指導書，包括實驗目標、操作步驟、預期結果和實驗報告的撰寫要求等。此外，教師還需要在實驗開始之前測試和調試虛擬仿真系統，確保所有設備和軟件的正常運行。

2.2 學生實驗操作

在實驗過程中，學生需要按照實驗指導書的指示進行操作。教師應監督學生的操作，并在必要時給予指導和幫助。在實驗過程中，學生應充分利用虛擬仿真的特性，如可重復性和靈活性，多次進行實驗，通過不斷的嘗試，掌握實驗技能和理解實驗原理。

2.3 學生進行實驗數據分析

在實驗結束后，學生需要收集并分析實驗數據。教師應教授學生如何使用數據分析工具，如何理解和解釋實驗結果。此外，教師還應鼓勵學生提出自己的觀點和解釋，并對其進行批判性思考。

2.4 實驗報告撰寫

在實驗完成之后，學生需要撰寫實驗報告。實驗報告應包括實驗的目標、方法、結果和結論等部分。教師應給予學生撰寫報告的指導和幫助，包括如何組織和表達思想，如何有效地使用圖表和數據等。

2.5 教師考核與評價

在學生提交實驗報告后，教師需要對學生的實驗操作和實驗報告進行評估。教師應給予學生及時和具體的反饋，指出他們在實驗操作和報告撰寫中的優點和不足，并給予改進的建議。通過這種方式，教師可以鼓勵學生進行自我反思和持續改進，從而促進他們的學習和發展。

3 虛擬仿真實驗的開展模式

虛擬仿真實驗教學已經成為一種新型的教學模式，這種模式可以為學生提供更加可靠和安全的虛擬實驗環境。然而，在虛擬仿真實驗教學模式中，由于其是基于計算機模擬的實驗，可能無法完全替代線下實際操作，因此將虛擬仿真實驗教學與線下實際操作相融合可以發揮更大的優勢[6-7]。結合現有研究，虛擬仿真教學和線下實操有3 種組合模式：

3.1 前置虛擬實驗模式

虛擬實驗在線下實驗之前進行，學生可以通過虛擬實驗先行了解和掌握實驗的原理和步驟，然后再進行線下實驗。這種模式可以幫助學生減少線下實驗中可能出現的錯誤，提高實驗效率。

3.2 后置虛擬實驗模式

線下實驗在虛擬實驗之前進行，學生可以先通過線下實驗感受真實的實驗環境和操作過程，然后通過虛擬實驗對實驗進行復習和深化理解。這種模式可以幫助學生鞏固實驗知識，提高實驗能力。

3.3 并行虛擬實驗模式

虛擬實驗和線下實驗同時進行，學生可以根據需要在兩種實驗之間自由切換，比較和體驗兩種實驗的不同。這種模式可以給學生提供更加豐富和靈活的學習體驗。

4 虛擬仿真實驗存在的問題

4.1 硬件和軟件限制

虛擬仿真實驗所需的硬件配置較高，需要有足夠的計算能力和儲存能力，但不是所有的學校或個人都能承受相應的硬件和軟件成本。此外，虛擬仿真實驗所用的軟件平臺的建設和維護需要大量的專業知識和技術，這對教育機構來說也是一大挑戰。

4.2 無法完全模擬真實實驗

虛擬仿真實驗雖然可以模擬真實實驗環境，但仍然無法完全代替真實實驗。由于物理世界的復雜性，有些實驗現象和結果很難用計算機模型來準確模擬。這使得虛擬仿真實驗在培養學生的實踐操作能力和解決實際問題的能力方面存在一定的局限性。

4.3 用戶體驗和交互性問題

雖然虛擬仿真實驗可以提供視覺和聽覺等多模態的感官體驗，但仍然無法提供觸覺和嗅覺等體驗，這使得用戶在進行虛擬仿真實驗時可能無法得到完整的實驗感受。此外，虛擬仿真實驗的交互性也有待提高，用戶在進行實驗操作時可能會感到不自然或者存在困難。

4.4 教學資源和方法問題

虛擬仿真實驗需要大量的教學資源，如實驗內容、實驗步驟和實驗數據等。然而，目前虛擬仿真實驗的教學資源還相對匱乏，教師和學生可能很難找到適合自己需要的教學資源。此外，虛擬仿真實驗的教學方法也需要進一步研究和開發，如何有效地利用虛擬仿真實驗來提高教學效果和學生的學習成效仍然是一個重要的課題。

5 展望

擬仿真實驗教學模式是現代教育發展的重要組成部分，隨著未來科技的迅速發展，虛擬仿真實驗教學模式也在不斷地改進與完善，以滿足不同領域、不同層次的教育需求[8-10]。在未來，虛擬仿真實驗教學模式將會迎來更大的發展機遇和挑戰，在人工智能時代虛擬仿真實驗教學模式也應該圍繞以下重點方向發展：

①將云計算和物聯網應用于虛擬仿真實驗教學。隨著云計算和物聯網技術的日益成熟，教學方式也正在進行改變。利用這些技術，我們可以構建一個更加穩定和高效的教學環境，為學生提供更加實時和準確的數據分析。

②利用3D 技術提升虛擬仿真實驗教學的真實性。3D技術可以使學生在虛擬環境中獲得更加真實的體驗，這將極大地提高他們的學習興趣和動力。

③發展虛擬仿真實驗教學的智能化和個性化。借助大數據和人工智能技術，我們可以根據每個學生的學習情況和需求提供個性化的教學服務，使教學更加貼近每個學生的實際需求。

④加強虛擬仿真實驗教學的互動性和合作性。網絡技術可以讓學生在虛擬環境中進行團隊合作，提高他們的團隊協作能力，同時，教師也可以實時參與到學生的學習過程中，為他們提供及時的指導和反饋。