新工科背景下的虚拟仿真技术在教学中的作用

毛飞　赵旭东　位楠楠　张根发

【摘要】新工科是新型科技、产业、经济背景下为了培养新型创新人才而实施的现代化教育体制改革。许多工科教育所用实验仪器通常具有精密度高、造价昂贵、构造复杂、仪器老化、可调参数有限等不足之处，没有足够经费支持的情况下很难培养出符合新工科改革要求的专业人才。虚拟仿真技术的应用可以让工科实验教学不再受限于仪实验仪器、实验环境等硬件条件，将理论知识与实验更加紧密地结合在一起，有助于培养学生的创新创造能力，满足现代社会对人才的需求标准。

【关键词】新工科  虚拟仿真  教学软件

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2020）19-0231-01

新工科是国家为了适应科学技术发展对社会产生的巨大变革而做出的教育改革，在新的改革背景下对高校工科教学工作有更高的要求。新工科可以看成是应用理科，是对基础理科的运用。通常教学课本中的内容比较枯燥、学生兴趣不浓。模拟仿真技术能够将授课知识点形象化和具体化，将课本繁杂的内容变为可视化的虚拟模拟，使学生对教学内容的印象更加深刻。而且模拟仿真软件可以自行调整实现参数，反复调整仪器构造，能够让学生深刻理解仪器构造和仪器性能。虚拟仿真技术的应用还不够普遍，虚拟仿真技术在教学方面的应用还远不及欧美发达国家，我国在这方面的教育改革还有很大的提升空間。

一、传统教学模式中存在的问题

大学教育中，工科课程既有基础的理论课，也会配套相应的实验课程，来培养学生对理论知识的应用。在实际教学过程中，有些无法实验来展示的知识点只能通过繁复地讲解来加强学生的印象，这样往往导致学生的兴趣度降低。即使在实验课上，由于实验仪器设备构造复杂，精密度较高等原因，实验仪器调节参数较少，很多参数都是老师在上课前提前调好的，导致学生对实验仪器了解不透彻。且往往受实验仪器数量限制，不能保证每个学生都能充分学习仪器设备，导致实验教学的结果往往不是很理想，无法保证学生在既掌握理论原理的同时还能熟悉掌握仪器的构造、工作原理等相关知识，无法培养出满足现代社会需要的新型人才。对于学校来说，配置教学实验仪器成本高，耗材大，不同专业需要的仪器设备也不同，若配置全套齐全的实验仪器，实验室经费也无法满足，而且仪器通常还要更新换代，维修和后期保养也是笔不小的开销。

二、虚拟仿真技术在教育中的优势

虚拟仿真技术是继数学推理，科学实验出现后的第三类人类认识自然界客观规律的基本方法，由于其沉浸性和逼真性，虚拟仿真技术在教学中的应用必定会使学生对学习对象了解更加深刻。总的来说，其优势主要有以下两点：

第一，完善和加深对于相关知识的理解。由于虚拟仿真是采用软件模拟，其参数可调性高，且不会像真实实验仪器设备那样出现较多误差，根据输入参数或者环境设置，输出结果与理论推导完美对应，有助于学生对理论知识及应用的理解。并且克服了教学过程中枯燥乏味的理论教学，提高学生的学习兴趣和积极性。

第二，降低成本，节约资源。学校购买实验仪器设备不仅需要大量花费，还会造成资源的浪费。虚拟仿真技术的引入可以极大地降低成本，因为其主要运用计算机软件来进行，对于不同的学科都可以应用，这样不仅节省了由于不同学科要购买不同仪器造成的资金消耗，还节省了空间资源，同时降低老师的教学难度，提升学生的实践创新能力。

三、虚拟仿真技术在教学中的应用

虚拟仿真技术在国内教育教学中的应用还只是刚刚开始，远远不及欧美发达国家的发展水平。对于虚拟仿真软件在教学中的应用主要有两个方面的困难需要克服：一方面是计算机的购置，另一方面是相关软件的开发。对于计算机的购置成本不是很高，现阶段主要是缺乏相关教学软件的开发，教学软件严重不足，不仅是在种类上，数量上也是如此。电工电子中主要是对电路的仿真，这方面的软件已经有很多，可根据不同的需要使用不同电路元件来进行仿真，达到实验教学的目的;物理实验、医学实验等在国内应用均有初步应用，虚拟仿真技术在核工程类实验中应用较多，普遍还是依赖于国外开发的软件，在虚拟仿真教育软件自主设计开发这块我国还有很大的提升空间。

四、总结

在高校新工科教学中引入虚拟仿真技术能够解决很多传统教育模式所面临的严重问题，传统教育模式已经越来越不适应现代社会发展的需求，如不及时调整改革，高校所培养出来的工科专业人才将与现代社会需求严重不符。新工科就是在这种背景下提出来的教育改革模式，虚拟仿真技术的引入无疑会助力新工科改革的实施。

参考文献：

[1]刘金磊，赵晶.新工科背景下理科人才培养的思考[J].教育教学论坛，2019（25）：230-231.

[2]夏建国，赵军.新工科建设背景下地方高校工程教育改革发展刍议[J].高等工程教育研究，2017（03）：15-19+65.

作者简介：

毛飞，湖南岳阳人，副教授，博士，现从事辐射防护与核安全方面的教学和科研工作。