呂新穎 余文勝

摘要：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是通過(guò)多媒體技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、計(jì)算機(jī)編程技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)等多個(gè)門類交叉協(xié)同實(shí)現(xiàn)的結(jié)果，是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以針對(duì)高額成本、高危險(xiǎn)和不可逆操作、極端環(huán)境、大型綜合訓(xùn)練等真實(shí)實(shí)驗(yàn)無(wú)法完成的情況進(jìn)行虛擬仿真化處理，文章從虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)目的意義、主要建設(shè)的學(xué)科門類、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、開(kāi)放共享等方面進(jìn)行了總結(jié)和思考。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué);項(xiàng)目建設(shè)

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2020）10-0389-02

教育部為在信息時(shí)代、網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的背景下推進(jìn)信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高度融合，促進(jìn)教學(xué)資源共享，提供開(kāi)放式服務(wù)，拓寬實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣度，突出學(xué)生實(shí)踐能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平，在“十三五”期間大力建設(shè)國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，積極開(kāi)展“智能+教育”創(chuàng)新研究和示范。自2017年以來(lái)，國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺(tái)上各類項(xiàng)目已達(dá)2000余項(xiàng)，同時(shí)，由高等院校、相關(guān)企事業(yè)單位和專家組織自愿組成的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新聯(lián)盟，在教育部高教司指導(dǎo)下開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究、咨詢、指導(dǎo)、評(píng)估和服務(wù)的非營(yíng)利社會(huì)團(tuán)體，推動(dòng)形成專業(yè)布局合理、教學(xué)效果優(yōu)良、開(kāi)放共享有效的高等教育信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目新體系;促進(jìn)實(shí)現(xiàn)學(xué)校教學(xué)、行業(yè)應(yīng)用與技術(shù)創(chuàng)新的融合發(fā)展[1]。

一、項(xiàng)目建設(shè)的宗旨

《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》指出：“信息技術(shù)對(duì)教育發(fā)展具有革命性影響，必須予以高度重視?！辈选凹涌旖逃畔⒒M(jìn)程”單獨(dú)作為一部分進(jìn)行了專門的闡述[2]。2012年3月13日，教育部印發(fā)了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020）》[3]，目的是推動(dòng)信息技術(shù)與高等教育深度融合，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，提出要利用先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)，整合資源，構(gòu)建先進(jìn)、高效、實(shí)用的高等教育信息基礎(chǔ)設(shè)施，開(kāi)發(fā)整合各類優(yōu)質(zhì)教育教學(xué)資源，建立高等教育資源共建共享機(jī)制，推進(jìn)高等教育精品課程、圖書文獻(xiàn)共享、教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等信息化建設(shè)。

項(xiàng)目建設(shè)的宗旨是以能實(shí)不虛、虛為實(shí)用、虛實(shí)結(jié)合為原則，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)練等問(wèn)題。

二、項(xiàng)目建設(shè)的主要內(nèi)容

開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)有助于推進(jìn)高校實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)信息化，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)育人的水平[4]。建設(shè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目?jī)?nèi)容，需結(jié)合高等院校實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)人才培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)、不同學(xué)科和專業(yè)專長(zhǎng)、相關(guān)領(lǐng)域的最新科研成果以及人才培養(yǎng)目標(biāo)等方面。項(xiàng)目的研發(fā)以完成教學(xué)要求和內(nèi)容為目標(biāo)，原理準(zhǔn)確、內(nèi)容緊湊、時(shí)長(zhǎng)合理、難度適宜，有詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)操作說(shuō)明，實(shí)驗(yàn)應(yīng)該分為基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)、綜合類實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)等，針對(duì)不同年級(jí)的學(xué)生有不同層次供選擇，師生通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練即可對(duì)相關(guān)知識(shí)領(lǐng)域能夠達(dá)到理解、掌握、融會(huì)貫通等不同程度的實(shí)驗(yàn)效果。可以將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)體物理實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，由淺到深地引向深度學(xué)習(xí)。在實(shí)驗(yàn)中將虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)置于課程教學(xué)之前，了解熟悉實(shí)驗(yàn)流程及實(shí)驗(yàn)操作，利用教師預(yù)先設(shè)計(jì)的思考題，引導(dǎo)學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、思考問(wèn)題，而后帶著問(wèn)題進(jìn)入課堂，在課堂上采用討論、演講等形式，結(jié)合教師講授開(kāi)展學(xué)習(xí)，然后開(kāi)展相應(yīng)的實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)，獲得實(shí)踐操作能力和對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的直觀認(rèn)識(shí)。以虛擬實(shí)驗(yàn)輔助實(shí)體實(shí)驗(yàn)，做到虛實(shí)結(jié)合、虛為實(shí)用。

