基于數(shù)字化的高校虛擬仿真實驗教學平臺建設(shè)與實踐

李 琰， 張佳琳， 饒 星， 周玉宇， 李 霆

（暨南大學實驗室與設(shè)備管理處，廣州 510632）

0 引言

隨著教育信息化建設(shè)的不斷深入，各大高校也陸續(xù)在實驗教學中引入新技術(shù)與新手段。其中，構(gòu)建虛擬仿真實驗教學平臺就是重要舉措，虛擬仿真技術(shù)和實驗教學的融合發(fā)展模式成為落實高等教育數(shù)字化戰(zhàn)略與新時代實驗教學示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容。

重慶大學等高校均建設(shè)了校級虛擬仿真平臺，秉持著開放式教學、數(shù)據(jù)引領(lǐng)、資源共享的原則，支持學生自主學習、泛在式學習，支持教師開展虛擬仿真教學探索，鼓勵不同學科之間加強資源合作共享，在很大程度上助推了高校實驗教學改革，對于高質(zhì)量人才培養(yǎng)起到了重要的作用。隨著虛擬仿真實驗教學平臺的普及，其建設(shè)水平、教學應用質(zhì)量、共享效率成了關(guān)注重點，但相關(guān)的進一步研究較少。本文從虛仿平臺的設(shè)計入手，探索了如何構(gòu)建教學資源豐富、開放共享順暢、互動評價便捷的虛擬仿真實驗教學平臺的路徑，并展示了在平臺運行與管理過程中不斷擴大輻射范圍、發(fā)展面向未來的實驗教學體系的成效，有力地促進了高校育人質(zhì)量的提升。

1 建設(shè)背景與現(xiàn)狀

1.1 建設(shè)背景

隨著虛擬現(xiàn)實等移動計算技術(shù)的發(fā)展，我國的在線教育呈現(xiàn)出了前所未有的蓬勃發(fā)展趨勢，高校的實驗教學理念也有了一定的轉(zhuǎn)變。2013年，教育部正式啟動對國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設(shè)［1］，引起了國內(nèi)高校的積極響應。僅2013 ～2015年間，300 個國家級虛擬仿真實驗教學中心獲批［2］，有效地提升了現(xiàn)代實驗教學效率，為實驗教學信息化建設(shè)奠定了一定的基礎(chǔ)，突破了傳統(tǒng)實驗教學中的空間限制［3］。

為進一步推進教育現(xiàn)代化以及高質(zhì)量教育體系建設(shè)，教育部確立了教育數(shù)字化戰(zhàn)略，堅持以問題為導向、以目標為導向、以效果為導向，推進虛擬仿真技術(shù)與實驗教學的深度融合，落實高等教育的數(shù)字化，全面提升高等院校教學質(zhì)量。教育部2020年認定虛擬仿真實驗教學一流課程728 門，其中東部地區(qū)高校虛擬仿真實驗教學一流課程數(shù)量及占比最高，分別為426門及58.65%。我校自2017年以來，大力開展虛擬仿真實驗教學項目的建設(shè)，共獲得9 門國家級虛擬仿真實驗教學一流課程的認定，位居廣東省第一。

1.2 建設(shè)必要性

在此背景下，高校逐漸重視虛擬仿真實驗教學平臺的開發(fā)、建設(shè)，依托先進的VR 虛擬現(xiàn)實、分布式存儲技術(shù)，以寬帶網(wǎng)絡(luò)平臺為基礎(chǔ)，讓學生體驗互動性好、浸入感強的實驗教學，彌補傳統(tǒng)教學的不足。

1.2.1 滿足教學需求，克服硬件裝備限制

部分高校因?qū)嶒炘O(shè)備價格昂貴、實驗動物缺少或者試劑耗材價格相對較高等原因，無法保證實驗教學項目足量開出。虛擬仿真實驗教學平臺的建設(shè)可以充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用優(yōu)勢，真實地還原出實驗的場景與設(shè)備，學生能夠在仿真的場景中開展實驗，模擬真實的實驗過程，得到實訓機會［4］。既彌補了實驗教學儀器的不足，又滿足了學生充分實驗的需求，達成資源共享與教學互動的目的。

