新建本科院校虚拟仿真实验室的建设及教学

田 婧，罗 通，罗华锋，邹太和

(宜宾学院 a.化工学院；b.图书馆，四川 宜宾 644000)

新建本科院校虚拟仿真实验室的建设及教学

田 婧a，罗 通b，罗华锋a，邹太和a

(宜宾学院 a.化工学院；b.图书馆，四川 宜宾 644000)

虚拟仿真实验室是信息技术下的新兴产物。该文阐述了虚拟实验室的发展现状，分析了新形势下开展虚拟仿真实验教学所面临的挑战，研究了新建本科院校建设虚拟仿真实验室的策略。结果表明，虚拟仿真实验室为多元化实验教学模式提供了更有力的平台，也丰富了实验教学内容。

虚拟仿真实验室；实验教学；多元化；建设

随着虚拟实验技术的成熟，人们开始认识到虚拟仿真实验室在教育领域的应用价值，它除了可以辅助高校教师的科研工作，在实验教学方面也具有利用率高、易维护等诸多优点。在国家信息化发展战略指导下，教育信息技术在教学领域和管理过程中的应用正在逐步深入，有力促进了教育模式、教学方法和学习方式的深刻变革，各高校为了顺应教育信息化的发展趋势，根据科研、教学及服务社会等的需要建设虚拟仿真实验室，对高等教育质量的提升和实验教学改革的深化，产生着积极而又深远的影响。

1 虚拟仿真实验室的发展现状

1.1 虚拟仿真实验室的定义

合作实验室(collaboratory)是虚拟实验室的最初提法，关于它的定义也经历了一些演变。联合国教科文组织将虚拟实验室定义为：利用分散的信息和通信技术以创造及获取成果为目的，在科研与其他创造性活动中进行远距离合作和实验的一种电子协作组。

虚拟仿真实验室就是指由虚拟现实技术、虚拟仪器技术、网络技术等多媒体技术组成的一类以实现数据采集、分析的远程操作为目的的系统，包括相应的实验室环境、相关的实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等。

虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的教学效果[1]。

1.2 党中央、国务院高度重视教育信息化工作

我国的高等教育经历了“十一五”和“十二五”本科教学质量工程规划，在高等学校特色专业建设点、国家精品课程、国家级实验教学示范中心、人才培养模式、创新实验区、国家级教学团队、双语教学示范课程等方面取得了丰硕的成果。“十一五”期间，建立了501个国家级实验教学示范中心，涵盖了物理、化学、生物、电子、计算机、文科综合、考古等32+1个学科，国家为每个中心拨款50万元；“十二五”期间，2011年有100个部属院校建立国家级实验教学示范中心，2012年有120个省属院校(包含8家军队院校)建立国家级实验教学示范中心。尽管已经取得了不错的成绩，但也尚存不足：实践能力、创新能力不够；个性化、自主性不够；资源配置有效性不高，管理能力薄弱，重申报重结果、轻建设轻过程等。故党中央、国务院在国家教育方面又提出了新的要求。

《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010～2020年)》指出，“信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视”，并把“加快教育信息化进程” 单独作为一部分进行了专门的阐述[2]。教育部加强了对实验教学工作和实验教学信息化工作的宏观指导，并出台了强有力的政策：2012年3月13日，教育部印发了《教育信息化十年发展规划(2011-2020)》[3]，提出了信息技术与高等教育相融合的指导思想和工作方针，提出了加快职业教育信息化建设、培养高素质技能型人才、整合信息资源、完善终身教育体系等任务目标；2012年3月16日，《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》(教高〔2012〕4号)[3]，该《意见》分30个部分阐述了高等教育需坚持内涵式发展、促进高校办学特色、完善人才培养质量标准体系、优化学科专业和人才培养结构、创新人才培养模式、巩固本科教学基础地位、改革研究生培养机制、强化实践育人环节、加强创新创业教育和就业指导服务、加强和改进思想政治教育、健全教育质量评估制度、推进协同创新、提升高校科技创新能力等内容，该意见加强了信息化资源共享平台建设，并向高校和社会开放等。教育部在2013年发布了《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》(教高司函〔2013〕94号)[4]，提出虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物。提出了虚拟仿真实验教学中心建设工作的指导思想、建设宗旨、建设核心和建设重点，持续推进实验教学信息化建设工作，推动高等学校实验教学改革与创新。并鼓励各高校积极开展虚拟仿真实验室的建设与申报工作。

