高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革策略探索

［摘 要］ 近年來，在新工科和新時(shí)代高等教育內(nèi)涵式發(fā)展驅(qū)動(dòng)下，高校積極開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究，虛擬仿真立項(xiàng)數(shù)量急劇增加，是一個(gè)熱點(diǎn)研究方向。對(duì)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)還存在認(rèn)識(shí)不足、硬件條件建設(shè)配套不完善和考評(píng)機(jī)制不合理等問題，從源頭做起，緊跟技術(shù)發(fā)展，深入研究虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)涵，按階段分節(jié)點(diǎn)做好規(guī)劃，重構(gòu)實(shí)踐教學(xué)體系，加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)研究，并從基礎(chǔ)硬件、建設(shè)過程和開放運(yùn)維以及考評(píng)體系建設(shè)來調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性等方面提出了改革方向和措施。

［關(guān)鍵詞］ 虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；改革；新工科；高等教育

［基金項(xiàng)目］ 2019年度中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究項(xiàng)目“校級(jí)開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)體系研究”（SJ-201921）；2023年度中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究項(xiàng)目“基于深度學(xué)習(xí)及嵌入式系統(tǒng)的目標(biāo)識(shí)別實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)研制”（SJ-202310）；2022年度中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）教學(xué)改革研究項(xiàng)目“基于大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的教學(xué)信息管理及人才培養(yǎng)質(zhì)量評(píng)估平臺(tái)”（2022168）

［作者簡(jiǎn)介］ 彭建怡（1983—），男，湖北麻城人，碩士，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）計(jì)算機(jī)學(xué)院工程師，主要從事人工智能和計(jì)算機(jī)科學(xué)研究；張 敏（1980—），女，湖北武漢人，碩士，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處工程師，主要從事仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)管理研究；吳湘寧（1972—），男，湖南常寧人，博士，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）計(jì)算機(jī)學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師（通信作者），主要從事數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2024）27-0057-04 ［收稿日期］ 2023-09-15

“中國(guó)制造2025”背景下的新工科構(gòu)建，高校教育更多要從經(jīng)驗(yàn)分享走向?qū)嵅賹?shí)訓(xùn)，這對(duì)于高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了更高要求［1-2］。但由于技術(shù)迭代迅速、教學(xué)條件不足等原因，高校實(shí)踐教學(xué)與社會(huì)需求存在一定差異［1-3］。在此背景下，虛擬仿真在高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革立項(xiàng)急劇增加，應(yīng)用也日益增多，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存［3-4］。為了虛擬仿真更好地用于高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際，本文先對(duì)高校虛擬仿真教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，找出教學(xué)中存在的問題，并有針對(duì)性地提出教學(xué)改革方案，為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和教學(xué)條件建設(shè)提供參考。

一、高校虛擬仿真教學(xué)現(xiàn)狀分析

隨著高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革不斷發(fā)展，近年來，國(guó)內(nèi)外許多高校成立虛擬實(shí)驗(yàn)室，綜合運(yùn)用3D、AR、VR等技術(shù)，開發(fā)了多種仿真教學(xué)平臺(tái)，用以開展實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、課程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)等實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)成本、交互性和安全性等方面做了有力補(bǔ)充［3］，極大豐富了教學(xué)應(yīng)用模式和應(yīng)用場(chǎng)景，但也存在不少問題，現(xiàn)從以下幾個(gè)方面概述。

（一）虛擬仿真教學(xué)內(nèi)涵認(rèn)識(shí)不足

虛擬仿真是一個(gè)較為前沿的技術(shù)，目前還在不斷發(fā)展過程中。高校對(duì)虛擬仿真教學(xué)也存在認(rèn)識(shí)不足的現(xiàn)象，并且與真實(shí)實(shí)驗(yàn)關(guān)系理解不透徹［3-4］。如有人認(rèn)為實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課就要實(shí)打?qū)嵣希@并沒有錯(cuò)，但現(xiàn)實(shí)是開展虛擬仿真教學(xué)是因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)條件不能滿足教學(xué)需求，或直接實(shí)踐教學(xué)具有一定危險(xiǎn)性，比如駕駛實(shí)訓(xùn)，需要一個(gè)虛擬仿真教學(xué)的過渡階段。當(dāng)然還有人“樂觀”地認(rèn)為以后實(shí)驗(yàn)教學(xué)可全部轉(zhuǎn)為虛擬仿真教學(xué)，但實(shí)際上虛擬仿真并不能完全替代真實(shí)實(shí)訓(xùn)，特別是一些對(duì)實(shí)際動(dòng)手要求較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)課程，如金工實(shí)習(xí)、手術(shù)等。這個(gè)情況在疫情防控期間實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到多次驗(yàn)證，較多的線上教學(xué)課程，學(xué)生在返校后都進(jìn)行了一定學(xué)時(shí)的線下教學(xué)“補(bǔ)救”。

