虚拟仿真实验平台在实验教学中的应用现状＊

关松磊

在国家信息化发展战略的引导下，教育部于2013年3月颁布《教育信息化十年发展规划（2011～2020年）》，分别制定了基础教育、职业教育、高等教育、继续教育和教育管理信息化发展水平框架。虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设的重要内容，也是近年来我国在高等院校实验教学中主要推进的项目。根据2013年教育部《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》精神，将利用10年的时间连续资助开展1000个国家级虚拟仿真实验教学中心建设，遴选和开发1500套虚拟仿真实训实验系统。[1]从2013-2015年，已经建成了300个国家级的虚拟仿真实验中心，涉及理工、农林医药、人文社科各个学科方向，普及至中央部级院校、省属院校、军队院校等各级各类高校，惠及东、中、西部各地区的高校。[2][3]

一、虚拟仿真实验平台的建设和应用

虚拟仿真实验平台（Thevirtualsimulationlaboratory）作为学生实验技能培养的辅助手段，可以与实际操作相结合、相补充，虚实结合，在虚拟操作平台可以进行各类实验操作，[4]可以同时操纵多台仪器，将来可能会颠覆传统的教学理念和教学模式，成为新时代教学改革的主要方向之一。300个国家级虚拟仿真实验中心，从学科分布来看，理工类占优势，达70%左右，而农林医药学科和人文社科类数量较少，说明理工类学科更适合开展虚拟仿真实验。从学校来看，中央部属院校占的比例较大，省属院校的比例在逐年增加，说明国家前期投入中央部署院校较多，以后逐步向地方院校倾斜。从地区分布来看，东部11个省份所占的比例明显优于中部和西部，说明东部院校普遍更加注重教学改革和教学创新，重视虚拟仿真教学。（见表1）

（一）虚拟仿真实验在生物学实验中的应用

生物学是一门实验科学，实验项目多、种类复杂、实验要求高，虚拟仿真实验室的建设迫在眉睫。生物学实验教学资源的信息化建设体现了虚拟现实技术与实验教学的深度融合，在2013—2015年评估建设的300个国家级虚拟仿真实验中心中，有11个生物类的国家级虚拟仿真实验中心，代表了生物类虚拟仿真实验室的最高水平。虚拟实验中心可以延伸实验教学的时间和空间，克服生物学实验中共聚焦显微镜、流式细胞仪等仪器贵重、标本资源短缺的困难，大大提升了实验效果。[5]如华中师范大学利用虚拟平台开发了6个模块、75个项目的虚拟实验，包括分子生物学实验、生物形态学实验、动物生理及人体解剖学实验、师范生实验教学技能训练模块、仪器设备培训模块、动植物野外实习模块，大大提高了学生的动手和创新能力，促进了实践教学的改革。[6]王甜等[7]总结反思了生物类虚拟仿真实验中心建设过程的问题与对策，从指导思想到教学资源建设、软件共享等层面，提出了相应的共享平台、共享机制等对策，为更好地建设实验平台设计了良好的思路。

表12013—2015年300个国家级虚拟仿真实验教学中心的分布情况

（二）虚拟仿真实验在理工学科实验中的应用

虚拟仿真实验在理工学实验中的应用范围和应用价值最大。理工学本科实验包括的学科种类和项目很复杂，诸如土木工程、机械工程、化学工程、建筑工程、自动化、化学、物理、电子等，这类实验和实训项目往往需要大型的实习基地和实验设备，属于高成本、高消耗的项目。如，东南大学国家级机电综合虚拟实验教学中心依托十多个机电类专业的学科优势，开设基础课程40多门和综合实践项目200多项，涵盖机械、电子、信息，自动化等专业领域，形成了分层次、模块化的虚拟仿真与训练课程体系，为高水平本科生培养和创新能力塑造打下了坚实基础。[8]另外，如机车、大型船舶、飞机的操作等涉及高危和极端环境，都需要虚拟仿真的帮助。清华大学材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心开设了高危、高成本、高污染、极端条件下的材料制备分析及加工的虚拟仿真课程30门，组建了专用的教学实验室，3D立体显示平台，15万亿/s计算集群及多种材料加工分析软件，并且还自主开发了铸造过程模拟软件，建立了安全可靠、绿色节约的教学平台，加速了教学模式创新和科技成果转化，成了培养高素质人才的教学平台。[9]另外，随着招生规模的扩大，学校的教学设备和实习场地往往不足，还有一些实验，如机械模具设计等，本身就需要在计算机软件的辅助下完成。

