張任平

摘要：針對工科專業(yè)實(shí)驗(yàn)的一些特點(diǎn)，通過建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室開展創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)。分析了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)越性和局限性，指出了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用。闡明了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的相互關(guān)系。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué)；虛擬；仿真；教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）11-0273-02

引言：隨著云計算、大數(shù)據(jù)、移動辦公、虛擬現(xiàn)實(shí)、體感設(shè)備以及3D打印等信息技術(shù)的逐步發(fā)展，微軟發(fā)布的新虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)Holograms、索尼Project Morpheus游戲仿真平臺、寓教于樂的碎片化知識教學(xué)資源等新技術(shù)也相繼出現(xiàn)，平板電腦、智能手機(jī)、智能家居和智能穿戴設(shè)備（典型產(chǎn)品Google眼鏡和Apple Watch）等新產(chǎn)品得到廣泛應(yīng)用。這些新媒體、新技術(shù)和新產(chǎn)品的出現(xiàn)使得信息的獲得更加便捷，使得人們對傳統(tǒng)教學(xué)理念和方式有了新的理解，更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生需具有自我導(dǎo)向?qū)W習(xí)的能力[1-3]。

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)通過綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及計算機(jī)編程等技術(shù)，構(gòu)建與真實(shí)實(shí)驗(yàn)場景等同的操作環(huán)境和測試對象，使得學(xué)生在高度自主性和交互性的虛擬環(huán)境中開展充滿開放性、經(jīng)濟(jì)性和高效性的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而可以達(dá)到實(shí)物實(shí)驗(yàn)無法實(shí)現(xiàn)的效果。尤其是在極端的環(huán)境下或毒性較高的有害環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作以及耗時耗力的大型或綜合性的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)場景，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢更為明顯。相比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式、方法、效果、手段和模式等方面均有顛覆性的改變。《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》[4]中提到，“信息技術(shù)對教育發(fā)展具有革命性影響，必須予以高度重視”，專門強(qiáng)調(diào)了“加快教育信息化進(jìn)程”這一部分內(nèi)容。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)是高等教育信息化的重要實(shí)現(xiàn)載體之一，充分體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程的改革與創(chuàng)新。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過在計算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，仿真真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，做實(shí)驗(yàn)的人可以體驗(yàn)到實(shí)物實(shí)驗(yàn)的感覺，在計算機(jī)環(huán)境中完成預(yù)定的各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)效果等同于真實(shí)實(shí)驗(yàn)甚至超過真實(shí)實(shí)物實(shí)驗(yàn)的效果[5-6]。

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺具有良好的可擴(kuò)充性。各個學(xué)科新的知識層出不窮，大部分課程內(nèi)容需要跟上科技發(fā)展的步伐，而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要在實(shí)物試驗(yàn)臺上進(jìn)行，碰到新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容需要重新搭建試驗(yàn)臺，更換實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)成本往往都比較高。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺可實(shí)現(xiàn)在線指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)是一個探索和追求新鮮知識的過程，在此過程中有時會碰到自己不會操作或者無法解決的問題，甚至是一個簡單的誤操作而導(dǎo)致整個實(shí)驗(yàn)無法進(jìn)行下去的窘境。這需要借助于虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺的在線指導(dǎo)功能，可以在線尋求老師和同學(xué)的幫助，指導(dǎo)老師也可以通過線上直播課程講解實(shí)驗(yàn)的流程和注意事項(xiàng)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺是一個運(yùn)行和維護(hù)成本均較低的平臺。實(shí)驗(yàn)室建設(shè)投資是學(xué)校教學(xué)投資的重要組成部分，為了兼顧實(shí)驗(yàn)室的成本和學(xué)生的實(shí)驗(yàn)機(jī)會，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺通過虛擬出實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使得實(shí)驗(yàn)效果和現(xiàn)實(shí)中設(shè)備實(shí)驗(yàn)效果一樣，在這樣的平臺上實(shí)驗(yàn)時操作錯誤只會有適當(dāng)?shù)奶崾?，而不會損壞設(shè)備造成增加實(shí)驗(yàn)成本。

當(dāng)然，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)也存在一些不足的地方，比如：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)畢竟不是在實(shí)際的實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行操作，所以會降低學(xué)生對實(shí)物的感性認(rèn)識，對于實(shí)驗(yàn)過程涉及的元器件性能及參數(shù)的了解也不如實(shí)物實(shí)驗(yàn)來得那么深入，在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動手能力和實(shí)驗(yàn)誤差分析能力方面也是一個弱項(xiàng)。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用

打造良好的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，有助提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，理論課程教學(xué)與課程涉及實(shí)驗(yàn)的教學(xué)是分開進(jìn)行的，上理論課的時候沒有實(shí)驗(yàn)演示。借助虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，就可以一邊進(jìn)行課程的講授一邊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。教師在上課的過程中，碰到可以通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的理論，借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)，通過實(shí)驗(yàn)輔助理論的教學(xué)，使得學(xué)生更容易理解所學(xué)的知識。

通過建立虛擬實(shí)驗(yàn)室，既是完成教學(xué)信息化的一個重要環(huán)節(jié)，又能使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)有一個本質(zhì)的提升，跟上國際化的發(fā)展步伐，使得學(xué)科的優(yōu)勢能得到充分發(fā)揮。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以提供開放式實(shí)驗(yàn)環(huán)境，真真正正實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室向?qū)W生長時期開放。學(xué)生可以不用受到時間和空間的約束，隨時隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這樣能較好地培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力，對學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣能起到正面的激發(fā)作用。

