“新工科”背景下关于虚拟仿真实验的几点思考和建议

2020-10-08赵毅强兰馗博侯晓鑫

实验技术与管理 2020年3期

张宁，赵毅强，兰馗博，侯晓鑫

（1. 天津大学微电子学院，天津 300072；2. 天津科技大学电子信息与自动化学院，天津 300072）

“新工科”需要产教融合，需要教育转型，需要从经验分享走向实操实训，从形式主义走向注重实效，从知识考试走向能力养成，从单一能力走向系统集成能力[1]。这是对学生的实践创新能力、解决复杂工程问题能力提出的前所未有的高要求。但目前高校在培养学生能力的实践教学过程中出现许多棘手问题，一些高危、高消耗、长周期的实验不能重复做、随时随地做；传统实验室平台和教学仪器以操作、演示为主，拓展性弱，难以开展创新性实验；实践教学与科技前沿、工程实际相差较远，难以跟上“新工科”建设与教学改革的步伐。

随着互联网、大数据、人工智能、虚拟现实等信息技术蓬勃发展，虚拟仿真实验应运而生[2]。通过虚拟仿真对实体实验进行模拟，展现不可视的结构或原理，完成各类预设的实验，能够以虚补实、以虚验实、以虚展实、以虚代实，从而快速响应实验教学的需求，拉近实验教学与工程实践、科技前沿的距离，促进学生自主学习、探究式学习、无纸化学习，解决目前实验做不到、做不好的问题[3]。

虚拟仿真是一种新的教育生产力，虚拟仿真项目是教育部在“十三五”期间在实验教学领域的建设重点[4]。在虚拟仿真快速发挥效用的同时，也面临一些亟待解决和深入探索的问题。本文对目前我国虚拟仿真教学现状和存在问题进行总结，并从基层教师角度对虚拟仿真实验的建设和应用提出几点思考和建议。

1 虚拟仿真实验建设现状

1.1 虚拟仿真实验发展历程

国内部分高校从20 世纪90 年代后期相继开展仿真技术和基于网络的虚拟实验及教学应用研究[5]，2008—2010 年教育部组织开展了“虚拟实验教学环境关键技术研究与应用示范”课题研究[6]。为提高高等学校学生的创新实践能力，实现优质实验教学资源共享，推进实验教学信息化建设和实验教学改革与发展，2013—2015 年开展了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，并评审出300 个国家级虚拟仿真实验教学中心[7]。随着虚拟仿真实验教学从以信息化网络平台建设为重点的初始阶段，进入到以优质项目资源建设与应用为重点的深入发展阶段，以现代信息技术为依托，以相关专业急需的实验教学内容为指向，以完整的实验教学项目为基础[8]，开展了示范性虚拟仿真实验教学项目，2017 年和2018 年共支持建设350项，统筹规划到2020 年共支持建设1000 项左右，以促进实验教学质量稳步提高[9]。

1.2 目前虚拟仿真实验存在的问题

虽然近年来在虚拟仿真实验建设方面进行了积极探索，但在此过程中仍存在资源购置重复，虚拟仿真实验建设质量低，兼容性、可拓展性差，具体教学方法有待探索等问题。

（1）资源购置重复。在国家的大力支持下，很多高校开展了虚拟仿真实验建设，由于虚拟软件设计周期长，且需要进行反复修改、完善和测试，加之共享机制不健全，建设消息闭塞，很多高校针对同一个实验重复购置，导致资源浪费[10]。

（2）项目建设质量有待提高。目前一些项目仅仅把实体实验虚拟化，做成三维动画，与学生的交互较少，学生缺乏沉浸感；项目的实验过程设计过于程序化，只有规定好的实验步骤和实验选项，学生的自主探索环节缺失，不利于学生的思维训练和综合能力提高。总体来说，目前虚拟仿真实验项目建设质量参差不齐，很多都未达到拓宽教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提高实验教学质量和水平的目的。

