虚拟仿真技术在高校实验和实践教学中的应用

2019-05-09赵春青刘会香张卫光

中国现代教育装备 2019年5期

林琎赵春青刘会香张卫光

山东农业大学植物保护学院山东泰安 271018

实验和实践教学是大学生实验、实践和创新能力培养的平台，是创新、创业型人才培养的必备过程。目前，高校所设专业的一些常规实验都可以通过实际操作完成，但一些周期长的实验、需要特殊或高端的仪器才能开展的实验、高温高压高危险性的实验、远程控制的实践操作等则无法全面开展。面对这个难题，可以借助虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)等技术实现[1-6]。本文重点就虚拟仿真技术在高校实验和实践教学中的建设和现状进行归纳和讨论，为国内虚拟仿真教学项目的建设和规划提供参考。

1 我国虚拟仿真示范中心和项目建设现状

早在2005年，教育部就开展了国家级实验教学示范中心的建设和评审工作，截止到2016年1月，教育部已评审建立了900个相关示范中心，300个虚拟仿真实验教学中心，涵盖了44个学科类别。教育部高教司于2008年2月批准成立了高等学校国家级实验教学示范中心联席会，联席会下设示范中心工作委员会，由20个学科管理组和5个区域管理组构成。学科管理组包括：物理组、化学组、生物/食品组、电子组、机械组、力学/土建组、工程训练组、计算机组、地学/环境组、植物/农林/动物/水产组、经管组、材料组、传媒组、艺术组、基础医学组、药学组、临床/公卫组、交通/航空/能源组、文综/考古/法学组等。

2016年12月，教育部办公厅颁布了教高厅〔2016〕3号文，即关于《国家级实验教学示范中心管理办法》的通知，将国家级实验教学示范中心建设纳入“十三五”规划，将继续有力地推进和执行实验教学改革的深入发展。另外，为更好地推进现代信息技术与实验教学项目的深度融合，拓展实验教学内容的广度和深度，延伸实验教学的时间和空间，提升实验教学质量，教育部2017年7月颁布了教高厅〔2017〕4号文件，《教育部办公厅关于2017～2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》，通知明确指出，计划截止到2020年，将分4批认定约1 000个虚拟仿真实验教学项目。

由此可知，目前虚拟仿真技术与高校实验教学相结合已经开展了多年，随着信息化和教育的不断融合，在未来的若干年里，虚拟仿真教学及其他高科技手段与实验和实践教学的结合仍然是一个发展热点。

2017年12月，在上海召开的全国高等学校虚拟仿真技术应用研讨会暨虚拟仿真技术与成果展示会中，联席会20个学科管理组中的27位高校虚拟仿真建设实验室代表分别作了精彩的汇报，会议的主旨就是进一步推动高校将虚拟仿真技术应用于实际的实验教学中。利用国家级实验教学示范中心的优质资源和经验，推广高质量的数字化实验教学资源，带动和指导一批大学逐步开展虚拟仿真技术的研发和实验、实践教学模式的探索，将信息化与教育相结合，建成一批拥有高水平虚拟仿真实验教学资源、重在培养学生实践能力和创新精神的教学基地。

2 虚拟仿真教学实验项目实现的原理及组成

首先，需要明确的是：一个虚拟仿真教学实验中心平台是由多个虚拟仿真实验模块组成的，而每个模块又对应多个虚拟仿真实验项目。

其次，虚拟仿真实验教学项目的实现是利用信息化的重要技术(如虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等)构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，达到三维可视化、3D情景式体验教学，有的还将现实场景与虚拟场景相结合，在摄像头拍摄的画面基础上，结合虚拟画面进行展示和互动，使构建的虚拟仿真项目更加逼真，贴合现实，增强学生在虚拟操作时的现实感和浸入感。这些技术还设计了许多互动模式，可实现教师、学生之间的自主互动。教师还可以根据教学需要设定展示形式及内容，在虚拟环境中让学生获取新知识，达到深化概念、激发创新创造力的目的。

高校可考虑建设虚拟仿真实验教学管理和共享平台，基本组成如图1所示。这个平台需要建立平台软硬件基础支撑、后台管理系统和前台操作系统3大块内容。平台硬件要求有内存足够的网络服务器及互联网高带宽接入，并要有系统安全软件，然后再用以下各种技术自行组合搭建技术支撑平台：多通道环幕、抠像合成教学系统、裸眼3D显示器、头盔、数据手套、动作捕捉系统、透明液晶显示器等。平台软件则包括VR/AR/MR实验、手机APP、虚实结合技能培训、VR/AR/MR系统等。后台管理系统则可设计不同的管理功能，例如：学校管理、班级管理、教师管理、学生管理等功能、实验项目管理、实验内容管理、题库管理、考试信息管理、学生成绩统计查询、公告信息发布管理、在线答疑功能管理、数据管理和系统日志等。前台操作系统则主要实现用户的操作和体验功能，可设计用户登录模块、虚拟实验性质与目的、操作指南、虚拟实验仪器和过程动态模拟介绍、用户操作及体验模块等。