1.3 常见虚拟仿真实验室系统运行模式

据调查，清华大学、浙江大学、天津大学、中南大学、北京邮电大学等一些知名高校都建立了不同学科的虚拟仿真实验室。现在比较成熟的虚拟实验室运行系统分为4大模块：教师模块、学生模块、管理员模块、系统自动测评模块。各模块所适应的群体不同、功能也不同，他们之间相对独立、同时又相互关联，其运行系统图如图1所示[5]。具体运行情况如下：1)实验教师经虚拟仿真实验室管理员授权后进入系统，在网上对学生的实验进行辅导和管理，并指导学生实验、对学生提出的问题进行在线答疑、批改实验报告等；2)学生注册后并经管理员授权后进入仿真实验系统参与实验，在学生完成实验过程中，计算机将记录整个实验操作过程、协同工作过程及其实验结果等，而且计算机可以根据已设定的评分细则和学生的操作过程与结果，给出一个正确评价；3)虚拟仿真实验室管理员的主要职责是对整个实验系统进行维护管理，包括提出完善实验系统的方案、对教师和学生开放虚拟仿真实验权限、发布实验信息和教程等。

图1 虚拟仿真实验室运行系统图

1.4 虚拟仿真实验室的意义

对于理工科专业来讲，实验是教学过程中的一个重要环节。但目前各大院校的实验教学存在以下问题：实验经费不足，实验设备严重缺乏，例如，一些新建本科院校学校实验场地空间有限，不能满足所有学生在实验室进行实验；一些处于城市市区的高校开设的验证性实验多，综合性实验少；一些师范类院校基本操作性实验重复多，占用课时量大。远程教育的不断发展，随之而来的远程教育中的实验已经成为我们面临的一个难题。为解决这一系列问题，虚拟仿真实验技术通过计算机多媒体技术的丰富表现形式，使实验教学信息化，有效地组织实验教学和实验过程，还能大大激发学生的学习兴趣，有利于开拓学生创造性思维和创新意识。虚拟仿真实验室的建立使得很多实验能在电子设备上进行，这样能有效解决实验经费、实验设备、实验场地的限制，能随时开设不同性质的实验，使理论与实训有效地结合。

虚拟仿真实验教学具备实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。在涉及高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时，提供可靠、安全和经济的实验项目[1]。这是真实实验所不能替代的。

由于互联网的加入，虚拟仿真实验室加强了学校与学校之间、学科与学科之间、教师之间、师生之间的联系与交流，使得教学资源得到充分地共享、教与学更加开放包容。

2 建设虚拟仿真实验室所面临的挑战

随着电子信息技术的发展，随着网络多媒体等硬件技术的发展，使人们的学习方式和获取知识的途径变得多样化，基于信息技术和互联网络的全新教学方式、学习技术和自主学习环境不断得以完善，促使教育教学发生革命性的变革，要求教育工作者必须拓展思维，系统地思考虚拟仿真实验室的建立，并科学规划，迎接挑战，把握机遇，更好地为师生服务。

2.1 教师传统实验观念变革的挑战

很多教师认为传统实验室的教学能让学生正确熟练地掌握各种基本实验操作技能；也能在有了一个好的基础上，开展更深层次的实验教学实践；最后还能开展自由度灵活度更大的自主性实验。他们认为经过这一系列的实验教学，不仅能锻炼学生的操作，更能提高学生的能力、激发学生的潜能，是虚拟仿真实验室所不能取代的。但是虚拟仿真实验室也有其自身的优点，首先能降低实验的安全事故，学生可以自由选择时间多遍演示实验，直到达到自己的学习目的；其次虚拟仿真实验室不需要购置大型精密仪器，能节约开支，还能让学生掌握大型精密仪器的使用技巧和方法；最后虚拟仿真实验室能随时开放，能增加学生的实验学习时间，能让学生自主学习掌握更多实验技巧和操作。所以如何将传统实验室和虚拟仿真实验室的各自优点和长处融合兼并，如何让老师能在新时代的教育方式下进行实践思考，是一个比较严峻的考验。

2.2 提升教师信息技术应用能力的挑战

虚拟仿真实验室是以电子信息技术为主导的新技术新媒介和新概念。建设和使用虚拟仿真实验室都需要教师不仅具有强有力的专业知识，还需要有应用信息技术的能力素质。这就需要学校采取有力措施，加强对教师信息技术相关技能的培训；实行政策激励，鼓励和支持教师积极投入实验教学改革、实验模式创新和新技术应用研究；同时，制定考核标准，对教师的信息素养和信息技术应用能力提出明确要求[3]。

