劉岳啟

(淮陰師范學(xué)院 信息化建設(shè)與管理處， 江蘇 淮安 223300)

早在2014年，習(xí)近平總書記就作出了“沒(méi)有信息化就沒(méi)有現(xiàn)代化”[1]的重要判斷。2018年4月，教育部印發(fā)的《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》明確指出：“堅(jiān)持信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，堅(jiān)持應(yīng)用驅(qū)動(dòng)和機(jī)制創(chuàng)新?！盵2]教育信息化2.0構(gòu)建教育教學(xué)新模式以信息技術(shù)進(jìn)行推廣，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教育資源的培育共享，推動(dòng)新技術(shù)支持下教育的模式變革和生態(tài)重構(gòu)貫徹。虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和情境感知等技術(shù)可以將真實(shí)場(chǎng)景與虛擬場(chǎng)景結(jié)合起來(lái)，通過(guò)情感體驗(yàn)和系統(tǒng)開放實(shí)現(xiàn)浸入式學(xué)習(xí)。電影《頭號(hào)玩家》就以其逼真的情感體驗(yàn)讓劇中人無(wú)法分清是在現(xiàn)實(shí)中還是虛擬環(huán)境中。同樣，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容的逼真情感體現(xiàn)。在線學(xué)習(xí)、移動(dòng)學(xué)習(xí)等學(xué)習(xí)方式提供自主參與方式，視頻公開課、慕課等學(xué)習(xí)資源增加了自主選擇機(jī)會(huì)；通過(guò)大數(shù)據(jù)挖掘和智能分析系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)過(guò)程數(shù)據(jù)的分析與評(píng)價(jià)，從而有效地促進(jìn)學(xué)習(xí)。智慧學(xué)習(xí)、3D打印、開源軟件等相互關(guān)聯(lián)的教學(xué)情境，推動(dòng)了創(chuàng)新模式的發(fā)展，促進(jìn)教學(xué)方式向?qū)嵺`創(chuàng)新發(fā)展。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的背景

教育部于2013年啟動(dòng)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)，并于2014年和2015年分別立項(xiàng)通過(guò)200個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)。自2017年開始，教育部計(jì)劃建設(shè)1 000個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。正是在這個(gè)政策的引導(dǎo)下，各個(gè)高校紛紛開始建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。2017年，教育部認(rèn)定了105個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目(立項(xiàng)數(shù)超出原計(jì)劃5%)，2018年，教育部認(rèn)定了296個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目(立項(xiàng)數(shù)超出原計(jì)劃18.4%)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目是計(jì)算機(jī)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合的產(chǎn)物。通過(guò)虛擬仿真可以使學(xué)生盡快接觸前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)重大工程、重大項(xiàng)目、高水平科研成果與實(shí)驗(yàn)教學(xué)、工程實(shí)踐的無(wú)縫銜接。同時(shí)，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和研究性學(xué)習(xí)；促進(jìn)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革、教學(xué)模式變革、評(píng)價(jià)方式重構(gòu)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能，在涉及“三高兩不”(高風(fēng)險(xiǎn)、高成本、高消耗，不可逆、不能及)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)提供可能。項(xiàng)目建設(shè)以“虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛”為原則，充分利用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)、仿真技術(shù)來(lái)代替部分在真實(shí)場(chǎng)景無(wú)法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，從而豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、拓寬學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的分類

根據(jù)研究思路、教學(xué)目標(biāo)、實(shí)現(xiàn)手段和展現(xiàn)形式的不同，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)分為模擬實(shí)驗(yàn)、仿真實(shí)驗(yàn)、虛擬實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)、虛擬儀器實(shí)驗(yàn)[3]。

模擬實(shí)驗(yàn)是用另一個(gè)系統(tǒng)來(lái)表述某個(gè)實(shí)驗(yàn)物理現(xiàn)象或抽象行為的過(guò)程。其研究思路主要是模擬系統(tǒng)與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)在一些關(guān)鍵特征上具有高度相似性[4]。通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，利用二維或三維動(dòng)畫來(lái)展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果或過(guò)程，具有參數(shù)可調(diào)、狀態(tài)可變、效果直觀的特點(diǎn)，適用于基礎(chǔ)概念理解或基本實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練。

仿真實(shí)驗(yàn)是以一個(gè)內(nèi)嵌專用軟件的硬件系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)研究對(duì)象的部分或全部功能，使硬件系統(tǒng)具備研究對(duì)象的同樣功能，輸入相同的原始數(shù)據(jù)，執(zhí)行相同的算法代碼，得到可以用于現(xiàn)實(shí)研究對(duì)象的實(shí)驗(yàn)結(jié)果或過(guò)程。在數(shù)學(xué)建模的基礎(chǔ)上，深入分析研究對(duì)象，采用計(jì)算機(jī)優(yōu)化算法，結(jié)合人機(jī)交互，模擬研究對(duì)象的某些關(guān)鍵行為特征，科研探索科研未知領(lǐng)域。早期，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家的航空風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、原子爆炸實(shí)驗(yàn)、化工生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)中廣泛應(yīng)用。

