新工科背景下虛擬仿真實驗教學(xué)在人才培養(yǎng)中的應(yīng)用

容強　張思卿

摘 要：新工科改變了傳統(tǒng)以技術(shù)劃分專業(yè)的模式，取而代之的是依照行業(yè)特性和應(yīng)用需求設(shè)置專業(yè)，設(shè)計與行業(yè)需求所適應(yīng)的專業(yè)教學(xué)體系。文章以虛擬仿真實驗教學(xué)課程設(shè)計為切入點發(fā)現(xiàn)大學(xué)實驗課程存在一些問題：實驗方法與內(nèi)容單一，學(xué)生積極性不高;綜合性和設(shè)計性實驗實施受阻;學(xué)生缺少探索的動力;實驗教學(xué)資源配置造成浪費。為培養(yǎng)符合新工科建設(shè)背景的合格人才，構(gòu)建高效的虛擬仿真實驗，可以推進新型技術(shù)與高校實驗教學(xué)項目的有效結(jié)合，提升實驗教學(xué)質(zhì)量和水平，從而保證“新工科”實踐教學(xué)的有效應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：新工科;虛擬仿真實驗;資源配置

新工科的研究與實踐是探索適合復(fù)合型人才培養(yǎng)的熱點話題與研究前沿，我國高等教育改革發(fā)展進入了一個新的時期，迫切需要加快建設(shè)“新工科”，在習(xí)近平總書記強調(diào)“圍繞培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人、為誰培養(yǎng)人”這一根本問題上，如何培養(yǎng)具備跨學(xué)科交叉融合能力、創(chuàng)新實踐能力的技術(shù)人才也是新工科設(shè)計與研究的首要問題[1]。認知實踐學(xué)習(xí)在高校復(fù)合型人才培養(yǎng)流程中是極為重要的一項教學(xué)環(huán)節(jié)，是綜合理論知識學(xué)習(xí)階段的延伸與拓展，是實踐操作和真實生產(chǎn)操作的加油站和蓄能池。

一、傳統(tǒng)大學(xué)實驗課教學(xué)存在的問題

新工科背景下，人才的培養(yǎng)要緊緊圍繞產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈展開，“以人才需求建專業(yè)，以技術(shù)更新改內(nèi)容”，把產(chǎn)出導(dǎo)向作為衡量畢業(yè)生的重要標準[2]。目前高等教育越來越重視對大學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)，實驗教學(xué)在人才培養(yǎng)中也占有非常重要的地位，但也有一些高校隨著教學(xué)實驗項目和生源的增加，原有的實驗儀器和場所已無法滿足學(xué)生對新知識的需求，在實驗教學(xué)和學(xué)生實踐認知操作上也慢慢凸顯出來不足，傳統(tǒng)實驗教學(xué)還存在資源分配不足、實驗內(nèi)容與方法過于單一、實驗設(shè)備利用率低等諸多問題。

1.實驗內(nèi)容和方法單一，學(xué)生被動做實驗

在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，實驗課只是驗證理論教學(xué)中所講的概念、數(shù)據(jù)或定理公式，實驗內(nèi)容較簡單;實驗形式較單一，實驗班級的學(xué)生基本上是統(tǒng)一做相同的實驗內(nèi)容;在實驗中學(xué)生基本上是按照教師所規(guī)定的步驟或方法一步一步完成實驗，學(xué)習(xí)方法比較被動，學(xué)生缺乏獨立思考，不能有效調(diào)動學(xué)生的主觀能動性。

2.學(xué)生缺少探索的動力和對專業(yè)知識的認知關(guān)聯(lián)

在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，往往學(xué)生只理解了某個單一問題的處理方法，而無法掌握和理解這項實驗在整個系統(tǒng)中的作用以及實驗知識點之間的相互關(guān)系。另外，由于學(xué)生水平的差異，對實驗的認知程度也大不相同，教師需要針對學(xué)生特點，具體分析、挖掘潛力，引導(dǎo)學(xué)生加強創(chuàng)新思維和提高自身科研素質(zhì)。

3.開展綜合性、設(shè)計性實驗受阻

對于給定實驗?zāi)康囊蠛蛯嶒灄l件，由學(xué)生自行設(shè)計實驗方案并加以實現(xiàn)的設(shè)計性、綜合性實驗，在實施中也存在實驗設(shè)備不達標、師生配比低、實驗學(xué)時分配不足等問題。

4.資源配置流于形式

現(xiàn)在還有部分高校實驗建設(shè)體系不到位，各專業(yè)實驗課程開設(shè)不足。學(xué)校雖然也購進了大量比較先進甚至是一些高水平的實驗設(shè)備，但是并沒有充分利用，可以說有許多就是“面子工程”。另外，為了簡化管理，許多高校的實驗室只是在上實驗課的時候才對學(xué)生開放，而其他時間關(guān)閉，這就造成了資源的浪費，實驗設(shè)備利用率低。

