基于虚拟现实的高校实验教学改革研究

2020-11-25梁洁

现代计算机 2020年11期

梁洁

（广州医科大学，广州 511436）

0 引言

“实践是检验真理的唯一标准”，在高等院校培养21 世纪创新人才过程中，实践教学与理论教学具有同等重要的作用。实验教学作为高等教育实践教学的重要组成部分，是培养学生实践能力、创新精神和社会责任感的重要教学环节，是高校人才培养不可或缺的一部分。国家在《统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案》指出“坚持立德树人，突出人才培养的核心地位，着力培养具有历史使命感和社会责任心，富有创新精神和实践能力的各类创新型、应用型、复合型优秀人才”，可见实践能力和创新精神已成为新时代高等教育人才培养的重要内容，高校实验教学改革势在必行。当前现代科学技术的发展和人类社会的进步，对高校实验教学的要求也越来越高。这就需要充分认识到当前高校实验教学的问题，与时俱进，充分利用现代科学技术推动实验教学改革。

1 当前高校实验教学中存在的问题

（1）缺乏科学规划和顶层设计，实验教学建设相对滞后

高校的发展离不开科学的规划，顶层设计影响着基础建设。近年来，大学生逐年扩招，教学规模逐年增长，而实验教学建设相对滞后，使得高校实验教学面临着严重的教学压力，最突出的是学生规模快速增长与实验师资力量、教学设施建设相对滞后之间的矛盾。具体表现为：学生人数过多，而实验室及设备不足，学生实验人均可使用的资源比例低，实验次数和周期相应减少；师资力量单薄，实验教学任务繁重，实验指导不到位；学生自主实验需求得不到满足等。这些都对实验教学效率和教学效果产生了一定的负面影响，不利于创新人才培养。尽管当前高校实验师资、教学设施有所增加，但仍满足不了当前的教学需求。

（2）整体资源利用率低，特别是贵重仪器设备

资源利用率低，是高校实验教学普遍存在的问题。主要表现在：一是，高校为了顺应时代发展，提高教学效率，注入了大量资金，购买新技术设备，但实验师资队伍建设相对滞后，没有足够的业务素质和能力与新技术设备投入应用相匹配，造成了新技术设备的低效利用。二是，目前很多高校仍沿袭传统的实验教学管理机制，采用各学科实验室、实验资源独立封闭式管理，缺乏学科之间的沟通与交流，在一定程度上制约了资源的使用率。三是，高危、高消耗、大型贵重设备的使用受限，原因在于这些设备昂贵，难以管理，有些还存在一定的实验风险，在实际实验教学中，开出相应的实验学时少、项目少，无法普及，无法达到教学计划的最低比例要求，这也是当前实验教学遇到的难题。

（3）新媒体新技术的冲击下，传统实验教学方式有待优化

高校开设的实验项目类型可分为演示性、验证性、综合性、设计研究性等[1]。在传统实验教学中，演示性和验证性的实验项目，通常安排在理论课后，实验方式基本为教师做，学生看，或者教师示范，学生模仿，这样的实验方式，名为“实验”，实为“观摩”或“模仿”，学生被动地去接受知识，没有经过自己独立思考，无法调动学生学习的主动性和创造性。综合性和设计研究性的实验项目，由于复杂性较高，学生规模大，设备资源有限，高校开设这些项目较少，实验方式通常由教师做好实验准备，学生通过同伴或者小组合作的方式共同完成实验，并不是每位学生都能完全参与到实验过程中。在信息技术与教学融合的背景下，新媒体新技术的教育应用对教学理念、教学方式产生了变革性影响。一方面，学生的自主学习意识增强，对问题解决能力、职业技能等方面的发展主动性增强，对教师的依赖性降低，传统实验教学需要将实验主动权返还给学生；另一方面，学生对自身综合能力、创新能力培养的愿望和需求更加强烈，传统实验教学需要加强学生综合实践、创新实践，促进学生更好地适应当前社会的发展。

2 虚拟现实应用于实验教学的潜在优势

虚拟现实（Virtual Reality，VR）是当前信息技术业界最热门的科技之一，是当前新型的现代教育技术之一，它是运用计算机程序创造真实或接近真实的三维虚拟环境，并与用户交互，使用户的身心都能获得身临其境的感受，从而建构起对于现实世界合理认知的技术，具有良好的教学应用发展前景。

将虚拟现实应用于实验教学，具有多方面的潜在优势。一是，能够弥补传统实验教学的不足。表现为：构建虚拟仿真的实验教学环境，满足学生自主学习需求，激发学生学习兴趣，积极主动参与实验；制作教学仿真器械、工具，创建虚拟的实验场景，能够有效解决实践中危险性过高、费用过高、时间周期长等问题，有效降低实验成本和难度。二是，能够创新实验教学方式。虚拟现实能够全程演示标准的操作过程和结果，并允许操作随时随机的出错，突破时空限制，能够真正为学生提供个性化指导，实现学生随时随地反复练习、自主实践。三是，能够培养学生的创新思维。利用虚拟现实创建想象性、探索性、体验性的实验情境，在问题指引、项目驱动、情感体验等多种实践形式中，引导学生自主探究实践，发散实验思维，实现实践创新和理论创新。