创建一个虚拟仿真实验或实践教学平台，服务器与交换机互联，而交换机又与教师机、学生机、虚拟仿真系统、网络打印机等设备相连接，搭建校园网内的虚拟仿真实验教学平台、信息媒体平台和管理平台，服务于专业课程教学。

图1 虚拟仿真实验或实践教学管理共享平台组成示意图

3 虚拟仿真实验项目的建设注意事项

在建设虚拟仿真实验项目时，需要注意以下几点。

(1)不能盲目建设，泛化建设，尤其要注意，遵从“虚实结合、相互补充、能实不虚”的指导方针进行建设。方针要求合理搭配教学资源，从实验模块总体涵盖内容考虑，将一部分可在实验室执行、易于实际操作的实验项目让学生真正进入实验室进行实际演练；而一些实验或实训无法达到条件的项目，如高危、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，可考虑采用虚拟仿真的手段进行虚拟操作演练。如此一来，虚拟的和真实的实验/实践项目相互补充，能实际操作的项目就不再考虑用虚拟仿真来进行模拟教学。

(2)教育部高教司设立联席会工作委员会，将全国的相关虚拟仿真示范中心分5个区域管理组和20个学科组进行管理。目前已经立项开展虚拟仿真实验教学中心建设的高校在建设过程中已经做过的内容或已经做得比较好的模块和实验项目，其他高校如果再去做，就会造成重复建设和资源浪费。因此，在实验模块建设的和实验项目建设的选择上，应当慎重，在了解现阶段本学科相关的各建设单位的建设内容和建设进程后，再着手设计和组织与现有内容不重复、不冲突的、合适的虚拟仿真实验教学项目，这样有的放矢，并且有自己单位的建设特色，易于通过教育部审核。

(3)虚拟仿真教学是在线技能训练以数字化形式开展的过程，要想建设好虚拟仿真实验教学资源，首先要有经验丰富的专业课教师提供各种素材，另外还要借助专业的虚拟仿真平台构建和设计公司的技术力量，二者缺一不可。由专业课教师提供实验介绍、设备说明、实验指导书、操作视频等资料，由专业软件人员利用计算机完成实验过程构想，实现虚拟实验，并运用智能设计辅助对实验效果进行分析和评价。另外，VR教学产品的产生应当坚持以问题为导向，从教师教学的难点出发，即重点解决无法在实验室和课堂里真实呈现的、真实实验项目条件不具备或实际运行困难的，涉及高危或极端环境、高成本、高消耗、不可逆操作，大型综合训练、学生不易理解的方面出发，由教师主导设计，VR工程师负责通过虚拟仿真技术实现。坚持能实不虚，研发原理准确、内容紧凑、时长合理、难度适宜的虚拟仿真实验教学项目，至少满足2个课时的实验教学需求，实验操作步骤不少于10步。强调设计互动式、研讨式教学项目，倡导自主式、合作式、探究式学习；建立高校间实验教学项目成绩互认、学分转换机制。

(4)构建虚拟仿真实验室的软、硬件要求。一是网络环境要求部署高带宽的无线网络，配备大容量存储设备。二是硬件设备上，要将实验室的服务器虚拟化，部署到大规模计算机集群方面，实现云服务器集群，还要配备平板电脑等终端设备。三是软件研发方面，应当重点研发具有三维显示效果的移动终端软件和具有智能分析能力的服务器软件。四是教学实施方面，鼓励学生组团进行实验，建设以视频库为基础的教学素材库。五是经过对虚拟仿真教学项目申报文件的研读，专家提出，虚拟仿真教学实验项目申报的提交应当体现3个拓展，首先，项目应当体现可互动性，即学生之间可以互动、教师与学生可以互动、团队小组间可以互动。其次，项目应当体现学生可自主式和探究式开展实验，例如：实验过程应当不是唯一的，但实验结果应当有一致性。另外，实验项目应当对综合型实验、设计型实验、研究型实验都有体现，且实验考核注重过程，不同学生做出的结果应当有可比性，注重分析。最后，进行虚拟仿真实验项目的申报时还应当考虑评审专家易登录、非专业人员易完成、易弄懂等特点。虚拟仿真教学项目申报还应当考虑3个不显著增加，即引入虚拟仿真教学后，课程学时、实验总学时和教师的工作量都不显著增加。