高校教育信息化背景下虚拟实验室应用研究

吴玉春　龙小建

摘 要 随着5G时代的到来，移动式学习更加便捷，教育资源的数字化是必然趋势。以井冈山大学为例，文章阐述了虚拟实验在实践教学中的应用及相关技术，探讨了虚拟实验管理平台的建设方案和人才培养模式，为井冈山大学数字化教育发展提出了应对策略。

关键词 高校 教育信息化 虚拟实验 数字教学资源

中圖分类号：G642                                   文献标识码：A    DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2021.01.009

Abstract With the advent of the 5G era， mobile learning is more convenient， and the digitalization of educational resources is an inevitable trend. Taking Jinggangshan University as an example， the article expounds the application of virtual experiment in practical teaching and related technologies， discusses the construction plan and talent training mode of virtual experiment management platform， and proposes countermeasures for the development of digital education in Jinggangshan University.

Keywords colleges and universities; education informatization; virtual experiment; digital teaching resources

2018年教育部开始评审国家级虚拟实验项目，以项目为导向的实验虚拟技术落地课堂教学。近几年，江西省教育厅将网课建设作为高校教育工作的重点，为这次疫情之下的线上授课提供了大量的数字化教学资源，未来几年虚拟实验项目建设将成为新的工作重点。随着5G时代的到来，移动式学习更加便捷，数字化学习方式将成为一种主流学习方式，[1]虚拟化数字教育资源的建设也将成为高校的硬实力评价指标之一，各大高校开展虚拟教学工作刻不容缓。但高校专业设置、人才教育层次、经费投入各有不同，虚拟实验室建设形式多样化，不同类别在技术、资金投入不同，教学效果也不一样。针对井冈山大学的专业设置和办学特色，本论文给出了多层次、多形式虚拟实验建设及应用方案和虚拟技术方向的人才培养模式，为井冈山大学数字化教育发展提出了应对策略，其他与我校相同教学层次的高校也可借鉴参考。

1 现状

2019年井冈山大学已建成医学与建筑虚拟仿真实验室，拥有面向医学、生命科学和运动训练学专业的人体解剖等医学虚拟仿真实训平台和面向建筑学的开放式虚拟仿真实训平台，实验室可同时容纳60名学生线上实践教学，师生也可利用移动终端在校内网络访问课程资源，实现在线课程学习和移动学习。2020年初，我校新学期工作部署会议中指出要加快实践教学平台的建设，积极申报省级及国家级虚拟仿真教学实验室。南昌是中国四大虚拟技术生态基地之一，在虚拟技术成果转化和人才需求方面十分迫切。教育厅印发《江西省教育厅关于加快推进虚拟现实产业发展行动方案（2019-2013）》明确全省高校要加快建设虚拟教室和仿真实验室，打造省级重点实验室和工程研究中心，构建虚拟技术领域人才培养体系，奋力打造虚拟技术人才聚集“江西高地”。我们应当紧抓这个契机，依据本校的实际需求和专业特色，采用“请进来，走出去”策略，和企业深度合作开发，一手抓虚拟现实创新应用实验室的建设，一手抓师资和学生人才培养，为我省培养高质量的创意人才打下坚实的基础。

2 虚拟实验在实践教学中的应用及相关技术

传统的实验教学模式单一，实验设备依赖性强，并受限于时间和空间，而虚拟实验运用计算机技术模拟真实的实验环境，采用交互式学习模式，学生可以通过移过设备碎片化学习，不受时间和空间约束，并且能反复进行在线操作，[2]实现了真正的绿色实验。虚拟实验室的建设是当前高校实验室建设的重点方向。各大高校都在积极开展虚拟实验的建设和应用工作，主要集中在机电、建筑、医学、电子信息、化工、文化旅游、体育等学科类。在建设虚拟实验项目时应根据学科的特点和实验教学目标选择合适的开发技术。当前开发虚拟实验的主要技术有：动画技术（Flash VRML  3DMAX）、系统仿真技术（C++  Java  OPENGL Direct3D）、三维仿真技术（unity3D  Virtools   Cult3D）、VR技术、AR技术、MR技术等。虚拟实验的开发主要涉及数字模型建立、交互设计、项目发布这几个阶段。当前高校正在应用的虚拟实验项目主要有以下几种类型。

