虚拟仿真实验室的创新性实验教学改革探索

冯元　海鹏博　吴宏岐

摘 要：随着科技手段的不断提高，对于工科专业实验教学的实验室提出了虚拟仿真实验室这一创新性实验教学方式改革。本文将对虚拟仿真实验室的创新性实验教学的教学特点、教学改革方式进行详细的讨论阐述。

关键词：虚拟仿真技术;实验室;创新实验教学;教学改革

一、虚拟仿真实验室概述

虚拟仿真实验室是基于大数据、网络技术、计算机编程等科技手段快速发展而产生的虚拟操作和测试的实验场景。虚拟仿真实验室能够为学生提供自主性和交互性的虚拟环境以此来实现开放性、高效性和经济性的实验空间。虚拟仿真实验室是“加快教育信息化进程”的重要载体之一。虚拟仿真实验室是通过计算机系统进行实验，仿真实验环境，可避免实验的干扰项达到实验效果的真实性。同时，虚拟仿真实验室能够有效避免实验过程中的毒物以及有害实验环境，确保实验的安全性。在较为复杂或是资源消耗严重的实验中，能够最大限度的降低实验成本，从这些方面上来说，虚拟实验室的优势相较于传统实验室的就有很明显的发现。

二、虚拟仿真实验室教学作用

（一）提高仿真实验的还原性

虚拟仿真实验室是以计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术为基础，使学生通过人机交互的方式进行实验、将虚拟仿真技术、场景和软件中的模拟现实情况来进行实验，将虚拟仿真技术、计算机技术以及各个专业的理论专业知识进行多维度结合^[1]。实验过程可以通过视频、图片、图表等形式来向学生还原实验过程，并记录实验操作过程。能够帮助学生在听教师讲解的过程中同时进行实验操作，达到理论知识学习同时进行实践操作的教学效果。

（二）高安全性和高创新性

在现实实验室环境中，实验的安全性是一个难以控制的情况。如果学生不能够熟悉实验操作的顺序步骤，在实验中出现操作性失误，就会造成严重的危险后果。虚拟仿真实验室能够避免这一问题，在学生进行实验的过程中，能够确保学生的个人安全问题以及实验室器械损耗。同时，实验室虚拟化能够激发学生学习兴趣，在实验过程中对于不同的因素变量进行试验尝试，以及对于自身所感兴趣的实验项目进行实验。在自由学习的环境中，提高学生的学习兴趣，进而激发学生的创新能力与创新机会。

（三）缓解实验室教学资源

现实实验经常会出现实验器械不足、实验场地不足以及实验器械不能及时更新，导致实验效果不佳。经常会出现，学生进行实验需要轮流分组进行实验，对于理论知识实验不能进行及时的实验练习。虚拟仿真实验室能够满足每个学生不同的实验练习需求，在教师的指导之下，进行各种实验练习。虚拟仿真实验室能够高度还原实验条件以及准确的实验结果，学生通过虚拟仿真实验室也能够有效的进行实验操作，从而解决了现实情况中无法及时进行实验的教学损失，缓解实验室教学资源紧张的情况。

（四）多学科交叉

虚拟仿真实验室是基于互联网大数据的发展以及计算机技术的普及应用而产生的。虚拟仿真实验室具有大数据的多学科、广覆盖的教学实验资料的特点。可以满足学生对于本专业不同层次的知识需求，数据需要以及专业技术技能的训练。同样，还可以满足学生对于不同学科的实验成果借鉴，实验参数参考，以及跨学科实验的机会。虚拟仿真实验室能够有效提高学生的跨学科研究的实践机会。同时，虚拟仿真实验室的多学科、广覆盖的资源数据库，能够为学生的研究学习提供巨大的帮助。学生自主进行多学科交叉知识的学习与实验研究，能够更好的培养学生自主学习、创新能力、以及复合型人才的特性。