2.3 学生学习方式变革的挑战

学生是学习的主体，如何让学生适应以兴趣为导向、充满个性化自主特色、基于互联网模式下的具有交互功能的开放式在线学习是重中之重。这要求学生必须学会虚拟仿真实验室软件的使用方法，学会查阅自己感兴趣的方向和专题，学会在线学习和讨论，学会变被动学习为终身的主动学习。

就此而言，如何构建面向自主学习的开放互动教学平台，建立以学生开放自主实验为主的虚拟和远程实验环境，使学习者能够灵活快捷地获取优质教学资源，通过学习过程中的交流、互动、协作与评价，完成高效低耗多样化的实验[6]，是建设虚拟仿真实验室的重要任务。

2.4 教学实验经费的挑战

虚拟仿真实验室的建设前期阶段因为需要开发软件、购置信息技术相关的硬件设备、规划和建设实验室场地、建设实验室信息管理系统、引进和培训师资队伍等项目，都需要大笔的经费投入，这远远超过了运行真实实验的实验经费，这点对于一些高校的管理者或教师是不能接受的，他们宁愿坚持开展真实实验，而不是虚无缥缈的虚拟实验。但是真实实验的仪器、设备、器皿、药品及耗材等都需要每年反复投入经费，而虚拟仿真实验室建设完成后只需要维护就能长期进行大量实验教学。所以如何让管理者和教师们能理解建设虚拟仿真实验室的前期经费的投入是值得的，这也是重中之重。

3 新建本科院校建设虚拟仿真实验室的策略

新建本科院校是中国高等教育从精英教育向大众化教育转型产物，已逐步成为我国高等教育的重要组成部分。新建本科院校既面临着学科专业水平不高，经费不足，教育环境差，教师整体水平较低等诸多发展困境，同时也具有教师队伍年轻而富有活力，地方政府倾力支持，地域特色明显等发展优势[7]。

基于这一特色，大多数新建本科院校承担了基础应用型和实用型人才的培养。对于理工科学生来讲，实验教学是巩固、加深和拓展理论知识的重要途径，是培养学生实践综合能力、分析和解决问题能力的重要环节。而很多教师在实验教学中过于注重基本操作，浪费了大量的时间和金钱，不能有效地达到锻炼学生科学思维的目的；而且新建本科院校缺乏实验经费、实验设备、实验场地和空间，不能满足所有学生进行所有实验项目。各新建本科院校如何通过建设虚拟仿真实验室来弥补这一不足，是值得思考和探讨的。

3.1 建设虚拟仿真实验室应贯彻的基本方针政策

教育部〔2005〕8号文件中提出实验教学必须树立以学生为本，知识传授、能力培养、素质提高、协调发展的教育理念和以能力培养为核心的实验教学观念；建立有利于培养学生实践能力和创新能力的实验教学体系；建设满足现代实验教学需要的高素质实验教学队伍；建设仪器设备先进、资源共享、开放服务的实验教学环境，建立现代化的高效运行的管理机制[8]。

各新建本科院校应在建设虚拟仿真实验室的过程中全面贯彻此思想，通过发文让各理工科教师认识到建设虚拟仿真实验室的必要性，并让他们全面调研考察提出可行性报告，用于指导虚拟仿真实验室的建设。

3.2 建设虚拟仿真实验室应科学规划，突出自身特色

高校建设虚拟仿真实验室就是在有限的人力、资源、资金范围内，运用现代科学信息技术和管理学的方法，对虚拟仿真实验室进行建设和管理，最终达到服务师生，培养出更多杰出人才的目的。

建设虚拟仿真实验室的前期工作主要是硬件的投入、场地的规划和建设、计算机网络服务平台设施、虚拟仿真教学仪器及设备、实验室信息管理系统的建设。搭建好硬件平台后，还要进行软件购买、合作开发应用及课程的持续开发[6]。最后就是虚拟仿真实验室的有效运行和维护。

各普通院校可以外派教师出去考察学习，到已经建立了虚拟仿真实验室的985、211名校去取经，学习他们的建设思路和方法，学习他们的运行机制和管理方法，并与本校实际相联系，突出自身特色，做到科学规划，资源共享，突出重点，提高效益，达到持续发展。

3.3 建设虚拟仿真实验室应注意与企业合作，为地方服务

学校培养的人才，最终是要走向社会，为企业服务的。高校只有懂得企业的人才需要方向，才能因材施教，因地制宜地建设不同性质的虚拟仿真实验室。根据目前的企业需要，虚拟仿真实验室可分为基础学科仿真实验设计平台，综合应用仿真实验设计平台，预科研仿真实验设计平台等。学校的分层次建设和教育更能开发学生的能力并培养出满足不同需要的人才。