（1）利用现有的实验室的计算机设备加载虚拟仿真实验教学软件，以真实实验为主，虚拟实验为辅，虚实结合，提升实验教学质量，拓宽实验项目，这种类型的虚拟仿真实验软件主要是二维的，运行环境要求较低，交互性也低、开发成本不高，不能提供在线模拟学习，一般要求在实验室环境下操作。井冈山大学在一些工科实验室（自动化、通信、计算机等专业）已开展这类虚实结合的实验项目。

（2）专业的虚拟仿真实验室：这类虚拟实验室是基于三维视觉的，要求建立专用的计算机实训室，需配置要求较高的学生终端机和服务器及高清显示器，建设成本比第一类高。优点是通用性强，可支持多学科的虚拟实验项目的开展，实验室可接入校园网，学生也可以移动学习。井冈山大学现已建成面向建筑、医学专业的虚拟仿真实验室，未来还将扩充实验内容和软硬件设备。

（3）基于Web的虚拟实验室：将虚拟实验放置于专用的远程虚拟教学管理平台上，学生可通过电脑或移动设备随时随地访问虚拟实验室。这类实验室不需要特定场所，使用方便，应用最为广泛。今年我校从上半年开始着手和企业洽谈合作建设此类项目。但这类虚拟实验项目开发成本也不低，一个实验项目从场景制作到网络发布费用大概要几十万。学校如果能利用本校的三维设计和计算机人才资源，培养出自己的开發团队，不仅能对内完善各类学科的虚拟实验课程资源，还能对外接洽该类业务，有利于提升师资和学生的竞争力。

（4）VR虚拟现实实训室：提供一种开放、创新型教学模式，将交互、自主、沉浸、多感知等特征融入教学实训过程中，主要包括虚拟现实应用开发平台、高性能图像生成及处理系统、沉浸式虚拟三维显示系统（数字手套、头盔、交互控制器等）、沉浸式虚拟现实交互系统及数字化教学系统。可根据教学内容及需求实现“展示”“教学”“实训”“教学资源创作”等功能。这类实训室要求场地较大，软硬件要求高，建设成本远超前三类，但是可以面向多学科通用，交互性学习效果好。我校正在建设实训大楼，可以从中规划一片区域用于此类虚拟实训室的建设。

3 建设方案

井冈山大学是一所综合性的大学，专业众多，教育层次多类化，以全日制本科教育为主，兼具成人教育（包括成人函授、电大、成人脱产高职）。现有的实验室资源基本上是面向全日制本科生开放，成人教育主要以理论教学为主，鲜有涉及实验教学。随着国家对成人教育监管力度的加强，今后除了保证足够的理论教学学时，还必须配比一定的实验教学。在使用实验室资源时，为避免和全日制本科生教学冲突，可以对成人教育的实验环节开展线上实验，弥补了成人教育理工类专业实验教学的缺失，也避免了使用实验资源时和本科生教学产生冲突，学生还可以随时随地完成实践课时。

在建设虚拟实验项目时，应遵守以下几点：（1）不能盲目追求实验项目的数量，应根据我校办学特色，打造几个特色专业，应从实践教学过程中的实际需求出发，高度仿真实验核心要素，提升学生的创新、动手能力。（2）对于一些实验成本高或危险系数高，或实习效果不理想，或真实实验难以开展，需要创新多样教学方法的实验项目，或设备依赖性高，或有确定操作步骤且设备价格昂贵的实验项目可以开展虚拟实验项目。（3）要充分利用现有国家级或省级虚拟实验共享平台提供的虚拟实验项目，根据本校专业培养特色，直接或优化后使用，避免重复建设。（4）建立虚拟仿真项目管理平台来实现稳定、安全、开放、共享的教学模式。（5）建立考核、奖励管理制度，培养一批专业的虚拟实验教学设计人才队伍。图1为井冈山大学虚拟实验实训平台架

构图，图中标粗的模块表示已建成，其余为待建。依托我校网络中心和电子与信息工程学院的两个云计算机中心，可以建立校级虚拟实验实训综合管理平台，教师和学生可以通过移动设备和电脑访问平台上的实验教学资源，包括国家级、省级共享虚拟实验室入口。校内基于Web的虚拟实验共享项目模块按学科及专业将虚拟实验项目进行分类，共享给全校师生，成人教育的学生也可通过此模块完成线上实验任务。素材库可以分类搜索查询并实现上传和下载，教师可以利用素材库的模型资源开发虚拟实验并上传至Web管理平台后共享，为理论和实践教学提供服务。全校教师均可参加进来，对实践教学进行虚拟课改，提高教学质量和实验效果。

