常 亮，劉慧君，孫學(xué)軍，張曉瑜，陳雪錚

（河北大學(xué) 綜合實(shí)驗(yàn)中心，河北 保定 071002）

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，以互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能、區(qū)塊鏈等為代表的信息技術(shù)快速發(fā)展，給全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來巨大變化。如何適應(yīng)新時(shí)代的變化，將新的科技手段應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不斷提升教學(xué)水平，是擺在各高校面前的重要課題，須認(rèn)真研究。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是在新時(shí)代高等教育內(nèi)涵式發(fā)展背景下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)主動(dòng)適應(yīng)新技術(shù)變革，提升學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，培養(yǎng)卓越拔尖人才的重要舉措，是中國高等教育人才培養(yǎng)推進(jìn)“智能+教育”的積極探索，也是推動(dòng)人才培養(yǎng)質(zhì)量提升的新動(dòng)力，對(duì)高等教育發(fā)展具有重要的全局性意義[1]。

1 虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)現(xiàn)狀

1989 年，美國學(xué)者威廉·沃爾夫首次提出虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念[2]。經(jīng)過30 多年的建設(shè)，發(fā)達(dá)國家虛擬實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)普及，各大院校和科研機(jī)構(gòu)先后開展虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，并將其應(yīng)用到教學(xué)科研工作中[3]。我國的虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)受到教育主管部門的高度重視，截至2016 年，教育部已經(jīng)遴選建設(shè)了100 個(gè)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。2017 年7 月，教育部辦公廳發(fā)布《關(guān)于2017—2020 年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》（教高廳〔2017〕4 號(hào)），計(jì)劃在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目信息化建設(shè)基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌規(guī)劃2017—2020 年在60 個(gè)學(xué)科類別中認(rèn)定1 000 項(xiàng)左右的示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目[4]。其中2017 年計(jì)劃認(rèn)定 100 個(gè)項(xiàng)目，最終認(rèn)定105 項(xiàng)；2018 年計(jì)劃認(rèn)定250 個(gè)項(xiàng)目，最終認(rèn)定296 項(xiàng)；2019 年計(jì)劃認(rèn)定300個(gè)項(xiàng)目，最終認(rèn)定327 項(xiàng)；2020 年計(jì)劃認(rèn)定350 個(gè)項(xiàng)目（目前仍在認(rèn)定過程中）。2017—2020 年度虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)數(shù)量如圖1 所示。

圖1 2017—2020 年度虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目認(rèn)定數(shù)量

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的優(yōu)勢與不足

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目具有的優(yōu)勢

（1）使用成本低。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，由于受到實(shí)驗(yàn)器材昂貴、實(shí)驗(yàn)場地不足等因素影響，許多重要的實(shí)驗(yàn)課程無法開設(shè)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)既不消耗實(shí)驗(yàn)器材,也不受場地等外界條件制約，還可重復(fù)操作，實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果能夠高度仿真真實(shí)實(shí)驗(yàn)，有效降低了器材的損耗率，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本。

（2）仿真效果強(qiáng)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過綜合運(yùn)用交互式多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等現(xiàn)代技術(shù)，可以將微觀變?yōu)楹暧^，將不可見變?yōu)榭梢?，并以生?dòng)的形式展現(xiàn)出來。許多高校在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中遇到的“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”等問題基本能夠得到有效解決[5]。

（3）安全系數(shù)高。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的初衷是通過“智能+教育”，重點(diǎn)解決真實(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目條件不具備或?qū)嶋H運(yùn)行困難、涉及高?；驑O端環(huán)境、高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓(xùn)練難展開等問題[6]。充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生在高度仿真的虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的危險(xiǎn)程度，保障了實(shí)驗(yàn)的安全進(jìn)行。

（4）學(xué)習(xí)趣味性濃。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有沉浸感、交互性、想象性和智能性等特征，通過現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，構(gòu)建出高度仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，使學(xué)生產(chǎn)生置身其中的感覺，能夠有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)潛能，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維[7]。