1.2.2 豐富教學內(nèi)容，突破時空限制

虛擬仿真技術(shù)能夠?qū)Σ糠治ｋU的場景或是在現(xiàn)實環(huán)境中無法實現(xiàn)的實驗進行仿真，例如微生物培養(yǎng)試驗、有害物質(zhì)實驗等，這些實驗項目具備一定危險性，通過虛擬仿真手段，在確保學生安全的同時，豐富了實驗教學內(nèi)容。如醫(yī)學專業(yè)的穿刺、插管等臨床技能的實際操作，學生較少機會在患者身上實踐操作，而借助虛擬仿真實驗教學，通過對場景、對象的高度仿真模擬，學生能夠更好地理解并掌握相關(guān)知識。

虛仿平臺打破傳統(tǒng)實驗教學在時空上的限制，使學生能夠隨時隨地開展自主實驗，在相對較短的時間內(nèi)呈現(xiàn)出實驗室較長時間才能觀察到的一些變化。如微生物的培養(yǎng)鑒定、病毒的培養(yǎng)過程等。尤其是對于某些細微、難以被觀測到的變化而言，虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)多層次、多維度的實驗成果展示。

1.2.3 激發(fā)求知欲，提高實踐創(chuàng)新能力

虛擬仿真實驗教學平臺為學生提供全天候的實驗環(huán)境，隨時根據(jù)自身的需求來開展實驗，選擇靈活性有所加強，學生從以往被動的按照手冊操作實驗過渡到更加積極主動的學習模式，求知欲被激發(fā)，實驗的主動性與積極性有所提高［5］。同時，虛擬仿真實驗平臺提供更加立體化的教學資源與多樣的實驗情境，將抽象轉(zhuǎn)化為具象，將復雜問題變得簡單。以醫(yī)學虛擬仿真實驗平臺的應用，使人的機體結(jié)構(gòu)、機能、病理現(xiàn)象以及整個實驗的過程都變得更加逼真生動。通過人機交互，學生對于知識的內(nèi)化與遷移有所加強，學生的思維能力得到鍛煉，這種仿真的實驗訓練與拓展練習，有助于學生綜合能力提升，支持學生在傳統(tǒng)技術(shù)手段的基礎(chǔ)上作出創(chuàng)新。

1.3 現(xiàn)狀與問題

隨著高校招生規(guī)模不斷擴大，給有限的實驗教學資源帶來很大壓力，虛擬仿真實驗教學課程在全國范圍內(nèi)獲得了較為廣泛的應用。為了充分發(fā)揮線上實驗資源的使用效能，各高校開始致力于打造集虛擬仿真教學資源管理與應用于一體的實驗平臺，使虛實結(jié)合的實驗教學體系更加流程化、規(guī)范化、立體化。中國石油大學、吉林大學、華東理工大學等多個高校已建立虛擬仿真實驗教學平臺，均實現(xiàn)師生免費開放共享，保障了高校在疫情期間的在線實驗教學，實現(xiàn)“停課不停教、停課不停學”［6］。西南大學于2020年4月建設(shè)了“虛擬仿真實驗管理平臺”一期工程，完成了虛擬仿真實驗管理及資源統(tǒng)一接口標準制定。但目前該校尚缺乏有效的開放共享機制，導致虛擬仿真實驗教學建設(shè)存在兼容性差、共享率低等問題［7］。

隨著虛擬仿真實驗教學在高校的推廣與發(fā)展，其管理也面臨著一定的問題。高校內(nèi)各學科的虛仿真項目建設(shè)進度不同，質(zhì)量標準各異，學校難以掌握各學院虛擬仿真實驗教學的開展情況，數(shù)據(jù)統(tǒng)計困難，校級管理中存在一定的混亂現(xiàn)象［8］；各學院的虛仿項目僅面向本學院使用，開放度不夠、安全性較差，學校其他單位或兄弟高校的教學需求難以得到滿足，無法充分發(fā)揮共享效益；虛擬仿真實驗的教學應用缺乏規(guī)范的操作流程，沒有建立實驗數(shù)據(jù)分析與評價機制，難以評估教學應用效果，不便于教師開展教學管理［9］。