虚拟仿真实验室的软件建设离不开软件开发企业，高校的专业教师有大量的理论知识、实验数据和实验技巧，而虚拟软件开发公司有编写程序和制作软件的经验，二者只有有机结合，才能很好地完成实验室的建设任务。

利用企业的开发实力和支持服务能力，充分整合学校信息化实验教学资源，做到校企合作，培养应用型人才，为地方发展提供支撑，为地方的各个行业提供人才服务。以宜宾学院为例，可以与宜宾的酒产业、化工业、矿业等相关企业联合开发，做到产、学、研的有力结合。

3.4 虚拟仿真实验室应与传统实验室虚实结合

虚拟仿真实验室是传统实验室的延伸和有效补充，它可以弥补传统实验室的不足；可以丰富实践教学的内涵，带动实践教学模式的创新；深刻影响教师教学授课方式，带动专业建设与改革；可以激发学生学习兴趣，提高学习质量和效果[9]。

目前虚拟仿真实验室常见的补充实验分为以下5类：1)专业教学环节有要求，但实际实验过程中无法完成的部分实验[10]；2)实际实验过程中会造成大量资源浪费，或实验效果没有虚拟实验灵活高效的实验[10]；3)实际实验过程中会造成大量环境污染的实验；4)危险度高的实验；5)是需要反复实践记忆或者摸索条件的实验。

各新建本科院校可根据自身的专业设置情况及下一步的发展需要，并结合专业学科特性，自行建设相关的虚拟仿真实验室，做到虚实结合，并以实为主，不能喧宾夺主。最为重要的是要与学科特色紧密结合。

4 结束语

虚拟仿真实验室的建设工作已经全面展开。利用这一平台，教师可以在学生操作真实实验之前对其进行前期实验指导；可以模拟科研、接近实际应用，重点学习研究问题的思路和方法。它打破了实验时间、空间、仪器套数和仪器水平的限制。我们应全面认识虚拟仿真实验教学的功能，并掌握虚实结合、相互补充的原则。我们坚信，虚拟仿真实验室的建设能将先进的实验教学理念和创新的实验教学方法得以广泛的应用，是今后实验室的一大发展方向。随着建设工作的不断深入，还会有不少新的问题产生，这需要我们在实践中加以完善解决。

[1]中华人民共和国教育部. 关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[S].北京：中华人民共和国教育部. 2013.

[2]中华人民共和国教育部.教育信息化十年发展规划(2011-2020年)[S].北京：中华人民共和国教育部.2012.

[3]中华人民共和国教育部. 教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见[S].北京：中华人民共和国教育部.2012.[4]国家中长期教育改革和发展规划纲要工作小组办公室. 国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)[S].北京：中华人民共和国教育部. 2010.

[5]于海明, 谢秋菊, 杜雪亭等. 基于网络的《流体力学》虚拟仿真实验室的设计[J]. 牡丹江师范学院学报:自然科学版,2009(2)：23-24.

[6]王卫国. 虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J]. 实验室研究与探索, 2013, 32(12)：5-8.

[7]杨涛, 王兴林, 童文胜. 新建本科院校发展之路探索[J]. 高等教育研究, 2007, 28(11)：60-65.

[8] 中华人民共和国教育部. 教育部关于开展高等学校实验教学示范中心建设和评审工作的通知[S].北京：中华人民共和国教育部. 2005.

[9]赵钢. 高校食品虚拟仿真实验室建设项目管理[J]. 北京农业职业学院学报, 2013, 27(5)：103-107.

[10]杨红霞. 建筑工程虚拟仿真实验室建设的必要性例证[J]. 山东英才学院学报, 2014, 10(1)：31-33.

Construction of Virtual Simulation Laboratory and Teaching Research in Newly-Founded Colleges

TIAN Jinga, LUO Tongb, LUO Huafenga, ZOU Taihea

(a.College of Chemistry and Chemical Engineering；b.Library,Yibin University,Yibin 644000,China)

Virtual simulation lab is a new product of information technology. This paper first described the development status of the virtual laboratory, analyzed the challenges of the virtual simulation experiment teaching under the new situation, and researched the strategy of the constructions of the virtual simulation laboratories. The virtual simulation laboratory provides a more powerful platform for experimental teaching, and enriched the teaching content.

virtual simulation laboratory; experimental teaching; diversification; construction

2014-07-30

宜宾市科学技术局项目(2014ZSF005)；四川省2013-2016年高等教育人才培养和教学改革项目(新建本科院校基于教师科研的开放学生实验运行机制研究)。

田 婧(1986-)，女，硕士，实验师，主要从事无机化学、材料化学和实验室方面的管理工作。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.069