（二）虛擬仿真硬件條件建設(shè)配套不完善

近年來，很多學(xué)校開發(fā)了虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)和相關(guān)課程，但由于虛擬仿真須要運(yùn)行3D、VR等技術(shù)，對(duì)于底層服務(wù)器硬件要求較高，現(xiàn)有支持硬件平臺(tái)不太能夠滿足大量并發(fā)訪問，由于校外網(wǎng)絡(luò)的帶寬問題，進(jìn)一步影響了這些虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)效果和推廣。同時(shí)，在現(xiàn)有體制教研團(tuán)隊(duì)立項(xiàng)虛擬仿真課程后，底層硬件支持主要由教研團(tuán)隊(duì)自行解決，并且評(píng)上“一流課程”等榮譽(yù)后，后續(xù)持續(xù)開發(fā)和維護(hù)動(dòng)力不足。

（三）考評(píng)機(jī)制不合理

考評(píng)機(jī)制不合理主要分為兩個(gè)層級(jí)，虛擬仿真教學(xué)學(xué)生考核認(rèn)定和授課教師工作評(píng)估，這些暫時(shí)還沒有一個(gè)較為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于學(xué)生來說，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不一定能體現(xiàn)到學(xué)業(yè)課程成績(jī)里；對(duì)于教師來說，指導(dǎo)學(xué)生參與的虛擬仿真教學(xué)，特別是校外網(wǎng)絡(luò)上的虛擬仿真教學(xué)是課時(shí)之外的教學(xué)，不一定能被認(rèn)定為教學(xué)學(xué)時(shí)。以結(jié)果為導(dǎo)向的考評(píng)體系，嚴(yán)重制約了授課教師和學(xué)生參與虛擬仿真教學(xué)的積極性。

二、高校虛擬仿真教學(xué)改革內(nèi)容與措施

（一）加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵研究，厘清虛擬仿真與真實(shí)實(shí)驗(yàn)之間關(guān)系

虛擬仿真與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的關(guān)系問題如前面所述，存在兩種觀點(diǎn)：一種是虛擬仿真可以大規(guī)模替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)；另一種是虛擬仿真在教學(xué)中無法取代真實(shí)實(shí)驗(yàn)的地位，甚至認(rèn)為完全沒有必要。

這些認(rèn)識(shí)都有所偏頗，為了推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革創(chuàng)新，須要厘清虛擬仿真與真實(shí)實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)系，緊跟技術(shù)發(fā)展，深入研究虛擬仿真教學(xué)內(nèi)涵，剖析其與真實(shí)實(shí)驗(yàn)關(guān)系。針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排，現(xiàn)在基本上達(dá)成一個(gè)共識(shí)就是實(shí)驗(yàn)課程安排要遵循“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的原則，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)盡管有很多優(yōu)點(diǎn)，但也只能處于補(bǔ)充和輔助教學(xué)的地位［3］，并且不同學(xué)科應(yīng)采取不同使用比例［4］，但這個(gè)比例如何界定，須要進(jìn)一步研究。

（二）重構(gòu)高校實(shí)踐教學(xué)體系

進(jìn)入21世紀(jì)，科技發(fā)展迅速，日新月異，對(duì)于高校教育來說，人才需求、教學(xué)條件、教學(xué)手段也在不斷更新，這些因素不斷推進(jìn)高校專業(yè)和課程教育改革。教育部公布了黨的十八大以來，共有265種新專業(yè)納入本科專業(yè)目錄，新增本科專業(yè)布點(diǎn)1.7萬個(gè)，撤銷或停招1萬個(gè)［5］。同時(shí)普通高校一般按照四年一個(gè)周期的節(jié)奏進(jìn)行人才培養(yǎng)方案的調(diào)整，實(shí)踐教學(xué)體系和課程目標(biāo)跟隨人才培養(yǎng)方案一起調(diào)整。實(shí)踐課程教學(xué)組織則可以根據(jù)教學(xué)實(shí)際和年度進(jìn)行調(diào)整。