2 虛擬仿真實驗教學平臺的設(shè)計與建設(shè)

2.1 設(shè)計思想

為提高實驗教學質(zhì)量、提升數(shù)字化應用水平，學校開啟了虛擬仿真實驗教學平臺建設(shè)。在全校實現(xiàn)虛擬仿真實驗課程及實驗中心統(tǒng)一管理，獲取實驗項目的訪問頻率、虛擬實驗數(shù)量、實驗項目通過概率、實驗的平均用時時長、平臺的用戶數(shù)量、實驗項目的熱度排行等信息。學院通過平臺能夠掌握學院內(nèi)的虛擬仿真實驗課程的開設(shè)及選課情況，其中包括學生的平臺使用頻率與時間、各班的實驗成績、虛仿實驗項目的熱度以及本學院用戶的數(shù)量等信息，實現(xiàn)了學院內(nèi)虛擬仿真實驗項目的統(tǒng)一管理。在教師管理層面，教師能夠更加精準便捷地對虛仿項目狀態(tài)進行把控，查看所上傳項目的各項成績、實驗項目使用情況統(tǒng)計、對實驗項目進行智能批閱并能夠自動統(tǒng)計實驗中的錯誤，分析了解學生知識掌握的薄弱點。

平臺圍繞三個核心，設(shè)計了校級虛擬仿真實驗教學共享平臺框架（見圖1）。

圖1 校級虛擬仿真教學平臺管理架構(gòu)

（1）全鏈條。實現(xiàn)“中心-課程-資源-教學過程”全鏈條管理；制定統(tǒng)一的標準和管理模式，跟蹤、監(jiān)測各虛擬仿真實驗室的建設(shè)進度和運行情況；對中心實施宏觀管理。

（2）數(shù)字化。教學平臺支持微課、動畫、視頻、PPT、電子文檔、虛擬仿真軟件等所有數(shù)字化教學資源，與實物裝備一起構(gòu)成完整的教學生態(tài)，綜合運用各種教學資源，支撐虛實一體化智慧教學。

（3）智分析。制定實驗項目配套的考核評價體系和考核措施，建立實驗考核數(shù)據(jù)分析及評價模型。可智能統(tǒng)計分析教學相關(guān)數(shù)據(jù)，生成相關(guān)統(tǒng)計報告，實現(xiàn)真正的數(shù)字化管理。

同時，積極推進校級平臺與教育部“實驗空間——虛擬仿真實驗教學項目共享平臺”（https：／ ／www.ilab-x. com／list）的技術(shù)對接，實現(xiàn)“校-省-國家”三級聯(lián)動，改進虛擬仿真實驗教學項目的統(tǒng)籌管理、資源共享、推廣應用的多維度支撐體系。

2.2 功能實現(xiàn)

基于數(shù)字化的虛擬仿真實驗教學平臺，以學校為中心建立集中管理的統(tǒng)一入口，實現(xiàn)各學院實驗項目的分布托管，解決學校層面的實驗共享管理問題。實現(xiàn)在線實驗管理與運行，具備網(wǎng)站管理、權(quán)限管理、實驗管理、課程管理、用戶管理、成績管理等功能（見圖2）。設(shè)置實驗項目配套的考核評價體系和考核措施，建立實驗考核數(shù)據(jù)分析及評價模型，監(jiān)測學生的實驗學習效果。

圖2 虛擬仿真教學平臺功能架構(gòu)

2.2.1 平臺門戶網(wǎng)站

門戶網(wǎng)站設(shè)計符合學生審美需求，布局合理，首頁具備輪播圖、平臺簡介等，對外展示平臺最新官方信息，如國家級項目展示（綜合熱度、互動頻率和時間等指標）、熱點項目推薦（綜合熱度等指標，對外推薦校級項目），提供專家展示、特色介紹（對學校特色項目或特色教學進行介紹）、專題活動、通知公告、新聞資訊、共享排行、個人中心等模塊。