虚拟现实实训中心模块包括虚拟实验展示及教学、虚拟实训、创新创业和师资培训这四个模块。虚拟实验展示教学模块采用沉浸式体验教学，以演示教学为主，学生以特定角色身份沉浸到虚拟场景中，真实直观感受现场，开阔视野，激发学生兴趣，提高学习效果。我校的艺术设计、旅游、红色教育、教育心理学、生命科学等专业的实践教学都可以采用这种教学模式。依托井冈山红色旅游资源，应重点建设红色旅游、红色教育演示场景，将其打造成为我校虚拟实验应用教学的一大亮点。虚拟实训主要面向工科类的工程虚拟仿真实训，如机械、化工、电气、通信、计算机等专业。通常工程实训依赖特定贵重设备和特定环境，有时还需安排学生外出实践，耗时耗力。通过建设虚拟工程实训中心，引入VR实训课程，结合VR体验沉浸式设备，完全虚拟实训环节，让学生不出校门就可以完成实训课程。

创新创业及师资培训模块主要是通过校企合作，建立一支专业的VR队伍（包括教师和学生），对内完善虚拟实验课程资源，对外承担各类相关业务，为我们培养一批双师型教师，也为学生提供创新创业的平台，为学生更好的走向社会打下坚实的专业基础。

学生评测和在线考核系统，前者用于深度收集和分析学生参与虚拟实验的学习行为，为今后虚拟实验课程优化提供数据支撑，后者主要用于虚拟实验、实训的考核，采用统一题库进行实践测验，教考分离更有利于提高教师教学态度，激发学生自主学习的动力。

虚拟现实仿真实验室现已建成，主要面向医学、生物、建筑等专业，今后还可以根据学校学科的需求进行扩展，包括软件和硬件方面。

4 培养模式及师资建设

为实现高校教育资源数字化，大力建立虚拟实验项目已成必然趋势。当前，我校已将省、国家级虚拟实验平台的建设工作作为各个学院目标制管理的考核指标，但由于起步晚，经验不足，还需借助外部力量来完成启动工作。选择一家有实力、经验丰富的VR企业进行深度合作，在项目设计开发、人才培养、学生就业等方面共同合作，为我校VR实验项目的建设及发展打下良好的基础。依托有实力的企业，共同完成平台建设方案，搭建好校级虚拟实验实训管理平台，培养好合格的平台管理人员。

虚拟实验课程资源的建设可以采用定制和合作开发两种模式，对于一些复杂的，难度系数高的可以采用定制模式，合作开发模式校方主要负责实验项目的设计，企业方则主要负责技术实现。无论采用哪种模式开发，合作的企业应负责提供VR实验技术教学资源和授课计划，为我校培养VR方面的双师型骨干教师，并全程参与虚拟实验设计开发过程，为我校今后独立自主设计开发打定坚实的基础。虚拟现实开发设计主要包括场景制作和应用开发，涉及多个学科知识。其中场景制作是建设三维模型及动画，而应用开发包含了算法、计算机图形学、程序设计语言等计算机知识。我校艺术学院开设了环境设计、视学传达设计专业，有较好的三维模型与动画设计基础，可为场景制作提供人才。电子与信息学院开设了计算机科学技术和软件工程，可为交互式虚拟程序设计提供人才。可以将我校的平面设计类专业增设VR界面设计方向，计算机专业增设VR应用开发方向，两个专业的师资联合起来和企业共建VR孵化中心和VR创新创业基地，实现产教深度融合。

总之，应选择优秀的VR企业进行深度合作，在共同创建校级虚拟平台时为我校培养出一批专业的VR实验项目开发队伍，可以自主设计开发VR教学资源，实现VR教学资源的开发、应用、教学的闭环生态链。

5 结语

教育信息化的发展水平是评价高校综合实力的重要指标，虚拟实验教学是高校信息化建设的重要组成部分。 在省教育厅和教育部政策引领下，我校应积极开展虚拟实验教学建设工作，做好虚拟实验室的战略部署，提高我校教育信息化水平，缩小与高水平学校的差距，扩大专业学科优势，提升区域产业服务能力。

研究项目：2020年度吉安市社会科学规划项目

参考文献

[1] 夏水秀，顾芝亚，李永生.虚拟现实技术在法医物证实验教学中的应用[J].法医学杂志，2019（6）：759-761.

[2] 谢峰.5G网络下基于虚拟现实技术沉浸式课堂教学的应用与研究[J].计算机工程与科学，2019（12）：14-16.