（3）基于虚拟仿真实验的教学方法有待探索[11]。目前不少高校忙于虚拟仿真实验建设，却对如何基于虚拟仿真实验提高教学效果的探索较少，对于在虚拟仿真实验中教师扮演什么角色、采用什么教学方法、如何虚实结合等问题缺乏深入研究。

（4）虚拟仿真实验的兼容性、可拓展性有待提高[12]。虚拟仿真实验建设价格昂贵，一般2 个学时的教学项目需要花费几十万元。如何提高各实验模块的兼容性、可扩展性，降低综合实验成本，提高学生的创新能力，是目前亟待解决的一个问题。

2 关于虚拟仿真实验的几点思考和建议

针对虚拟仿真实验建设过程中的主要问题，基于在集成电路工艺虚拟仿真实验建设过程中的经验，从项目组织、项目建设、教学等方面进行思考，并提出几点建议。

2.1 项目组织

根据专业分类，在全国范围内成立虚拟仿真实验建设小组，共享建设信息，避免项目重复建设和资源浪费；分享建设经验，互取所长，稳步提高虚拟仿真实验建设质量；通过建设小组的统一管理，提高不同模块间的兼容性，以利于虚拟仿真实验的共享和实验内容的拓宽。同时要发挥金课联盟优势，鼓励校级合作，对已建虚拟仿真实验进行推广，发挥示范作用。此外，建设虚拟仿真实验的课题组首先要充分组织调研，主动寻求合作，共建合作虚拟仿真平台，拓宽项目应用范围。

2.2 项目建设

2.2.1 总体方案

在虚拟仿真实验建设过程中，应从实验广度、实验深度和实验精度等三方面提高建设质量；成立一只由不同类型高校专业教师、实验教师及公司技术人员共同组成的研发团队，为项目建设质量提供保障。提高虚拟仿真项目建设质量的总体方案见图1。

图1 提高虚拟仿真项目建设质量的总体方案

2.2.2 实验广度

针对每个虚拟仿真实验设计相应的学习模式、考核模式和工程化模式，满足技术型、研究型等不同类型学生在认知、掌握和工程化应用等不同学习阶段的需求，实现实验教学的多层次化和因材施教，以利于实验的共享和辐射。通过技术层面的突破，实现各因素的灵活变动及不同模块之间的混搭，提高实验扩展性、兼容性和前瞻性，满足学生综合创新实验需求，降低综合实验建设成本。

2.2.3 实验深度

根据认知理论和行为主义学习理论，通过虚拟仿真实验教学系统设置问题情境，形成认知矛盾，激发学生求知欲及学习兴趣，形成良好的学习动机[13]。制定考评方法和标准，将打游戏过程的闯关引入实验项目，激发学生学习的好奇心、好胜心。在虚拟仿真实验重要步骤和关键点设置多处交互及结果反馈，提高学生的学习主动性和学习兴趣。学生根据得到的各种反馈信息进行逻辑判断、推理和联想等思维活动，预测可能出现的问题、现象，认识深层次的规律和机理。

在虚拟仿真实验中加入声音，例如对真空泵抽气声音进行虚拟仿真等，增强虚拟过程的多感知性。增加对现实环境和环境因素变化的虚拟仿真，例如对超净室真实环境、光刻室灯光对实验结果的影响等进行虚拟仿真，提高虚拟仿真实验的沉浸感和真实还原感。此外，对实体实验过程中看不到的内部现象进行虚拟仿真，例如对光刻工艺对准环节中设备内部的变化进行虚拟仿真，以达到利用虚拟仿真提高学习效率的目的[14]。

