高校組織建設(shè)虛擬仿真實驗教學項目的思考
——以河北大學為例

常 亮，劉慧君，孫學軍，張曉瑜，陳雪錚

（河北大學 綜合實驗中心，河北 保定 071002）

進入21 世紀以來，以互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實、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)濟社會發(fā)展帶來巨大變化。如何適應新時代的變化，將新的科技手段應用到實驗教學中，不斷提升教學水平，是擺在各高校面前的重要課題，須認真研究。

虛擬仿真實驗教學是在新時代高等教育內(nèi)涵式發(fā)展背景下，實驗教學主動適應新技術(shù)變革，提升學生的創(chuàng)新精神和實踐能力，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“智能+教育”的積極探索，也是推動人才培養(yǎng)質(zhì)量提升的新動力，對高等教育發(fā)展具有重要的全局性意義[1]。

1 虛擬仿真教學項目建設(shè)現(xiàn)狀

1989 年，美國學者威廉·沃爾夫首次提出虛擬實驗室的概念[2]。經(jīng)過30 多年的建設(shè)，發(fā)達國家虛擬實驗室已經(jīng)普及，各大院校和科研機構(gòu)先后開展虛擬實驗室的建設(shè)，并將其應用到教學科研工作中[3]。我國的虛擬實驗室建設(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 個國家級虛擬仿真實驗教學中心。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驗教學項目建設(shè)的通知》（教高廳〔2017〕4 號），計劃在高校實驗教學改革和實驗教學項目信息化建設(shè)基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌規(guī)劃2017—2020 年在60 個學科類別中認定1 000 項左右的示范性虛擬仿真實驗教學項目[4]。其中2017 年計劃認定 100 個項目，最終認定105 項；2018 年計劃認定250 個項目，最終認定296 項；2019 年計劃認定300個項目，最終認定327 項；2020 年計劃認定350 個項目（目前仍在認定過程中）。2017—2020 年度虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)數(shù)量如圖1 所示。

圖1 2017—2020 年度虛擬仿真實驗教學項目認定數(shù)量

2 虛擬仿真實驗教學項目的優(yōu)勢與不足

2.1 虛擬仿真實驗教學項目具有的優(yōu)勢

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

（2）仿真效果強。虛擬仿真實驗通過綜合運用交互式多媒體、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等現(xiàn)代技術(shù)，可以將微觀變?yōu)楹暧^，將不可見變?yōu)榭梢?，并以生動的形式展現(xiàn)出來。許多高校在實驗教學中遇到的“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。虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)的初衷是通過“智能+教育”，重點解決真實實驗項目條件不具備或?qū)嶋H運行困難、涉及高?；驑O端環(huán)境、高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓練難展開等問題[6]。充分利用虛擬現(xiàn)實、人機交互和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，引導學生在高度仿真的虛擬環(huán)境中開展實驗，降低了實驗教學中的危險程度，保障了實驗的安全進行。

（4）學習趣味性濃。虛擬仿真實驗具有沉浸感、交互性、想象性和智能性等特征，通過現(xiàn)代科學技術(shù)，構(gòu)建出高度仿真的實驗教學環(huán)境，使學生產(chǎn)生置身其中的感覺，能夠有效激發(fā)學生學習興趣和學習潛能，提升學生學習的主觀能動性，啟發(fā)學生的創(chuàng)新性思維[7]。

2.2 虛擬仿真實驗項目存在的不足

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

（2）真實性欠缺。虛擬仿真實驗項目能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬系統(tǒng)實驗過程及其結(jié)果的展示與真實系統(tǒng)的實驗過程與結(jié)果高度一致，但對于虛擬實驗者的感受，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)支撐它對現(xiàn)實的仿真，它的程序設(shè)計相對固化，但是現(xiàn)實生活中有很多的不可預測性，不一定會完全按照設(shè)計思路發(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驗項目是以校企合作的模式研發(fā)，高校教師具備豐富的實驗設(shè)計經(jīng)驗但缺乏軟件開發(fā)經(jīng)驗，而制作技術(shù)人員恰恰相反。理論上雙方合作可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補。但在實際制作過程中，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)計理念，制作出的軟件效果時常低于教師的預期，需要雙方反復溝通，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，反復修改設(shè)計和不斷提升制作標準會加大企業(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驗項目建設(shè)目標的分歧，最終影響產(chǎn)品的實際效果。