虛擬實(shí)驗(yàn)是指利用鍵盤、鼠標(biāo)、操作手柄、智能手套等輸入設(shè)備來(lái)操作處理虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)象。通過(guò)大量的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境技術(shù)、高度虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相逼近的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，使操作者對(duì)真實(shí)環(huán)境有一定的感觀認(rèn)識(shí)。例如虛擬月球車實(shí)驗(yàn)、拆除爆炸物實(shí)驗(yàn)、登陸火星實(shí)驗(yàn)、飛機(jī)虛擬駕駛等。

遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)是利用互聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，通過(guò)操作當(dāng)前儀器設(shè)備，遠(yuǎn)程操控實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，使其完成相應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)隔空取物的實(shí)驗(yàn)。特別是隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用、手機(jī)通信技術(shù)的快速發(fā)展、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日新月異、智能家居的大量普及，隔空取物已突破時(shí)空限制，在現(xiàn)實(shí)生活中廣泛使用，遠(yuǎn)程醫(yī)療就是一個(gè)很好的實(shí)例。

虛擬儀器經(jīng)常出現(xiàn)在虛擬實(shí)驗(yàn)中，是虛擬實(shí)驗(yàn)的操作對(duì)象。虛擬儀器通常利用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中的成套儀器設(shè)備拆裝、單個(gè)儀器的各類虛擬連接、虛擬信號(hào)數(shù)據(jù)輸入、分析處理、實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示等過(guò)程。虛擬儀器可以打破時(shí)空局限，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地做實(shí)驗(yàn)。適應(yīng)于讓初學(xué)者快速掌握大型貴重儀器、高危儀器的操作使用。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的來(lái)源

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目主要來(lái)源于三大類：國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目成果的轉(zhuǎn)化，重大工程項(xiàng)目的轉(zhuǎn)化和學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作。

3.1 國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目成果轉(zhuǎn)化

國(guó)家級(jí)科研成果因其科學(xué)的先進(jìn)性，受限于生產(chǎn)制作工藝的限制，轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容往往需要很長(zhǎng)時(shí)間。通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)虛擬仿真，可以使其先進(jìn)的技術(shù)和內(nèi)容快速轉(zhuǎn)化，融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，提升學(xué)生接受先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的能力。如東南大學(xué)2018年申報(bào)的國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目“金屬高壓鑄造技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”就是由多個(gè)國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目的成果轉(zhuǎn)化而來(lái)。這些項(xiàng)目主要包括：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目“金屬增材制造的高頻超聲檢測(cè)技術(shù)及裝備”；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“模擬生理應(yīng)用作用下Mg/PLA復(fù)合材料的分階協(xié)同降解行為研究”和“低頻動(dòng)載作用下鎂合金與涂層的降解行為及其頻率特性”；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“高性能鐵磁性塊體非晶合金的探索與結(jié)構(gòu)性能研究”等。

3.2 重大工程項(xiàng)目的轉(zhuǎn)化

重大工程項(xiàng)目并不是大量在校工科學(xué)生都能夠親自參加的，而且重大項(xiàng)目也不可重復(fù)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)虛擬仿真，可以實(shí)現(xiàn)多次重復(fù)的動(dòng)手訓(xùn)練。如長(zhǎng)安大學(xué)制作的“斜拉橋設(shè)計(jì)建造與受力性能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”就以馬爾代夫中馬友誼大橋工程和巴拿馬運(yùn)河四橋工程的相關(guān)數(shù)據(jù)為模版，建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。斜拉橋的施工期往往以年計(jì)，無(wú)法納入本科生教學(xué)計(jì)劃；橋梁為混凝土結(jié)構(gòu)，體量太大，無(wú)法在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)；施工是多工種交叉作業(yè)，不具備室內(nèi)操作條件。通過(guò)重大工程的相關(guān)數(shù)據(jù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)高度仿真斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系、橋塔、拉索、主梁等設(shè)計(jì)與建造，與原有的課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)及實(shí)習(xí)實(shí)踐形成了“虛實(shí)互補(bǔ)”的教學(xué)模式。

3.3 學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作

在高水平大學(xué)中，學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練、學(xué)科競(jìng)賽、課程設(shè)計(jì)創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目包含大量的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。如“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中一些獲獎(jiǎng)作品就包含虛擬仿真內(nèi)容。南京大學(xué)的“智能微電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)”既有企業(yè)的廣泛合作，也有在校優(yōu)秀學(xué)生的深度參與?！爸悄芪㈦娋W(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)”作為全校公選和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程，面向電子科學(xué)與技術(shù)、自動(dòng)化、新能源專業(yè)二年級(jí)以上本科生開設(shè)。系統(tǒng)包括智能微電網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)、智能微電網(wǎng)的工作方式、智能微電網(wǎng)的單元構(gòu)成、各單元的并網(wǎng)控制方式、并網(wǎng)流程和工作步驟等五大模塊。項(xiàng)目的設(shè)置體現(xiàn)了虛實(shí)結(jié)合、激發(fā)興趣、增強(qiáng)體驗(yàn)、線上線下、共建共享的教學(xué)理念。