三、虚拟仿真实验室的教学特点

（一）可扩充性

在信息知识高速发展的时代，不同学科的创新性知识不断涌现出来。因此，在学习与实验过程中，就需要对新知识进行不同的实验研究与创新研究。不同的实验项目需要不同的试验台，对于试验器械也不尽相同，因此传统实验室教学就需要进行试验设备、精密仪器、试验台搭建;造成了实验成本过高的事实。对于此，虚拟仿真实验室能够弥补实验室教学的更新成本较高的问题，对于最新的科技知识、实验成果等等，都能通过互联网络大数据的优势，模拟实验室。让学生能够对于各个学科的新知识及时的进行试验模拟;对于多学科的交叉实验也能够无阻碍进行，具有较强的可扩充性。

（二）教学交流的流畅性

现代通讯技术的普及也能够对于教学效率有一定的帮助，最大程度上实现教学流畅性。虚拟仿真实验室可以通过线上教学指导帮助学生完成实验，解决问题。对于学生在操作中的问题，可以直接在网络上上传实验过程、实验参数、实验报告等，对于自己遇到的问题能够直接在线上提问教师。同时，线上提问还不仅限于学生自己的教师，同时还可以通过向不同专业领域的教师、同学们进行提问，相互交流学习，极大程度上提高了学习的效率以及减少时间成本的浪费。教师和学生都以通过移动终端，在不同时间和环境进行试验和交流讨论学习。

（三）教学资源投资的节约

传统实验室对于精密仪器的维护，实验材料的损耗以及对于新设备的投入，是高校工科专业的重要投资。虚拟仿真实验室的基础是通过计算机网络组建的一个虚拟实验室，因此相较于传统实验室的运行和维护成本就有了较为明显的优势。这样的教学资源利用能够兼顾学生的实验训练机会与学校对于实验室的投资。虚拟实验室平台能够达成现实实验室同样的实验效果，同时能够避免一定的实验危险。教师可以通过学生在虚拟实验室进行试验，增加试验经验，从而在进入现实实验室中避免一些基础性试验错误，减少试验中的危险行为和对实验误差损害实验设备而造成的实验室成本增加。

四、虚拟仿真实验室的创新性实验教学探索

（一）创建共同的高校实验资源网络

虚拟仿真实验室的基础前提是互联网大数据，能够拥有完善的网络数据，是为学生提供真实有效的虚拟实验效果的前提。建立高效实验资源网络，能够更好地帮助计算机整合实验资源信息，能够为学生提供更多的虚拟仿真实验的实验经验。对于不同高校，在不同的专业领域内有不同的学术建树，通过建立高校实验资源网络平台，能够满足学生不同的专业需求，更好的提高我国高校的教學水平。

（二）建立不同的实验教学模式

通过虚拟仿真实验室和真实实验室的共同作用下，达到更好的教学效果。一方面，在教学过程中加入虚拟仿真实验室，能够丰富教学方式;另一方面，教师通过教学环节设计，让实验教学资源合理化使用。教师可以通过教学环节设计，对实验课程进行分配。学生可以先通过虚拟仿真实验室进行实验的模拟练习，掌握实验过程的实验方法、实验过程以及实验中的问题。通过学生对于实验感受，教师可以对实验内容进行灵活性调整，进而提高学生的创新能力，以及对实验的学习兴趣。再学生进行模拟实验和教师对于理论知识讲述后，可以进入真实实验室进行实操。

（三）组建完善的师资团队

完善的教师团队能够帮助虚拟仿真实验室更好更快得在高校中得以有效的应用。教师可以通过虚拟仿真实验室的网络平台，进行创新研究实验等。高校应当鼓励教师团队发挥教师团队的优势，开展更多新鲜的、高端的实验展示。并且，在高校之间可以进行学术交流，学术沟通，为学生提供更多的参与我国高精尖技术实验研发的机会与观摩学习机会。同时能够利用这个平台，为教师们的实验成果转变成优秀的线上实验课程，极大的利用教学资源。

虚拟仿真实验室是在科技不断发展的过程中衍生而出的科学的学习方式之一，能够为现代教学提供更多的有效的便利条件。但是，也需要高校以及教师们科学合理的进行应用，并不断发现这其中的问题，加以改善。

参考文献

[1] 张任平.基于虚拟仿真实验室的创新性实验教学改革探索[J].教育教学论坛，2017（11）：273-274.