目前國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目按照學(xué)科類別逐年推出，已達(dá)到40余個(gè)門類，涉及農(nóng)、林、醫(yī)、工、文、法、管理等諸多學(xué)科。項(xiàng)目建設(shè)首先要圍繞一門課程，針對(duì)其中的某一部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容加以提煉，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康模U明實(shí)驗(yàn)原理，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，規(guī)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)體系等，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)和3D技術(shù)制作完成。在制作過(guò)程中，要遵循《教育資源建設(shè)規(guī)范》《現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育資源建設(shè)技術(shù)規(guī)范（試行）》等相關(guān)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范[5]，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的亮點(diǎn)之一是沉浸式互動(dòng)體驗(yàn)，因此人機(jī)交互界面的制作要富有表現(xiàn)力和感染力，通過(guò)典型軟件的應(yīng)用功能二次開(kāi)發(fā)等實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的最終呈現(xiàn)效果。

三、關(guān)于網(wǎng)站建設(shè)與共享

21世紀(jì)是信息時(shí)代，也是網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，在這樣的背景下，現(xiàn)在的90后大學(xué)生都是電子產(chǎn)品的酷愛(ài)者，各種信息的獲取都是從手機(jī)或者電腦上得來(lái)。傳統(tǒng)的教育方式已經(jīng)不能滿足他們的求知欲。這種現(xiàn)象已經(jīng)顛覆性地變革了以往的“教”與“學(xué)”方式，使全球各地不同人群能夠共享優(yōu)質(zhì)教育資源，終身學(xué)習(xí)成為可能[6]。隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)日趨完善，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要手段和方法，有力推動(dòng)了計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展。時(shí)代要求我們必須拓展思維，系統(tǒng)地思考虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)和改革。

對(duì)于資源的開(kāi)放共享，應(yīng)該嚴(yán)格遵守《著作權(quán)法》《互聯(lián)網(wǎng)著作權(quán)行政保護(hù)辦法》《計(jì)算機(jī)軟件保護(hù)條例》《信息網(wǎng)絡(luò)傳播權(quán)保護(hù)條例》等相關(guān)法律規(guī)定，這既是遵紀(jì)守法的基本要求，也體現(xiàn)了對(duì)資源開(kāi)發(fā)者心血、創(chuàng)意的認(rèn)可與尊重。因此，在資源開(kāi)放共享工作中，應(yīng)切實(shí)保護(hù)資源開(kāi)發(fā)者的合法權(quán)益，明確資源開(kāi)發(fā)者、資源提供者、資源使用者的權(quán)責(zé)劃分，促使其形成協(xié)調(diào)、有序發(fā)展的良好局面[7]。建設(shè)項(xiàng)目的初衷便是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，為全國(guó)高校師生開(kāi)放和共享實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)空間網(wǎng)站上關(guān)于項(xiàng)目的分類如機(jī)械類、能源動(dòng)力類、力學(xué)類等，有的項(xiàng)目?jī)?nèi)容涉及多個(gè)類別的知識(shí)點(diǎn)，可以在不同類里面羅列出來(lái)，方便使用者查找。另外，每個(gè)項(xiàng)目可以像論文一樣設(shè)置多個(gè)關(guān)鍵詞，這樣也方便使用者能夠快速找到相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