二、新工科背景下虛擬仿真實驗教學(xué)的應(yīng)用探索

虛擬仿真實驗教學(xué)是“新工科”實踐教學(xué)的有效實施，是信息技術(shù)與學(xué)科專業(yè)的高效結(jié)合，建設(shè)信息化實驗教學(xué)資源、提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐水平，也是我國高校實驗教學(xué)的發(fā)展宗旨。構(gòu)建高效的虛擬仿真實驗教學(xué)，拓展高校實驗教學(xué)內(nèi)容深度和廣度，推動實驗教學(xué)整體質(zhì)量水平的提高，形成開放的、共享的、有效的高校信息化實驗教學(xué)新體系，從而實現(xiàn)高校對復(fù)合型、新技術(shù)人才培養(yǎng)的教學(xué)轉(zhuǎn)型。下面以模擬實際化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過程的實驗教學(xué)為例探索三維虛擬仿真實驗在人才培養(yǎng)中的應(yīng)用。

1.知識內(nèi)容豐富，細節(jié)展示清晰

虛擬仿真實驗設(shè)計以“以學(xué)生為中心、任務(wù)為主導(dǎo)、體驗為引領(lǐng)”的實訓(xùn)理念，通過三維虛擬仿真技術(shù)，對化工生產(chǎn)設(shè)備裝置中的各種設(shè)備裝置、工藝管線、反應(yīng)儀器、控制中心以及安全設(shè)施等場景進行三維建模，將實際化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過程中的真實場景以VR技術(shù)進行形象逼真地呈現(xiàn)，使學(xué)生在實驗學(xué)習(xí)中有較強的沉浸感。

2.多學(xué)科交叉融合

仿真實驗符合多學(xué)科交叉融合理念，支持基本概念、化工設(shè)備、產(chǎn)品工藝、安全環(huán)保等四級認識實習(xí)內(nèi)容，涵蓋化工、安全、設(shè)備、環(huán)保、自控等上百個生動形象、系統(tǒng)專業(yè)的知識點，有豐富的知識點素材。

3.可自定義教學(xué)內(nèi)容

實驗相關(guān)知識點可自定義編輯，任課教師能夠根據(jù)自己教學(xué)要求，自行添加或刪除知識點內(nèi)容，使學(xué)生的實踐過程更加便捷、高效，滿足個性化需求。

4.實驗運行設(shè)備工作狀態(tài)可透視

虛擬仿真實驗可利用VR技術(shù)，360度動態(tài)展示設(shè)備的外部形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理，可以進入設(shè)備內(nèi)部觀察設(shè)備工作狀態(tài)及工作現(xiàn)象，進行互動式設(shè)備拆裝體驗，使學(xué)生對工藝流程有更真實、直觀的理解。

5.提升學(xué)生綜合能力測評

實驗基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式（OBE教學(xué)理念），按照“結(jié)果導(dǎo)向”和“能力導(dǎo)向”讓學(xué)生在實驗中熟悉化工生產(chǎn)過程，掌握工藝要點的同時，進一步幫助學(xué)生建立對化工行業(yè)、相關(guān)職業(yè)以及技術(shù)專業(yè)的基本認知，提升學(xué)生的工程素養(yǎng)。

綜合測評系統(tǒng)包括理論題測評：除了理論知識的學(xué)習(xí)，還設(shè)置了思考題、問答題，以考查學(xué)生學(xué)習(xí)效果。

工藝流程設(shè)計搭建測評：學(xué)生需根據(jù)工藝流程和原理，自主設(shè)計、繪制工藝流程圖，使學(xué)生將所學(xué)知識靈活運用，有效提高創(chuàng)新、實踐能力。

安全意識培養(yǎng)與評估：軟件包含危險源辨識環(huán)節(jié)，在生產(chǎn)裝置3D場景中設(shè)置了多處疑似危險源，并有提示引導(dǎo)學(xué)生對疑似危險源進行識別和判斷，判斷后給出正確的知識點提示，有效培養(yǎng)學(xué)生安全意識。

完整的認識實習(xí)報告：實驗學(xué)習(xí)結(jié)束后，將理論思考題、簡答題、工藝流程設(shè)計等實習(xí)環(huán)節(jié)，匯總為一份認識實習(xí)實驗報告，方便教師對學(xué)生成績追蹤與備案。

新工科是工程教育發(fā)展到一定階段的必然結(jié)果，給傳統(tǒng)教學(xué)帶來了挑戰(zhàn)。“新工科”的背景對人才培養(yǎng)提出了新要求、新標準，因此，大學(xué)實驗課程的建設(shè)需進一步加強虛擬仿真技術(shù)的前瞻性研究，加強虛擬仿真實驗教學(xué)體系的研究，以期對新形勢下專業(yè)人才的培養(yǎng)提供有效路徑。

參考文獻：

[1]鐘登華.新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[2]蔣宗禮.新工科建設(shè)背景下的計算機類專業(yè)改革[J].中國大學(xué)教學(xué)，2017（8）：34-39.

作者簡介：容強（1971—），男，河南鄭州人，副教授，碩士，CCF會員，研究方向：網(wǎng)絡(luò)安全應(yīng)用、軟件工程、并行計算。