面對復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，虛擬實(shí)驗(yàn)室方便搭建規(guī)模宏大的實(shí)驗(yàn)平臺。有的課程的實(shí)驗(yàn)會比較復(fù)雜，搭建整個實(shí)驗(yàn)平臺需要耗費(fèi)較長的時間。而在傳統(tǒng)給學(xué)生開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程中，由于學(xué)生人數(shù)一般比較多，給每個學(xué)生安排的實(shí)驗(yàn)時間都比較有限，在這有限的時間內(nèi)要完成大型實(shí)驗(yàn)臺的搭建是一件不可能完成的事情，這帶來的后果是大型實(shí)驗(yàn)往往開展起來非常困難。如復(fù)雜電路的設(shè)計實(shí)驗(yàn)，一般學(xué)生進(jìn)行這樣的實(shí)驗(yàn)需要花費(fèi)2～3天的時間。學(xué)校一般無法給予學(xué)生這么長的時間完成一個實(shí)驗(yàn)，迫使取消這樣的實(shí)驗(yàn)或者改為簡單的對結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)。針對這樣一個問題，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺能給出完美的解決方案，為學(xué)生進(jìn)行大型實(shí)驗(yàn)提供條件，只要學(xué)生實(shí)時保存搭建實(shí)驗(yàn)過程的實(shí)驗(yàn)流程，該實(shí)驗(yàn)流程可在其他地方打開繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與創(chuàng)新人才培養(yǎng)

給予學(xué)生無限的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，拓寬學(xué)生的知識視野?？茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)步帶來各個學(xué)科的飛速發(fā)展，新技術(shù)產(chǎn)品、設(shè)備和器件飛速迭代，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室很難跟上科學(xué)技術(shù)發(fā)展的節(jié)奏，不可能為所有新鮮的東西提供實(shí)驗(yàn)，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在一定程度上可以彌補(bǔ)此缺陷。隨著仿真技術(shù)和軟件的連續(xù)更新發(fā)展，仿真系統(tǒng)可以加入一些新的設(shè)備和元件。因此虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以方便對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行更新迭代，快速適應(yīng)高新技術(shù)的發(fā)展，使得學(xué)生能隨時追蹤新技術(shù)和新設(shè)備，對學(xué)生的知識視野開闊起到了非常積極的作用，同時還節(jié)省了實(shí)驗(yàn)的經(jīng)費(fèi)。

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，培養(yǎng)優(yōu)秀創(chuàng)新人才。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一般較為單一，且一般都為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不需要考慮實(shí)驗(yàn)臺的搭建，只要按照實(shí)驗(yàn)的操作步驟完成實(shí)驗(yàn)，缺乏對學(xué)生創(chuàng)造力的培養(yǎng)。通過建立虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，可以增加學(xué)生自行設(shè)計實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，使得學(xué)生能夠依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，設(shè)計實(shí)驗(yàn)實(shí)施方案，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由此可見，通過建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，不僅可以鍛煉學(xué)生的獨(dú)立工作能力和創(chuàng)造性思維，而且有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對于培養(yǎng)創(chuàng)新和實(shí)踐能力出眾的人才非常有幫助。

通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺自行設(shè)計實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)行科學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)探索。實(shí)驗(yàn)在教學(xué)活動中的作用不容忽視，理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)相輔相成，實(shí)驗(yàn)可以對理論進(jìn)行驗(yàn)證和擴(kuò)展應(yīng)用，使得學(xué)生對抽象的理論有深入的理解，同時有利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)和創(chuàng)新的學(xué)習(xí)態(tài)度。但是，有的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時間和資金成本均較高，而且有時還有破壞性、毒性和不可再現(xiàn)性等缺點(diǎn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺可以解決這方面的問題。因此，應(yīng)該鼓勵學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，引導(dǎo)學(xué)生通過發(fā)散性思維進(jìn)行科學(xué)問題的探索。

四、結(jié)語

專業(yè)課的理論教學(xué)存在一些共性的問題，有些理論非常抽象，現(xiàn)實(shí)世界很難找到一些實(shí)例來進(jìn)行演示。專業(yè)課中有一類理論體系非?？b密，知識點(diǎn)錯綜復(fù)雜，學(xué)生一般缺乏對知識體系整體架構(gòu)能力，會產(chǎn)生一種“亂花漸欲迷人眼”的感覺。還有一類課程的理論教學(xué)的實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)成本非常高，操作起來較為困難，不具備讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的條件。為解決理論教學(xué)過程中的這些問題，需要對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行拓展，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的無縫銜接，并且盡可能在課堂上同步進(jìn)行。采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，呈現(xiàn)具有操作性好、真實(shí)感強(qiáng)和直觀精確的實(shí)驗(yàn)場景，對高校進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到至關(guān)重要的作用。

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Research on Innovation Experiment Teaching Reform Based on Virtual Simulation Laboratory

ZHANG Ren-ping

（School of Materials Science and Engineering，Jingdezhen Ceramic Institute，Jingdezhen，Jiangxi 333403，China）

Abstract：In view of some characteristics of experiment and engineering，through the establishment of a virtual laboratory to carry out innovative experimental teaching. The article analyses the advantages and limitations of virtual simulation experiment teaching，points out the role of virtual simulation laboratory in experimental teaching. The virtual simulation of the relationship between teaching and the cultivation of innovative talents.

Key words：experimental teaching；virtual；simulation；teaching reform