（三）虚拟仿真实验在医药学实验中的应用

医学实验的对象往往是动物或微生物，实验操作难度大，结果难以控制，学生由于缺乏实际的操作经验，实验失败率很高，严重挫伤了其参与实验的积极性。利用虚拟仿真实验平台，可以让学生在真实实验之前进行预演，不仅可以提高实验的成功率，还可以增加学生对实验的兴趣。2013—2015年，教育部高教司共评估组建了近30个医学类的国家级虚拟仿真实验教学中心，各省医学类虚拟仿真教学中心也纷纷建立，大大促进了医学院校的实验室建设和实践教学水平。门秀丽等[10]在病理生理学实验中分3个阶段推进虚拟仿真实验，制作了实验教学模块。通过座谈、问卷调查、期末考试等方式进行了结果考核，发现，实施1年后，实验班的考试成绩明显优于对照班，说明虚拟仿真实验模块确实提高了实践学习的效果。田星等[11]在药剂学实验教学的GMP虚拟仿真实训中应用了虚拟实验平台，采用了仿真软件模拟GMP的要求，对生产设备和生产场景进行模拟，完成药品的生产工艺流程，弥补了现实中GMP实训场地和设备的短缺。

（四）虚拟仿真实验在农林类实验中的应用

300个国家级虚拟仿真实验教学中心中，农林院校和专业所占的比例较低，一共组织建设了14个实验室，多数集中在森林、农业机械、园林、野生动物等极端环境或需要大型设备的专业。2013年，中南林业科技大学的森林防火虚拟仿真实验教学中心成为首批国家级虚拟仿真实验教学中心，为森林防火应急行动和快速灭火支援模拟训练提供了良好的平台。华中农业大学的李润声等[12]以机械类课程中的制钵机的动画制作为案例，结果发现，学生接受度很高，成绩明显提高，证明虚拟仿真平台在农业机械教学中可以发挥重要作用。南京农业大学在微生物学实验中进行虚拟仿真教学的探索，构建了基础微生物学和应用微生物学两大教学模块，同时将污水生物处理技术、食用菌资源等该校的科研成果也转化为仿真教学资源，既发挥了自身的特色优势，又丰富了实验教学的内容，提升了学生参与动手实践的兴趣。[13]此外，周彦珍等[14]提出了建设中国农业科教虚拟仿真实训系统的构想，并形成了比较可行的构建思路和建设方案。利用农业科教虚拟仿真实验平台系统，将推动农业领域相关实验水平的提高。

（五）虚拟仿真实验平台在其他领域的应用

300个虚拟仿真实验中心，学科门类非常广泛，除了理工科类、农林类、生物学类、医药类以外，还有人文社科类。涉及的院校除了综合类大学、理工类大学、农林医药类大学，还有师范类、民族类、军队院校、体育、艺术、政法等。例如，在2013年首次获批的国家级虚拟仿真实验教学中心就包括了武警学院消防虚拟仿真实验教学中心，有效地提高了武警院校消防实战演练的水平。2015年中国美术学院跨媒体艺术虚拟仿真实验教学中心也成为国家级虚拟仿真实验教学中心，是国内艺术教育最先进、最新锐的实验教学平台。李虹[15]介绍了经济管理类科目构建国家级虚拟仿真实验中心的经验，构建了“互联网+云计算+大数据”，搭建了具有“O2O协同+流程仿真”特色的实验→实训→实战→研究一体化教学平台，拓展经济管理虚拟仿真实验教学空间。

二、虚拟仿真平台建设中的不足

（一）虚实结合程度把握不准确

教育部曾明确要求，虚拟仿真实验教学中心要充分体现虚实结合、相互补充、能实不虚的原则。不可以盲目追求信息化教学和虚拟操作，将在实际操作中很成功的实验项目都放在虚拟平台上操作，能让学生亲自动手操作的项目一定要大力主张亲自动手。这是在虚拟仿真实验平台教学资源建设中存在的主要问题之一[2]。张晴晴等[16]分析了在中药提取与分离中采用虚拟仿真教学的问题，指出虚拟仿真实验操作确实有利于学生的规范操作，提高了实验成功率，但是，中药的提取和分离的实验会受到诸多因素的影响，对影响因素的考察也是提取工艺的主要部分，虚拟的实验难以培养学生真正的动手能力和解决实际问题的能力。哈尔滨工程大学虚拟实验中心根据实验项目和类型进行虚实比例的设置，没有“一刀切”，船海虚拟仿真中心遵循五个虚实结合原则，很好地解决了船舶和航海专业虚实结合的问题，学生既可以通过虚拟软件进行三维模型设计和舰船操纵，又可以将设计方案导入成型机打印出三维零件，再将零件组装成作品，还可以下厂实习，形成了教学改革的新特色。[17]。