3 虛擬仿真實驗教學項目的基本模式

自教育部開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)以來，我校積極組織本校虛擬仿真實驗教學項目的開發(fā)與建設(shè)，經(jīng)過6 年多的摸索與實踐，已形成了相對穩(wěn)定、行之有效的建設(shè)模式，截至目前，已建成一個國家級、兩個省級和若干個校級虛擬仿真實驗教學中心。

3.1 強化虛擬仿真項目立項工作，做好項目的建設(shè)規(guī)劃和儲備

虛擬仿真實驗教學項目的建設(shè)理念是：按照新時代高等教育人才培養(yǎng)要求，建設(shè)符合一流本科教學的實驗教學條件和人才培養(yǎng)模式，探索信息化背景下培養(yǎng)學生創(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)理念的指導下，我校自2017 年開始，每年組織一次校級虛擬仿真實驗項目立項，按照教育部的建設(shè)規(guī)劃，提前布局，超前立項建設(shè)。通過立項，篩選并培育優(yōu)秀項目。截至2019 年底，全校共收到立項申請68 項，最終認定校級虛擬仿真實驗教學項目46 項，重點支持建設(shè)項目13 項，其中2018 年度有5個項目被教育部認定為國家虛擬仿真實驗教學項目（見表1），2019 年度有6 個項目被推薦參加評選認定。

表1 2018 年度河北大學被教育部認定為 國家虛擬仿真實驗教學項目一覽表

3.2 堅持項目建設(shè)的原則，從源頭截斷低質(zhì)量項目的流入

虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)首先要堅持“能實不虛”的原則，即實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的實驗教學功能，在涉及高?；驑O端的環(huán)境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況時，提供可靠、安全和經(jīng)濟的實驗項目，充分體現(xiàn)虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛的原則[9]。其次要堅持“高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度”，即“兩性一度”標準。高階性是指知識能力素質(zhì)的有機融合，培養(yǎng)學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維；創(chuàng)新性是指教學內(nèi)容反映前沿性和時代性，教學形式體現(xiàn)先進性和互動性，學習結(jié)果具有探究性和個性化；挑戰(zhàn)度是指實驗項目要有一定難度，需要學生努力才能完成[10-11]。

“能實不虛”和“兩性一度”也是我校篩選和培育優(yōu)秀項目的基本依據(jù)。在虛擬仿真項目建設(shè)的論證過程中，我校拋棄了一批“模擬實驗”項目，這些實驗設(shè)計只是把真實實驗的操作過程原原本本地通過仿真技術(shù)進行了還原，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驗不能是簡單地點擊按鈕或打開開關(guān)，重點是通過試錯、計算等互動手段，觸發(fā)學生的思考和探索。我校鼓勵在虛擬仿真項目建設(shè)過程中將科研成果及時轉(zhuǎn)化為實驗教學項目的內(nèi)容，讓學生早接觸前沿科學內(nèi)容、早進實驗室、早參與科學研究與探索。

3.3 把牢項目建設(shè)的方向，從頂層統(tǒng)籌規(guī)劃各學科的實驗教學體系建設(shè)

按照教育部一流本科課程建設(shè)的要求，將虛擬仿真實驗教學項目納入相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)方案，更重要的是切實將虛擬仿真實驗項目應用到實驗教學當中去，利用虛擬仿真項目的巨大優(yōu)勢彌補實驗教學的短板。