3 基于虚拟现实的高校实验教学改革策略

为实现实践创新人才培养目标，尽力解决当前实验教学的各项问题，实验教学需要突破传统的习惯，要以开放、包容、主动的态度和行动面对新技术革命的影响，以虚拟现实技术为改革动力，充分利用虚拟现实的技术优势，从实验教学建设、资源建设、教学模式等方面进行改革，提高实验教学的效率和效果。

（1）以虚拟仿真实验教学建设为契机，深化虚拟实验认识，加强实验教学建设

虚拟仿真实验是使用虚拟现实技术，构建虚拟实验环境和实验对象，在计算机支持下，操作虚拟实验界面，模拟实验流程的实验方法，具有仿真性、交互性、安全性等特点，不需要真实的实验器械、实验耗材等设备，不局限于实验场地的选择，能够实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，弥补传统实验教学的设备不足、场地不足、学生实践时间不足等局限。目前，虚拟仿真实验教学是高等教育信息化重点建设内容，是高校实验教学改革的必然发展方向[2]。在国家政策和地方政府支持下，虚拟仿真实验教学建设已覆盖大多数的部属高校和地方所属高校。高校应结合自身实际需求，从解决实验教学的实际问题出发，注重对虚拟实验资源建设的顶层设计、宏观引导，推动这些资源的开发应用，开展虚拟实验教学与传统实验教学相结合的教学改革；加强与企业的合作，充分利用企业的虚拟现实开发技术，结合教师学者的教学理论和实践，通过技术开发人员与教师学者的合作，共同完成虚拟实验室、虚拟实验资源的建设，实现优势互补，减轻教师的压力和负担。此外，教师应更新教学理念，深化虚拟实验认识，提高自身信息化教学能力，建立完整的虚拟实验教学秩序，包括虚拟实验室、相关实验教材、实验大纲等内容，满足学生反复实验、自主实验的需求；充分利用虚拟实验资源及平台，跟踪指导学生实验，给予学生及时反馈，提高实验教学效率。

（2）以资源可持续发展为管理机制，加强资源优化共享，提高实验资源利用率

实验教学资源的建设和应用是实验教学改革的保障。依托虚拟现实，建设虚拟实验教学资源，对于高校教师来说，具有一定的技术开发难度，学校需协调企业、学校信息部门、教务管理等部门，分工协作，完成资源的设计、开发、管理与应用，并注重师资队伍的业务培训，提高教师的信息化教学能力和资源应用能力。基于虚拟现实的实验教学资源具有安全性、低消耗性，能够在教学中反复使用，不会影响资源消耗。为了这些资源的可持续发展，虚拟资源的开发需具备可扩展性，能够对原有开发的资源进行扩展、补充和优化，这就需要技术开发人员做好系统的设计，提供兼容性高的系统接口，利于资源的二次开发。另外，可借助数据库、网络通讯技术、人机交互等技术，搭建低成本、低风险、可调控的虚拟实验教学平台或者资源管理平台，一方面有助于资源的开放共享，另一方面能够对资源可持续发展起到引导和管理作用[3]。总之，高校需在资源建设、管理和应用上，做好顶层的设计，注重培养实验师资队伍的业务能力和素质，还要建立系统科学的资源管理体系和运行机制，并提供运行经费的持续性保障，能够促进资源的可持续发展和有效利用，实现实验教学的改革。

（3）以培养创新人才为教学目标，虚实结合，优化和创新实验教学模式

实验教学是培养学生理论知识应用能力，锻炼实践技能和创新能力的过程。在这个过程中，学生需要亲身实践，在实践中运用、领会与内化知识，才能获得能力提升。依托虚拟现实，创设虚拟实验教学项目，创新实验教学模式，让学生获得更多的实践机会，有利于学生实践能力和创新能力的提升。具体为：对于演示性、验证性的实验项目，可采用虚拟仿真系统，将实验对象、实验场景虚拟化，学生通过使用计算机，操作虚拟实验界面，了解实验的整个过程，发现和验证知识。这样的虚拟仿真教学能够让学生低风险、无消耗地反复多次实验，实现传统实验教学的演示、模仿、验证的教学效果。对于综合性、设计研究性的实验项目，可根据课程实验设计、项目研发训练、学科竞赛、毕业设计等实际需要，创设多样化的实验教学形式，如问题指引、任务驱动、项目设计等，引导学生采用虚拟实验和现实实验相结合的方式，在虚拟实验中初步感知知识和技能，然后结合实际，设计实验，亲自操作，来进一步内化知识和技能，这样虚实结合的实验过程能够使得学会解决问题，创新实验思维，提高实践能力。但是，虚拟实验只是对当前现实实验的补充和扩展，它并不能完全替代现实实验，例如医学手术中的力度感、血液黏度感、止血、手术打结等操作，在虚拟实验中难以体会到，只有通过亲自操作实物，经过严格和科学训练才能掌握。因此，实验教学需以实为主，以虚为辅，做到虚实结合，优势互补，围绕创新人才培养目标，优化和创新实验教学模式。