因此，針對(duì)實(shí)踐教學(xué)體系改革，可以從以下幾個(gè)維度進(jìn)行：（1）在專業(yè)人才培養(yǎng)方案制訂修訂階段，根據(jù)行業(yè)發(fā)展和人才需求，修訂專業(yè)課程和實(shí)踐課程體系，基本上可以四年左右進(jìn)行一次調(diào)整；（2）專業(yè)課程教學(xué)組織調(diào)整，調(diào)整真實(shí)實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真教學(xué)比重關(guān)系，可以每一學(xué)年調(diào)整一次；（3）新增專業(yè)選修課程，根據(jù)技術(shù)發(fā)展和社會(huì)需要，按照一定比例新增專業(yè)選修課程；（4）在課程體系調(diào)整過程中，須要同步核定課程考核體系，分清實(shí)際和虛擬關(guān)系比重，才能有效促進(jìn)虛擬仿真教學(xué)改革。

（三）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程建設(shè)研究

虛擬仿真作為真實(shí)實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充，越來越得到認(rèn)可。但虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為什么建，應(yīng)該怎么建，建設(shè)效果如何檢驗(yàn)，不同學(xué)科建設(shè)與檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)有一定差異，這些問題須要更加深入研究［4，6］。

當(dāng)前存在的問題包括：（1）對(duì)于教育部文件理解不一致，如“條件不具備”“實(shí)際運(yùn)行困難”“高危、高成本、高消耗、不可逆、大型綜合”等這些概念怎么衡量。（2）選題不準(zhǔn)確，沒有從虛擬仿真的技術(shù)特點(diǎn)和價(jià)值角度進(jìn)行選題，簡(jiǎn)單地將常規(guī)、直觀實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬仿真，造成了資源浪費(fèi)。（3）盲目追求大型實(shí)驗(yàn)，大型實(shí)驗(yàn)的虛擬化被追捧，基礎(chǔ)和小型實(shí)驗(yàn)不受重視。

因此，應(yīng)該認(rèn)真分析和調(diào)研學(xué)科研究與發(fā)展成果，確認(rèn)在某些學(xué)科實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中設(shè)立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的可行性。防止出現(xiàn)前期學(xué)科研究與發(fā)展成果調(diào)研不足，導(dǎo)致后期進(jìn)入實(shí)際項(xiàng)目設(shè)立建設(shè)階段后，發(fā)現(xiàn)建設(shè)一個(gè)這樣的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的成本與實(shí)際意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有建設(shè)一個(gè)現(xiàn)實(shí)的項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)室來得更有價(jià)值，因而導(dǎo)致本末倒置。這就要求我們充分認(rèn)識(shí)與分析設(shè)立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目在不同學(xué)科實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用的價(jià)值與實(shí)際意義，認(rèn)識(shí)到并不是所有的學(xué)科都適用于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目實(shí)踐。

2020年，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新聯(lián)盟技術(shù)工作委員會(huì)發(fā)布的《虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程建設(shè)與共享應(yīng)用規(guī)范（試用版·2020）》從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則、仿真模型設(shè)計(jì)與場(chǎng)景呈現(xiàn)要求、實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析、實(shí)驗(yàn)考核與實(shí)驗(yàn)報(bào)告設(shè)計(jì)、教學(xué)支持與服務(wù)要求、共享應(yīng)用與用戶體驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)安全與知識(shí)產(chǎn)權(quán)、研發(fā)技術(shù)規(guī)范等內(nèi)容進(jìn)行概要說明［7］。這給虛擬仿真教學(xué)課程建設(shè)的共性問題提供了指導(dǎo)，試用規(guī)范發(fā)布以來，國(guó)內(nèi)多所高校將規(guī)范作為新建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程立項(xiàng)的參考依據(jù)。

（四）加強(qiáng)支持平臺(tái)建設(shè)，健全開放與運(yùn)維管理團(tuán)隊(duì)

截至2023年9月，國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)上共享了國(guó)家級(jí)一流課程1 194門，省級(jí)一流課程1 298門，分為公共課（121）、專業(yè)基礎(chǔ)課（1 438）、專業(yè)核心課（1 805）等。這些課程建設(shè)高校提供接口，支持遠(yuǎn)程調(diào)用仿真資源，在線提供基礎(chǔ)練習(xí)、綜合設(shè)計(jì)和研究探索等實(shí)驗(yàn)，大大促進(jìn)了虛擬仿真課程普及。但是隨著虛擬仿真教學(xué)熱度高漲，截至2022年5月31日，全國(guó)共有高等學(xué)校3 013所，以平均每個(gè)學(xué)校每年建設(shè)2門課程計(jì)算，近5年預(yù)計(jì)建設(shè)了虛擬仿真課程3萬門以上，但研發(fā)出的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)大都僅供本校部分專業(yè)教學(xué)使用［8-10］，難以實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)共享，原因在于受技術(shù)要求，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)必須依托高性能服務(wù)器資源和開放的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。當(dāng)前也出現(xiàn)了個(gè)別高校“為評(píng)而建”的現(xiàn)象，申報(bào)時(shí)做了大量工作，成果非常突出。但申報(bào)或建設(shè)成功后，一些虛擬中心卻陷入了“僵尸”狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所關(guān)閉，實(shí)驗(yàn)設(shè)備閑置，達(dá)不到應(yīng)有的效果。