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目存在的不足

（1）建設(shè)投入過大。目前，普遍的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)模式是高校教師出設(shè)計(jì)思路和腳本，專業(yè)制作商提供技術(shù)支持。一般情況下，一個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的制作費(fèi)用從幾十萬元到近百萬元；設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，仿真度要求高的項(xiàng)目將耗資更多；如果再考慮硬件條件，還需要配備相應(yīng)的計(jì)算機(jī)、顯示屏幕、感官設(shè)備、動(dòng)作捕捉設(shè)備等，動(dòng)輒將上百萬元。如此大的投入，不是所有高校都能承受的，一旦項(xiàng)目建設(shè)的效果不理想，將會(huì)造成巨大的資源浪費(fèi)。

（2）真實(shí)性欠缺。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程及其結(jié)果的展示與真實(shí)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果高度一致，但對(duì)于虛擬實(shí)驗(yàn)者的感受，包括視、聽、觸、嗅等方面仍是不足的[8]。虛擬仿真技術(shù)需要非常精確的數(shù)據(jù)支撐它對(duì)現(xiàn)實(shí)的仿真，它的程序設(shè)計(jì)相對(duì)固化，但是現(xiàn)實(shí)生活中有很多的不可預(yù)測性，不一定會(huì)完全按照設(shè)計(jì)思路發(fā)生，甚至同樣的做法也可能產(chǎn)生不同的結(jié)果，對(duì)解決這些變量問題，虛擬仿真技術(shù)有一定的局限性。

（3）校企溝通困難。由于大部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是以校企合作的模式研發(fā)，高校教師具備豐富的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)但缺乏軟件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，而制作技術(shù)人員恰恰相反。理論上雙方合作可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)。但在實(shí)際制作過程中，雙方的溝通比較困難，教師很難讓技術(shù)人員充分理解自己的設(shè)計(jì)理念，制作出的軟件效果時(shí)常低于教師的預(yù)期，需要雙方反復(fù)溝通，不斷修改腳本。企業(yè)以盈利為目的，要考慮成本和收益問題，反復(fù)修改設(shè)計(jì)和不斷提升制作標(biāo)準(zhǔn)會(huì)加大企業(yè)的成本壓力，因此，校企雙方在一定程度上存在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)目標(biāo)的分歧，最終影響產(chǎn)品的實(shí)際效果。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的基本模式

自教育部開展國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)以來，我校積極組織本校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的開發(fā)與建設(shè)，經(jīng)過6 年多的摸索與實(shí)踐，已形成了相對(duì)穩(wěn)定、行之有效的建設(shè)模式，截至目前，已建成一個(gè)國家級(jí)、兩個(gè)省級(jí)和若干個(gè)校級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。

3.1 強(qiáng)化虛擬仿真項(xiàng)目立項(xiàng)工作，做好項(xiàng)目的建設(shè)規(guī)劃和儲(chǔ)備

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)理念是：按照新時(shí)代高等教育人才培養(yǎng)要求，建設(shè)符合一流本科教學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件和人才培養(yǎng)模式，探索信息化背景下培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、探索發(fā)現(xiàn)能力的新途徑、新方法。

在該建設(shè)理念的指導(dǎo)下，我校自2017 年開始，每年組織一次校級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目立項(xiàng)，按照教育部的建設(shè)規(guī)劃，提前布局，超前立項(xiàng)建設(shè)。通過立項(xiàng)，篩選并培育優(yōu)秀項(xiàng)目。截至2019 年底，全校共收到立項(xiàng)申請(qǐng)68 項(xiàng)，最終認(rèn)定校級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目46 項(xiàng)，重點(diǎn)支持建設(shè)項(xiàng)目13 項(xiàng)，其中2018 年度有5個(gè)項(xiàng)目被教育部認(rèn)定為國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目（見表1），2019 年度有6 個(gè)項(xiàng)目被推薦參加評(píng)選認(rèn)定。

表1 2018 年度河北大學(xué)被教育部認(rèn)定為 國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目一覽表