（二）实验室开放共享程度不足

推进优质的实验教学资源共享是高校人才培养的内在需求，也是增强高校国际竞争力的必然要求。虚拟实验中心发挥的作用不仅仅是将教学信息化、虚拟化，还承载着优质教学资源共享的作用。所以在虚拟仿真实验中心申报时，共享的部分也是考察评估的一个主要内容。

虚拟实验中心的资源共享包括信息共享、教学资源共享、大型设备共享。使虚拟实验中心只能发挥有限的作用，没有实现建设的初衷。应当进一步探索共享的机制和模式，例如，建立区域共享平台、大型仪器有偿服务机制、教学资源有偿使用机制等，努力拓宽共享的渠道与范围。北京交通大学交通运输国家级虚拟仿真实验教学中心对共享模式进行了探索，提出了特色化、立体化、信息化的开放共享模式，根据自身特色建设了铁路运输、交通工程、城市轨道交通3个虚拟仿真实验平台，开放对象包括中小学生、大学生、科研人员、社会团体等，采用固定时间开放、预约开放、灵活开放、远程共享的立体开放模式，不仅教学场馆开放，教学资源也实现信息化开放，探索了一条全面的开放之路。[18]胡今鸿等[19]对178所高校的虚拟仿真实验教学资源开放共享研究调查问卷进行了分析，提出了资源共享面临的实际困难，认为要实现平台的共享，必须建立科学的管理体系，需要有顶层管理平台、区域内政策平台保障和基础应用平台的支持，还要有完善的运行机制，尤其要有评价机制和奖励机制。各高校应当互相学习借鉴，从内容，方法、模式上全面探索共享开发的模式。

（三）亟待建设专业的教学和管理队伍

合理的人才队伍是虚拟仿真实验平台建设和发展的前提条件。无论是教学资源的建设、学生的管理，还是共享开放的实现，都需要有专业的人才来支撑。总体来讲，虚拟仿真实验教学平台的师资和管理人员处于严重缺乏的状态，并且年龄老化，难以适应目前高水平的工作要求。虚拟仿真实验室的负责人应当教学水平与科研水平兼备。[20]应对现有的实验教学人员进行虚拟仿真教学的培训，并选拔年轻的骨干教师充实实验队伍，根据岗位特点，引入计算机、软件、生物信息学等专门的技术人才，尤其是虚拟平台的日常软硬件维护和管理人才。构建合理的人才队伍才能使实验室能够长期有序地建设和可持续发展，各高校应对虚拟仿真实验平台的人才队伍有顶层设计构想，构建合理的人才队伍，引入不同层次的专门人才，对教师和实验室管理人员有奖励和鼓励机制，实现实验室长久的发展目标。

除以上的主要问题外，已经建设的虚拟仿真实验中心还存在着诸多问题，如实验项目偏少、校企合作不深入、平台管理制度不到位、网页建设和宣传力度不足、学校的资金投入不足等。这均会影响虚拟仿真实验教学的效果，尤其会影响学生使用虚拟实验平台的效果。根本的解决办法是增加资金投入、加强日常的管理、积极拓展新的实验项目，切实提高学生参与实验的积极性和主动性。

三、总结与展望

从教育部提出“教育信息化”理念以来，全国各大院校纷纷建立了各级各类的虚拟仿真实验教学中心，各具特色，并且都取得了可喜的成果，极大地提升了实践教学的效果，尤其是在一些高危、材料昂贵、应急、技能要求高的实验训练中发挥了巨大的作用。尽管在虚拟仿真中心的建设和运行中也存在各种问题和不足，相信在国家教育部门的监管下，在省级教育主管部门及各大院校的普遍重视和正确指导下，在学生和广大教师的共同努力下，存在的不足会逐渐完善和解决。随着虚拟仿真实验教学平台的逐渐普及，虚拟实践教学将成为一种普遍的教学手段，尤其是在大数据和人工智能迅速发展的背景下，虚拟仿真实验教学在实践教学中必将发挥更大的作用。虚拟仿真模拟教学是时代发展的趋势，必将引起一场现代教育理念和教学方式新的变革。