因此，為做好虛擬仿真課程開放與運(yùn)維，需從以下三個(gè)方面著手：（1）課程建設(shè)管理單位提供高性能服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)資源，打造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)“生長(zhǎng)土壤”。（2）在課程建設(shè)階段，課程建設(shè)組須要充分考慮開放共享，做好頂層設(shè)計(jì)，保證虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的順利開展，鼓勵(lì)學(xué)科專家、教師、學(xué)生、軟件設(shè)計(jì)工程師共同參與，采用科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐。（3）建立健全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目運(yùn)維團(tuán)隊(duì)，在可能的有限范圍內(nèi)建立起穩(wěn)定、高效、協(xié)同程度高的研發(fā)運(yùn)維團(tuán)隊(duì)。

（五）加強(qiáng)考評(píng)體系建設(shè)，調(diào)動(dòng)教師和學(xué)生積極性

考評(píng)體系建設(shè)分為兩個(gè)維度，一是學(xué)生虛擬仿真實(shí)驗(yàn)考評(píng)。盡管虛擬仿真所創(chuàng)建的三維畫面使知識(shí)點(diǎn)更加形象化、生動(dòng)化，更易于理解，并且沉浸式的操作體驗(yàn)可以使學(xué)生更好地掌握相關(guān)知識(shí)和技能。但線上考核的天然弊端會(huì)一定程度地影響考核公平和客觀性［10-11］。因此，須要加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)考核評(píng)價(jià)方式研究，設(shè)計(jì)有一定區(qū)分度的考核方案，考核結(jié)果要能真正反映知識(shí)和技能掌握程度。二是教師參與虛擬仿真實(shí)踐課程建設(shè)與教學(xué)的考評(píng)。當(dāng)前虛擬仿真課程建設(shè)須要花費(fèi)大量精力和物力去實(shí)施，如果沒有很好的政策支持，專業(yè)教師很難花大力氣參與建設(shè)。建成后，由于開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有可能是學(xué)生課下進(jìn)行，這部分任務(wù)是否能計(jì)入授課教師工作量，也是需要考評(píng)政策研究改革的地方。

總之，教師和學(xué)生是虛擬仿真教學(xué)的兩極，唯有調(diào)動(dòng)雙方積極性，才能促進(jìn)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)順利實(shí)施。

結(jié)語

在新工科和新時(shí)代高等教育內(nèi)涵式發(fā)展背景下，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是高等教育信息化的重要內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分，是解決高校實(shí)踐教育中痛點(diǎn)的重要途徑之一。為促進(jìn)虛擬仿真在實(shí)踐教學(xué)中發(fā)揮更大作用，須要深刻認(rèn)識(shí)虛擬仿真教學(xué)內(nèi)涵，在重構(gòu)實(shí)踐教學(xué)體系、課程建設(shè)、硬件支持平臺(tái)和運(yùn)維團(tuán)隊(duì)建設(shè)的關(guān)鍵階段花大力氣促進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)和改革，并進(jìn)一步從制度著手，加強(qiáng)考評(píng)體系建設(shè)，調(diào)動(dòng)教師和學(xué)生積極性。

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［11］李晨光，李嬌嬌，倪春林.農(nóng)業(yè)院校虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐［J］.中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2023（1）：156-159.

Exploration of Reform Strategies for Virtual Simulation Experiment Teaching in Universities

PENG Jian-yia， ZHANG Minb， HUANG Yan-xiaa， WU Xiang-ninga

（a. School of Computer Science， b. Office of Laboratory and Equipment Management， China University of Geosciences （Wuhan）， Wuhan， Hubei 430074， China）

Abstract： In recent years， driven by the “new engineering” and the new era of connotative development of higher education， colleges and universities are actively carrying out research on experimental teaching reform， and the number of virtual simulation projects has increased dramatically， which is a hot research direction. However， there are still problems such as insufficient understanding of virtual simulation experimental teaching， imperfect supporting hardware conditions， and unreasonable evaluation mechanisms. The article proposes to closely follow technological development from the source， conduct in-depth research on the connotation of virtual simulation experiment teaching， make plans according to stages and nodes， reconstruct the practical teaching system， and strengthen research on the construction of virtual simulation experiments. It also proposes reform directions and measures from the aspects of basic hardware， construction process， open operation and maintenance， and evaluation system construction to mobilize enthusiasm.

Key words： virtual simulation; experimental teaching; reform; new engineering; higher education