3.2 堅(jiān)持項(xiàng)目建設(shè)的原則，從源頭截?cái)嗟唾|(zhì)量項(xiàng)目的流入

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)首先要堅(jiān)持“能實(shí)不虛”的原則，即實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能，在涉及高危或極端的環(huán)境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情況時(shí)，提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，充分體現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛的原則[9]。其次要堅(jiān)持“高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度”，即“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn)。高階性是指知識(shí)能力素質(zhì)的有機(jī)融合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級(jí)思維；創(chuàng)新性是指教學(xué)內(nèi)容反映前沿性和時(shí)代性，教學(xué)形式體現(xiàn)先進(jìn)性和互動(dòng)性，學(xué)習(xí)結(jié)果具有探究性和個(gè)性化；挑戰(zhàn)度是指實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要有一定難度，需要學(xué)生努力才能完成[10-11]。

“能實(shí)不虛”和“兩性一度”也是我校篩選和培育優(yōu)秀項(xiàng)目的基本依據(jù)。在虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)的論證過程中，我校拋棄了一批“模擬實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目，這些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)只是把真實(shí)實(shí)驗(yàn)的操作過程原原本本地通過仿真技術(shù)進(jìn)行了還原，沒有能夠深入理解虛擬仿真的內(nèi)涵。我校要求虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不能是簡單地點(diǎn)擊按鈕或打開開關(guān)，重點(diǎn)是通過試錯(cuò)、計(jì)算等互動(dòng)手段，觸發(fā)學(xué)生的思考和探索。我校鼓勵(lì)在虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)過程中將科研成果及時(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的內(nèi)容，讓學(xué)生早接觸前沿科學(xué)內(nèi)容、早進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、早參與科學(xué)研究與探索。

3.3 把牢項(xiàng)目建設(shè)的方向，從頂層統(tǒng)籌規(guī)劃各學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)

按照教育部一流本科課程建設(shè)的要求，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目納入相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)方案，更重要的是切實(shí)將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中去，利用虛擬仿真項(xiàng)目的巨大優(yōu)勢彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的短板。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)，需要依托教學(xué)大綱、依托教學(xué)需求、圍繞課程體系來建設(shè)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是現(xiàn)實(shí)教學(xué)的有力補(bǔ)充和發(fā)展，學(xué)校要在頂層設(shè)計(jì)上，做好虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)的長遠(yuǎn)規(guī)劃，將零散項(xiàng)目凝結(jié)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主軀干上來，最大限度發(fā)揮虛擬仿真項(xiàng)目在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用。以我校建筑工程學(xué)院為例，在建設(shè)虛擬仿真項(xiàng)目前，首先認(rèn)真梳理了土木工程專業(yè)有多少門實(shí)驗(yàn)課程是必須要開設(shè)的，在此基礎(chǔ)上區(qū)分哪些課程是我校目前已經(jīng)實(shí)際開設(shè)的，哪些因條件不足而無法開設(shè)的，這些無法開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程又有哪些可以利用虛擬仿真手段實(shí)現(xiàn)的。選好方向后，每年重點(diǎn)建設(shè)1～2 個(gè)項(xiàng)目，利用4 年的時(shí)間打造一套虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合、線上與線下相結(jié)合的高質(zhì)高效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

3.4 切實(shí)發(fā)揮好服務(wù)職能，全力保障項(xiàng)目建設(shè)順利進(jìn)行

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)需要學(xué)校在資金、人員、政策等各方面的支持，項(xiàng)目組提出的各項(xiàng)需求，都是我校實(shí)驗(yàn)管理部門努力的方向。