虛擬仿真實驗項目的建設(shè)，需要依托教學大綱、依托教學需求、圍繞課程體系來建設(shè)。虛擬仿真實驗教學是現(xiàn)實教學的有力補充和發(fā)展，學校要在頂層設(shè)計上，做好虛擬仿真項目建設(shè)的長遠規(guī)劃，將零散項目凝結(jié)到實驗教學的主軀干上來，最大限度發(fā)揮虛擬仿真項目在實驗教學中的作用。以我校建筑工程學院為例，在建設(shè)虛擬仿真項目前，首先認真梳理了土木工程專業(yè)有多少門實驗課程是必須要開設(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)的實驗課程又有哪些可以利用虛擬仿真手段實現(xiàn)的。選好方向后，每年重點建設(shè)1～2 個項目，利用4 年的時間打造一套虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合、線上與線下相結(jié)合的高質(zhì)高效的實驗教學體系。

3.4 切實發(fā)揮好服務(wù)職能，全力保障項目建設(shè)順利進行

虛擬仿真實驗項目的建設(shè)需要學校在資金、人員、政策等各方面的支持，項目組提出的各項需求，都是我校實驗管理部門努力的方向。

（1）資金方面。為確保項目建設(shè)經(jīng)費有保障，我校每年專門投入資金200 萬元用于對虛擬仿真實驗項目建設(shè)進行立項支持。根據(jù)項目的質(zhì)量和建設(shè)進度，我校將建設(shè)的虛擬仿真項目分為重點支持項目和一般支持項目兩類，重點支持項目最高可獲得學校20 萬元的資金支持，一般支持項目最高可獲得學校10 萬元的資金支持，對優(yōu)秀的建設(shè)項目，建設(shè)過程中還可進一步申請資金支持，以便能夠高質(zhì)量完成項目建設(shè)。

（2）人員方面。校、院兩級積極協(xié)調(diào)，全力支持項目建設(shè)。每個團隊至少有3 類人員：一是實驗教學一線的教師，他們最了解實驗內(nèi)容，可以做出最好的實驗設(shè)計；二是操作實驗的學生，他們是實驗課的最終對象，可以點評實驗項目的實際效果；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)團隊，他們知道如何實現(xiàn)實驗教師的設(shè)想。

（3）政策方面。力求項目制作團隊無后顧之憂。針對教師關(guān)注的工作量評定、職稱評審、獲獎評優(yōu)等問題，學校專門出臺了相應措施，使虛擬仿真項目制作團隊的工作得到最大程度的認可，鼓勵廣大教師參與虛擬仿真實驗項目的建設(shè)。

3.5 兼顧“請進來、走出去”，做好橫豎對比，精心打磨優(yōu)質(zhì)項目

在虛擬仿真實驗項目的建設(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相關(guān)專家進校園，指導虛擬仿真實驗項目建設(shè)，并一對一地把脈診斷，指出項目建設(shè)中存在的問題，并提出修改意見；另一方面積極促成項目組成員走出校門，去了解最新動態(tài)，去其他院?？疾鞂W習虛擬仿真實驗項目建設(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驗項目建設(shè)得更加完善。

3.6 持續(xù)關(guān)注虛仿項目的實際應用，不斷督促后期的更新完善

教育部明確要求，將虛擬仿真實驗教學項目納入相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)方案和課程體系，制定相關(guān)教學效果評價辦法。根據(jù)學生和教師的反饋，改進相關(guān)教學評價機制[11]。我校高度重視虛擬仿真項目建設(shè)完成后的實際應用和持續(xù)更新工作，所有項目必須放到實驗教學中接受檢驗，決不能建設(shè)結(jié)束后就束之高閣，無人問津。學校專門組織力量對學生使用虛擬仿真實驗的情況進行調(diào)研，對實際使用過程中發(fā)現(xiàn)的仿真效果欠佳、操作步驟繁瑣、個別數(shù)據(jù)報錯等問題，及時反饋給項目組成員，不斷修改、完善設(shè)計方案，切實將虛擬仿真項目打造成精品實驗課程。

4 結(jié)語

國家虛擬仿真實驗教學項目是國家級實驗教學示范中心建設(shè)的深化與延續(xù)，是進一步豐富實驗教學理念，完善實驗教學體系，深化實驗教學內(nèi)容和方法改革，建設(shè)信息化、智能化實驗室的重要舉措，是新時代實驗室建設(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，在推動實驗教學改 革的進程中必將發(fā)揮出重要的作用。