2.2.2 完善虛擬仿真實驗中心建設(shè)

虛擬仿真實驗中心對實驗項目的各項數(shù)據(jù)進行展示，添加詳細的實驗項目內(nèi)容說明，幫助學生更加了解該實驗建立的背景與目的。主要功能包括關(guān)于實驗項目的視頻簡介、實驗項目引導視頻、對實驗項目的詳細介紹、團隊描述、技術(shù)架構(gòu)、項目評價、項目統(tǒng)計等。虛擬仿真實驗中心對于實驗項目的描述較為詳細，學生或用戶通過相關(guān)描述展示能夠快速判斷該項目是否為自己所需要的內(nèi)容，進而保證實驗項目管理所得到的相關(guān)數(shù)據(jù)與分析更加準確。

虛擬仿真實驗中心還對外展示了共享排行指標，其中包含的維度指標有人氣、共享、互動指標。這些指標反映了該項目的受歡迎程度，對于教師后續(xù)的其他虛擬仿真實驗項目開發(fā)，具有重要的參考意義。而專業(yè)知識、虛擬仿真實驗和用戶體驗3 個方面的反饋能夠真實評估虛擬仿真實驗教學項目的建設(shè)質(zhì)量。

2.2.3 數(shù)據(jù)的可視化與統(tǒng)計分析

在校級與院級層面，虛擬仿真實驗教學平臺做到了對實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，能夠直觀展示出虛仿項目的使用情況、項目排名情況、參與項目的通過率以及在線使用人數(shù)等信息。對項目相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析，能夠更加直觀地反映出實驗教學的效果，為決策者提供更多的數(shù)據(jù)支撐。虛擬仿真實驗教學管理平臺面向老師開放了實驗項目的訪問頻率、數(shù)量以及通過率，學生實際所用的時長、用戶參與數(shù)、平臺實驗項目熱度等各項實驗的使用數(shù)據(jù)，簡化教師的實驗項目管理流程，并為教師的教學管理及評價提供參考。

2.2.4 虛擬仿真實驗項目全流程建設(shè)與追蹤

教師在進行項目申報時，可以對項目的申報狀態(tài)進行查詢管理。實現(xiàn)對項目進度的實時關(guān)注，設(shè)置項目的匯報節(jié)點，當項目申報狀態(tài)有更新時，自動通知教師，對項目的鏈接及進度進行匯報。教師在項目申報過程中，可對所提交的資料進行管理。實驗項目的專家評審過程中，專家可對教師提交的項目進行審核，根據(jù)項目的完善程度，決定是否通過該項申請。

對于已上線的實驗項目，教師可以查詢所有用戶的實際實驗情況。管理實驗項目評論，對用戶所發(fā)出的評論進行審核。教師可以設(shè)置多種類型的課程教學內(nèi)容。如平臺有版本更新，可直接在項目管理處進行更新。此外，項目管理還包含基礎(chǔ)信息、資料管理、實驗報告、對接配置功能。

2.2.5 虛擬仿真實驗課程管理

在課件管理上，對于教學所需要的多種類型內(nèi)容進行設(shè)置，能夠支持實驗、視頻等多種類型的內(nèi)容結(jié)合；對該課程的數(shù)據(jù)進行實時的統(tǒng)計，查詢課程趨勢，了解課程各部分內(nèi)容的學習人數(shù)與得分情況；在實驗課程的批閱環(huán)節(jié)，教師可以對學生所提交的作業(yè)及測試結(jié)果進行在線批閱，查看學生的答題記錄情況；實現(xiàn)對學生學習的成績管理，教師可查看學生在各環(huán)節(jié)的得分情況，綜合學生的具體表現(xiàn)，對分數(shù)進行有效的修改；對班級的學生進行管理，將學生添加至指定的班級，同時還能夠?qū)虒W團隊的成員進行管理，添加助教對課程進行協(xié)助管理；教師能夠管理習題庫，擁有在線導入、導出以及添加的權(quán)限。