（1）資金方面。為確保項(xiàng)目建設(shè)經(jīng)費(fèi)有保障，我校每年專門投入資金200 萬元用于對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)行立項(xiàng)支持。根據(jù)項(xiàng)目的質(zhì)量和建設(shè)進(jìn)度，我校將建設(shè)的虛擬仿真項(xiàng)目分為重點(diǎn)支持項(xiàng)目和一般支持項(xiàng)目兩類，重點(diǎn)支持項(xiàng)目最高可獲得學(xué)校20 萬元的資金支持，一般支持項(xiàng)目最高可獲得學(xué)校10 萬元的資金支持，對(duì)優(yōu)秀的建設(shè)項(xiàng)目，建設(shè)過程中還可進(jìn)一步申請(qǐng)資金支持，以便能夠高質(zhì)量完成項(xiàng)目建設(shè)。

（2）人員方面。校、院兩級(jí)積極協(xié)調(diào)，全力支持項(xiàng)目建設(shè)。每個(gè)團(tuán)隊(duì)至少有3 類人員：一是實(shí)驗(yàn)教學(xué)一線的教師，他們最了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可以做出最好的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；二是操作實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，他們是實(shí)驗(yàn)課的最終對(duì)象，可以點(diǎn)評(píng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)際效果；三是懂技術(shù)的專業(yè)人員，特別是將制作公司的虛擬仿真技術(shù)人員納入建設(shè)團(tuán)隊(duì)，他們知道如何實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教師的設(shè)想。

（3）政策方面。力求項(xiàng)目制作團(tuán)隊(duì)無后顧之憂。針對(duì)教師關(guān)注的工作量評(píng)定、職稱評(píng)審、獲獎(jiǎng)評(píng)優(yōu)等問題，學(xué)校專門出臺(tái)了相應(yīng)措施，使虛擬仿真項(xiàng)目制作團(tuán)隊(duì)的工作得到最大程度的認(rèn)可，鼓勵(lì)廣大教師參與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)。

3.5 兼顧“請(qǐng)進(jìn)來、走出去”，做好橫豎對(duì)比，精心打磨優(yōu)質(zhì)項(xiàng)目

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)過程中，僅僅依靠自身，閉門造車是不行的。我校一方面積極邀請(qǐng)相關(guān)專家進(jìn)校園，指導(dǎo)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)，并一對(duì)一地把脈診斷，指出項(xiàng)目建設(shè)中存在的問題，并提出修改意見；另一方面積極促成項(xiàng)目組成員走出校門，去了解最新動(dòng)態(tài)，去其他院?？疾鞂W(xué)習(xí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)情況，通過橫向和縱向?qū)Ρ?，發(fā)現(xiàn)問題，啟發(fā)思路，把我校的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)得更加完善。

3.6 持續(xù)關(guān)注虛仿項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用，不斷督促后期的更新完善

教育部明確要求，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目納入相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)方案和課程體系，制定相關(guān)教學(xué)效果評(píng)價(jià)辦法。根據(jù)學(xué)生和教師的反饋，改進(jìn)相關(guān)教學(xué)評(píng)價(jià)機(jī)制[11]。我校高度重視虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)完成后的實(shí)際應(yīng)用和持續(xù)更新工作，所有項(xiàng)目必須放到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中接受檢驗(yàn)，決不能建設(shè)結(jié)束后就束之高閣，無人問津。學(xué)校專門組織力量對(duì)學(xué)生使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的情況進(jìn)行調(diào)研，對(duì)實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)的仿真效果欠佳、操作步驟繁瑣、個(gè)別數(shù)據(jù)報(bào)錯(cuò)等問題，及時(shí)反饋給項(xiàng)目組成員，不斷修改、完善設(shè)計(jì)方案，切實(shí)將虛擬仿真項(xiàng)目打造成精品實(shí)驗(yàn)課程。

4 結(jié)語

國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目是國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的深化與延續(xù)，是進(jìn)一步豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和方法改革，建設(shè)信息化、智能化實(shí)驗(yàn)室的重要舉措，是新時(shí)代實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的必然要求。盡管在目前的開發(fā)與建設(shè)過程中仍存在各種各樣的困難，但其巨大的發(fā)展空間 和廣闊的發(fā)展前景依舊讓人期待，在推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改 革的進(jìn)程中必將發(fā)揮出重要的作用。