四、關(guān)于項(xiàng)目建設(shè)的一點(diǎn)思考

1.每一個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目都針對(duì)一門課程中的一部分內(nèi)容，用以虛代實(shí)的方式展現(xiàn)給學(xué)生，那么在建設(shè)過(guò)程中，是否考慮到學(xué)科交叉？是否分別針對(duì)專業(yè)課程的基礎(chǔ)性和綜合性有嚴(yán)格的層次劃分以適用于不同學(xué)生？是否考慮到不同學(xué)校學(xué)生的層次不同，難以達(dá)到同樣的效果？是否可以將每一個(gè)項(xiàng)目按照不同學(xué)科、不同難易程度、不同使用對(duì)象做一個(gè)簡(jiǎn)單劃分，這樣便于使用者更加有針對(duì)性地得到訓(xùn)練？

2.VR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是沉浸式體驗(yàn)，現(xiàn)有的頭顯設(shè)備和穿戴設(shè)備均能讓體驗(yàn)者有身臨其境的感覺(jué);相比之下，WEB端則無(wú)法給予使用者同樣的感受，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)費(fèi)用和升級(jí)更新費(fèi)用支出逐漸遞增，能否達(dá)到預(yù)期實(shí)驗(yàn)效果和使用效率等都需要進(jìn)行系統(tǒng)的評(píng)估。VR技術(shù)的發(fā)展和不同學(xué)科之間的融合需要持續(xù)性研究和改進(jìn)，在加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)建設(shè)的同時(shí)，要對(duì)VR技術(shù)深入了解，掌握核心要素，不能受制于研發(fā)企業(yè)，同時(shí)，不同學(xué)校針對(duì)不同學(xué)科要進(jìn)行差異化建設(shè)，理論知識(shí)與應(yīng)用背景相結(jié)合，不能單純完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)而脫離理論和實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

3.當(dāng)虛擬仿真項(xiàng)目越建越多，門類越分越細(xì)，勢(shì)必會(huì)面臨著資源整合、開(kāi)放共享等問(wèn)題，是否可以從頂層部署下來(lái)，結(jié)合不同學(xué)校的專長(zhǎng)，避免重復(fù)建設(shè)或某一方向被遺漏等現(xiàn)象。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室隊(duì)伍建設(shè)也顯得尤為重要，實(shí)驗(yàn)教師不再是早期的鉆研實(shí)驗(yàn)設(shè)備，上好實(shí)驗(yàn)課程，還要對(duì)實(shí)驗(yàn)方法和教學(xué)形式進(jìn)行研究，不斷改革創(chuàng)新，采用線上虛擬仿真和線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)相結(jié)合、單一學(xué)科實(shí)驗(yàn)和交叉學(xué)科實(shí)驗(yàn)相結(jié)合等形式，培養(yǎng)復(fù)合型人才。

五、結(jié)語(yǔ)

目前我國(guó)已建設(shè)成國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目近1000項(xiàng)，但是很多建設(shè)者包括參與者對(duì)其概念、運(yùn)行模式、實(shí)驗(yàn)方法和管理機(jī)制還有很多不確定的方面，對(duì)后續(xù)的建設(shè)思路和發(fā)展方向仍然持觀望狀態(tài)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)和管理還在路上。

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Virtual Simulation Experimental Teaching for Aeronautics and Astronauts

LV Xin-ying，YU Wen-sheng

（School of Aeronautics and Astronautics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

Abstract：Virtual simulation technology is very important during experimental teaching.This paper introduces the concept，the significance and the development status of virtual simulation technology;at the same time，it also explains how to construct the virtual simulation experimental teaching for aeronautics and astronauts.

Key words：virtual simulation;experimental teaching;aeronautics and astronauts