2.3 網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)

虛擬仿真實驗教學平臺主要由Web應用服務器、數(shù)據(jù)服務器、交換機、防火墻、堡壘機、操作系統(tǒng)等組成，部署在數(shù)據(jù)中心機房內(nèi)，屬B／S 模式應用系統(tǒng)，具有系統(tǒng)的基本要素，它的系統(tǒng)邊界是網(wǎng)絡(luò)邊界，邊界設(shè)備是防火墻。網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如下（見圖3）。平臺目前已經(jīng)通過信息系統(tǒng)安全等級保護第2 級測試。

圖3 虛擬仿真實驗教學管理平臺網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

2.4 運行管理體系

為了保障虛擬仿真實驗教學平臺的持續(xù)運行與良性發(fā)展，從經(jīng)費、制度、人員等多個角度為平臺提供支持，建立完備的激勵機制［10］。高質(zhì)量的虛擬仿真實驗教學平臺搭建和后續(xù)的運營管理服務都需要足夠的經(jīng)費和人力投入，設(shè)立優(yōu)秀項目評選制度，獎勵優(yōu)秀的管理人員、教學人員。在師資力量建設(shè)方面，高校根據(jù)各專業(yè)的虛擬仿真實驗教學資源數(shù)量，多渠道挖掘師資隊伍，向相關(guān)教師提供系統(tǒng)性、針對性地指導［11］，提高教師開展虛擬仿真實驗教學的能力，鼓勵教師將新的科研成果轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實驗教學內(nèi)容，以此形成專業(yè)布局合理、教學效果優(yōu)良、開放共享高效的實驗教學運行管理體系［12］。

3 虛擬仿真實驗教學平臺的建設(shè)成效

3.1 建設(shè)成果

學校虛擬仿真實驗教學平臺（網(wǎng)址：https：／ ／xnfz.jnu.edu.cn／）于2022年3月25日正式上線，涵蓋臨床醫(yī)學、新聞傳播、計算機、生物科學、中醫(yī)、藥學、經(jīng)濟管理等共計29 個專業(yè)類別，并根據(jù)教學需求持續(xù)增加。目前已上線35 門虛擬仿真實驗課程供學生免費使用。

截至2022年11月30日，學校虛擬仿真實驗教學校級管理平臺實驗訪問人數(shù)為383 068 人次（見圖4）。本校師生對虛擬仿真實驗有極大興趣，虛擬仿真實驗教學平臺學生活躍人數(shù)為6 867 人，教師活躍人數(shù)達150 余人。資源優(yōu)化、功能集約、開放高效的教學平臺，為學生的自主學習、自主實驗和創(chuàng)新活動創(chuàng)造了條件，有效補充了實驗教學資源，促進了學生學習興趣和實驗操作技能的提升。其中，教輔答疑、實驗模擬兩個系列是學生使用率較高的教學配套服務，多數(shù)學生表示這些實驗教學項目的開放使用對他們的實驗大有裨益，具有良好的用戶體驗感。

圖4 虛擬仿真教學平臺實驗數(shù)據(jù)

3.2 運營實效

3.2.1 提高虛擬仿真實驗教學效率

從學校層面來說，管理平臺的建設(shè)有效盤活校內(nèi)的虛擬仿真實驗項目資源，完善了虛擬仿真實驗項目的線上管理與運營，實現(xiàn)對項目動態(tài)的實時監(jiān)控，以此為基礎(chǔ)，不斷進行改進和優(yōu)化。從學院層面來說，管理平臺的應用有效改善了虛擬仿真資源管理的現(xiàn)狀，高效完成集約式管理；從教師層面來說，管理平臺提高了教學應用的效率，避免了實驗項目的重復開發(fā)，節(jié)約了時間與精力，并根據(jù)學生的學習記錄來及時調(diào)整教學中出現(xiàn)的問題。從學生層面來說，管理平臺對校內(nèi)虛擬仿真實驗教學的資源進行整合，實現(xiàn)了項目共享，豐富了學生的虛仿實驗學習內(nèi)容。虛擬仿真實驗能夠營造出真實的實驗環(huán)境，讓學生在情境式教學中深入學習和探索［13］。