2.2.4 实验精度

目的是提高虚拟仿真实验的精细化水平，增加真实还原感，培养学生严谨的实验态度。虚拟仿真实验要符合各项规范，例如：光刻过程的涂胶、烘干等有毒有害实验过程一定要在通风橱中进行；易燃易爆化学物品要分类存放于符合要求的安全柜中；在实验室门口、仪器设备上张贴安全标识；在实验室内张贴实验操作规范、实验室章程等。虚拟仿真实验操作步骤要与实体实验相一致，每步骤所用时间可以等比例缩短或延长。对于实验前设备的预热、校准和补偿，实验工具的清洗和分类放置，以及实验后实验台的整理等细节都要作出要求，如果某方面的操作未达到要求，不允许进行下一步，或者给出明确警示，注重提高学生对实验细节的关注度。

2.2.5 人员组成

成立一只由不同类型高校专业教师、实验教师及公司技术人员共同组成的研发团队，为提高项目质量、增加项目与学生契合度提供保障。其中，来自学术型、应用型等不同高校的专业教师，根据教学经验及知识特点相互配合进行实验内容、建设方案的设计，设计不同模式中的思考点、反馈点、闯关难度、提示内容等；实验教师提供大量实验数据，并结合对学生实践能力的了解，辅助专业教师完成设计工作，并进行后期在线服务；公司技术人员负责建设项目技术构架，确保虚拟仿真实验运行的流畅度，并负责实验场景、系统风格、操作界面的构思，使情境真实、布置合理，提高实验项目的吸引力。

2.3 教学支撑

虚拟仿真实验项目建成后，不应夸大虚拟效果，而应“以虚补实”“虚实结合”。将具备实验预约、课前预习、下载资料、互动讨论、上传实验报告、系统监控等功能的实验平台与理论课程、虚拟仿真实验及实体实验有机融合。结合课前、课中、课后三个环节及线上、线下两大教学环境开展教学。

在课前，教师向实验平台上传学习视频、知识问答、思考题等，学生进行在线预习，并在充分思考和探索的基础上，与教师进行在线讨论，了解实验工程背景，掌握理论知识、实验步骤、实验注意事项等，最后通过预习测验，获得实验资格。教师应同时做好实体实验准备工作。

在课中，依托实验平台，使理论学习、虚拟仿真实验、实体实验相互补充、相互结合。理论学习与虚拟仿真实验相结合，就是在传统理论讲解中融入虚拟仿真实验模块，将实验内部变化、反应过程等实体实验中无法看到的现象呈现给学生，增加学生对理论知识和内部原理的理解，增加理论学习的新鲜感、立体感，提高学习效率。虚拟仿真实验与实体实验相结合，就是使学生根据虚拟仿真实验的特点以及实验平台优势，反复进行虚拟实验、团队讨论、交流心得，教师同步进行线上指导，然后通过实体实验，高效完成实验方案。最后基于实体实验过程中的疑问和思考，再通过虚拟仿真实验，在师生间展开讨论，从而形成“理论—虚拟仿真实验—实体实验—理论”的循环学习模式，并更多地开展探究式、合作式学习。

在课后，学生可随时复习实验，巩固已学知识，进行反复咀嚼和知识吸收，形成能力，并通过线上提交实验报告。教师应对学生的预习测验情况、实验过程、讨论与思考情况、实验报告质量等多方面进行考核评价。在评价过程中，尤其要注重对学生创新思维的肯定。同时，教授可利用碎片化时间通过互联网对学生产生的疑问及创新性想法进行回帖、指导，使教授参与实验教学成为可能，激发学生的创新积极性。此外，教师可对学生学习过程中产生的大数据加以整理、对比，据此可进一步对虚拟仿真实验进行改进和优化。

引入虚拟仿真实验后，学生的学习形式、学习方法及教师的主要工作内容、工作方式都发生了较大变化。现在的学生作为“网络原住民”对虚拟仿真实验的引入比较适应，但对一些老教师却是一次挑战。因此，学校应适时地对教师开展虚拟仿真培训，选拔年轻的骨干教师充实实验队伍，根据岗位特点，引入各专业的技术人才，构建合理的人才队伍，同时加大对实验教师的奖励和鼓励，为虚拟仿真实验的高效运行提供保障[11]。