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的激勵(lì)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的制作涉及多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，非一個(gè)人能全面地操作和完成，往往需要專業(yè)課教師、實(shí)驗(yàn)老師、計(jì)算機(jī)方面的專業(yè)人員等共同進(jìn)行謀劃和制作。因此，知識(shí)產(chǎn)權(quán)的歸屬和利益分配很難操作，實(shí)際上，根據(jù)制作的不同模式，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目可以分為自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、聯(lián)合知識(shí)產(chǎn)權(quán)、他方知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

4.1 自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的激勵(lì)

自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目往往是學(xué)校某一個(gè)學(xué)科多個(gè)專業(yè)教師多年的科研成果的長(zhǎng)期積累形成的一系列成果，是彰顯學(xué)校特色的一個(gè)重要方面。如常州大學(xué)的石油鉆采與儲(chǔ)運(yùn)工程國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的礦山測(cè)量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的多個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，都是學(xué)校行業(yè)特色的體現(xiàn)。這些項(xiàng)目是學(xué)校教師教學(xué)成果或科研成果的結(jié)晶。在進(jìn)行成果認(rèn)定時(shí)，可以按教學(xué)成果或科研成果進(jìn)行認(rèn)定。在不同類型的高校的不同時(shí)期，科研成果和教學(xué)成果的獎(jiǎng)勵(lì)力度也會(huì)各不相同，取決于學(xué)校在這個(gè)時(shí)期是推進(jìn)科研成果，還是偏重于教學(xué)成果。針對(duì)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的激勵(lì)，可參照教學(xué)項(xiàng)目中教學(xué)成果獎(jiǎng)、課程建設(shè)、教材建設(shè)、課堂教學(xué)獎(jiǎng)、教改項(xiàng)目等進(jìn)行類比并進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)。

4.2 聯(lián)合知識(shí)產(chǎn)權(quán)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的激勵(lì)

聯(lián)合知識(shí)產(chǎn)權(quán)是由高校老師提供制作虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的所有腳本，其中涉及的技術(shù)參數(shù)更多地來(lái)源于一線工廠或企業(yè)，而制作過(guò)程由承擔(dān)此類項(xiàng)目的專業(yè)公司組織技術(shù)人員進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模、場(chǎng)景制作、流程設(shè)置、參數(shù)設(shè)定、后臺(tái)管理編制等。高校支付一定的制作費(fèi)用給專業(yè)公司，形成的知識(shí)產(chǎn)權(quán)在合同或協(xié)議中都明確為聯(lián)合知識(shí)產(chǎn)權(quán)。高校對(duì)于這類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的獎(jiǎng)勵(lì)，可按自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目獎(jiǎng)勵(lì)政策的一半執(zhí)行。高校教師在項(xiàng)目制作過(guò)程中致力于前期腳本的撰寫和后期制作效果的驗(yàn)收，制作過(guò)程參與度低，所付出的勞動(dòng)量與自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)型相比較少。同時(shí)，在后期過(guò)程中專業(yè)公司更多會(huì)致力于社會(huì)化推廣和銷售，也可能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。

4.3 他方知識(shí)產(chǎn)權(quán)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的激勵(lì)

這種項(xiàng)目的激勵(lì)機(jī)制可采用用戶貢獻(xiàn)模式，即根據(jù)使用者數(shù)量進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)和考核。根據(jù)人才培養(yǎng)方案，設(shè)定一個(gè)基本的學(xué)生應(yīng)使用軟件的學(xué)時(shí)數(shù)量，超過(guò)一定的人時(shí)數(shù)，按校內(nèi)學(xué)生的推廣人時(shí)數(shù)和校外學(xué)生推廣的人時(shí)數(shù)分類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，按不同權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，對(duì)任課教師進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)，鼓勵(lì)任課教師積極推廣此類教學(xué)項(xiàng)目的使用和擴(kuò)大影響，提高項(xiàng)目的投資效益[5]。另一方面，根據(jù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目在實(shí)體教學(xué)中使用推廣的客觀需要，認(rèn)可參與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目推廣和培訓(xùn)的工作量，提高實(shí)驗(yàn)老師和實(shí)驗(yàn)室管理工作人員工作的積極性[6]。

結(jié)語(yǔ)

建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目是高校加強(qiáng)教學(xué)信息化建設(shè)、優(yōu)化教學(xué)資源的必然要求，也是順應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的必要結(jié)果。對(duì)不同虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源加以分類，推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的共建共享。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目來(lái)源的分析，推動(dòng)項(xiàng)目的立項(xiàng)建設(shè)，提升資源建設(shè)水平。實(shí)施虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的激勵(lì)措施，既是對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，更是對(duì)參與建設(shè)各方工作的認(rèn)可，通過(guò)激勵(lì)機(jī)制的研究，推進(jìn)虛擬仿真與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合。