3.2.2 顛覆傳統(tǒng)的教與學理念

虛擬仿真實驗教學平臺借助交互式的手段，實現(xiàn)實時教學互動，學生在學習活動中的主體地位得到尊重，使學校實驗教學更加適應時代背景，顛覆傳統(tǒng)的滿堂灌式教學方式，激發(fā)了學生學習熱情［14］。同時，平臺給予學生的選擇機會較多，實現(xiàn)了差異化教學，學生的自我情感與個性差異得到了保護與發(fā)展。虛擬仿真實驗教學平臺采用了大量的虛擬模型建構(gòu)技術(shù)，很多項目內(nèi)容能夠以生動的形式展現(xiàn)，在音頻、視頻等技術(shù)手段的加持下，為知識吸收、實驗操作等提供了高階趣味性，學生更容易沉浸到學習過程中，幫助學生獲得更加真實的學習效果［15］。教師在利用平臺資源進行教學的過程中，要多重視對學生實驗操作、團隊協(xié)作、綜合創(chuàng)新等方面的技能培訓，多維度提升學生的學習能力和創(chuàng)新能力。

3.2.3 形成虛實結(jié)合的實驗教學范式

基于數(shù)字化的虛擬仿真實驗教學平臺，充分發(fā)揮線上學習資源的作用，有助于教學工作打破時空限制，應用線上線下相結(jié)合的教學手段，使高校實驗教學更加高效便捷、形式多樣，形成教學的新思路與新范式。線上資源與線下資源的結(jié)合，打破了以往傳統(tǒng)的資源獲取模式，實現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)資源共享，教師在課堂教學中融入更多的國際前沿學術(shù)發(fā)展、最新的專業(yè)研究成果與實踐經(jīng)驗［16］。

3.3 開放共享

目前虛擬仿真實驗教學平臺支撐了校內(nèi)29 個學科的數(shù)字實驗資源向全校師生的開放共享服務，也為中山大學等少數(shù)兄弟高校的定向開放服務。下一步將繼續(xù)做好平臺宣傳推廣、功能升級、技術(shù)支持等配套建設(shè)，提升平臺的受眾覆蓋率和服務質(zhì)量。加強不同校際的資源共享，既促進了教育公平、普及優(yōu)質(zhì)教學資源、提升教學質(zhì)量，還能夠營造開放、自由的學術(shù)共享氛圍。定期加強校際交流，以學科類別劃分教師組別，建立高校協(xié)同機制，共同商討學科虛擬仿真實驗教學內(nèi)容，形成輻射性的影響。同時結(jié)合校內(nèi)的虛擬仿真教學資源進行優(yōu)化，構(gòu)建跨越式的學科共享平臺，提升校內(nèi)虛擬仿真實驗教學資源的高效利用，實現(xiàn)不同專業(yè)方向之間的跨越共享。

4 結(jié)語

虛擬仿真實驗教學在現(xiàn)代教學中起著越來越重要的作用，在校級層面建設(shè)基于數(shù)字化的實驗教學平臺，能夠滿足多種形式的虛擬仿真實驗教學，更好地服務于高校的立德樹人工作。當前平臺建設(shè)取得了一定的成效，但在資源共享、數(shù)據(jù)運用方面存在著較多不足，受到技術(shù)、資金、人員等各類因素的限制，更多的高校僅以校內(nèi)共享為主要模式，今后應逐步擴大共享范圍。此外，在虛擬仿真實驗教學平臺運行期間，有針對性地對平臺功能進行升級和改進，以高效的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)支持教學決策與管理。同時，在高校實施教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動的大背景下，提高軟件應用和信息系統(tǒng)的安全性和數(shù)字化的內(nèi)容與質(zhì)量，進一步整合資源，發(fā)揮教學平臺的優(yōu)勢，提高人才培養(yǎng)水平。