理工类虚拟实验建设问题初探

张苹　杨海峰　丁雷

摘 要：在教育網络化的时代背景下，虚拟实验课程建设是各大高校积极推进的方向。文章对理工类虚拟实验建设的重要性进行了阐述，并针对其建设过程中出现的一些问题进行了思考和方法探索。

关键词：虚拟实验；网络平台；高校教育

中图分类号：G482 文献标志码：A 文章编号：2095-9214（2016）01-0141-01

一、前言

近年来随着高等教育信息化改革地推进，作为高校教育的重要组成实验教学也自然进行了网络化改革。基于Web的虚拟化实验教学正在成为当今诸多高校积极开发的重要内容，并在飞速更新的信息技术支持下日趋完善、成熟[1]。

二、虚拟实验建设的重要性

传统的理工类实验教学主要依赖大量昂贵的实验设备，存在经费投入大、维修频繁、占地广、不宜搬动等问题。这导致了许多实验项目更新太慢、方法陈旧，无法适应社会发展的需要，同时影响学生的学习积极性，而虚拟实验恰好能解决这些问题。虚拟实验是在计算机环境下生成的一种可以创建和体验虚拟世界的系统[2]。其核心是模拟现实技术进行虚拟环境下的实验操作，实验者可以像玩网络游戏一样运用各种虚拟实验器械和设备，完成多项预定的实验项目。一些优秀的虚拟实验软件由于其逼真的场景和灵活的互动性能吸引了众多师生的目光，极大地提高了他们的教学和学习的积极性。在提高师生学习兴趣的同时，虚拟实验也将极大优化和丰富高校实验教学资源，对培养学生的实践、研究、创新能力起到不可估量的作用。但建设虚拟实验项目对许多高校工作者来说是一项全新的挑战，需要不断地去改进和完善。

三、虚拟实验建设中的问题及解决方法

1、虚拟实验网络平台的建设

目前，我校已建成覆盖整个校园的计算机网络系统。虚拟实验网络平台就可以在此基础上展开建设。因为虚拟实验不光是一项单纯的教学活动，还包括完整的实验网络教学管理体系。比如虚拟实验教学进度安排、教学讲义、学生作业提交、老师批改及师生教学互动都需要通过此平台来完成。目前有许多开源式软件支持这项工作，比如Xenservere， NS3等[3，4]。

2、虚拟实验软件的制作

虚拟实验像游戏软件一样需要专人去开发制作，而且在许多方面比之游戏开发更复杂。因为不同的高校有着不同的专业特色，为了使虚拟实验内容更适合学生的培养目标，一定程度上需要定制式的制作，这需要学校、任课老师、制作公司的三方配合[5]。建设期间经费可能会增加、老师工作量也无形加重，如果没有妥善解决这些问题，那么软件制作就可能会被无限期推后或者成品过于粗糙，极大影响教学效果。较好的运作方式是先购买其他高校在用的类似软件，然后以项目的形式分配到责任老师头上，让老师与公司沟通一起修改软件。这在一些高校已经实施，并取得了较好的效果。

3、虚拟与现实实验的有效结合

虚拟实验虽然新颖，吸引了师生的目光。但目前的虚拟实验普遍存在着实验真实感不强，学生无法深切体会实验中出现各种操作偏差之后的结果。对实验仪器会产生的各种问题不能及实体会，限制了学生实践能力水平的提高。因此“虚实结合，互为补充”是将来诸多高校坚持的一项教学原则[4]。比如材料中的拉升实验，老师可以先带学生实体体验一次金属被拉断的过程，然后通过虚拟实验在不同条件下对金属或高分子材料进行拉升实验。这一方面减少了机器购买数量及耗材损耗，另一方面又让学生体验了各种拉升状况，达到了较好的实验教学效果。

4、虚拟实验的经费支持

虚拟实验是一项正在发展的新型教学项目，它的建设及日常的维护管理都处于摸索阶段。许多人认为花大力建成之后，日常维持经费相对实体实验可以少一些。其实，它的正常运作也需要不小的经费支持。有些学校因为前期投入资金较大，导致后期维护困难，严重影响了教学效果。因为虚拟实验中硬件的维护、软件的定期更新、教师学生的定期培训等都需要经费开支，平均一个专业需要每年7万的维持经费来支持运作。为了降低运营成本，在购买公司设备和软件时，尽可能在采购合同中将维保条款罗列仔细，比如延长保修期、增加培训量及赠送软件更新次数等。另外，为了筹措更多资金，学校可以向中央与地方申请共建项目经费支持、呼吁相关企业及校友进行投资建设。只有这样，才能在有限的经费开支中，保障虚拟实验教学的正常进行。

四、结束语

虚拟实验是一项很好、也很重要的实验教学内容。随着全球信息技术的飞速发展，其必将展现更加惊人的教学力量。在这场教学改革中，我们只能树立“虚实结合、互为补充”的原则不断提高自身的科技和教学水平。也只有这样，我们才能培养出真正具有社会竞争力的理工人才。将专业实验课程和虚拟软件结合起来，对加速培养高质量的技术人才和应用人才产生了深远影响。

（作者单位：海南大学材料与化工学院材料系）

基金项目：海南大学教育教学研究项目（项目编号：hdjy1334）；海南省高等学校教育教学改革研究项目（项目编号：Hnjg2015-4 ）；海南大学教育教学改革研究项目（项目编号：hdjy1512）；海南大学重点课程项目资助（项目编号：01J1N0008001001）

参考文献：

[1]汤跃明.虚拟现实技术在教育中的应用[M].科学出版社，2007

[2]刘慧中.虚拟实验在医学化学实验中的应用[J].实验室科学，2013（1）：98-100.

[3]张光勇.基于XenServer的高校数据中心虚拟化应用[J].科技创新与应用，2015（5）：44-45.

[4]李昌国，张晓林，谭良，周霞，吴田峰，杨春.基于GIS和VIRTOOLS技术的虚拟校园漫游开发方法的研究[J].计算机工程与设计，2007，28（13）：3223-3226.

[5]Graham C.Emulation-Based Virtual Laboratories：A Low-Cost Alternative to Physical Experiments in Control Engineering Education[J].IEEE TRANSACTIONS ON EDUCATION.2011，54（1）： 48-55.