虚拟仿真实验教学项目应用研究

高文曦

（南通大学教育科学学院，江苏南通 226000）

0 引言

社会的发展和技术的进步对高等院校学生的实践能力提出了较高要求，这给相对固定的专业基础课程的教学内容带来了挑战，传统的实验教学已难以满足当前高等教育信息化需求。鉴于此，自2013 年以来，国家教育部相继出台一列文件以重点推进信息技术与高等实验教学的深度融合［1-3］，在全国各高校陆续推进国家级虚拟仿真实验教学示范中心建设。自此，各类虚拟仿真实验教学项目纷纷涌现，涉及医药学、护理学、教育学以及理工科类等各个学科方向［4-7］。为了给这些项目提供集中展示的平台，由高等教育出版社负责建设运营的国家虚拟仿真实验教学课程共享平台——“实验空间”已对外开放使用。本文通过搜集该平台2017-2021 年开放的虚拟仿真项目作为研究对象，对当前国内获得国家级虚拟仿真实验教学项目的建设现状和应用情况进行详细分析。并针对应用过程中发现的问题，进一步提出优化策略，从而为我国高校建设出更好的虚拟仿真实验教学项目和系统提供可供参考的实践启示。

1 虚拟仿真实验教学项目建设与应用现状

1.1 虚拟仿真实验教学项目建设情况

依托虚拟仿真技术的“网上实验”“虚拟实验”为高校实验教学开辟了新途径［8］。因此，国内众多高校和研究所一直在积极利用VR/AR 技术、人机交互技术以及三维展现技术等，建立各类高仿真的虚拟实验项目，实现在真实环境中不具备条件或者实验难度较大的实验项目虚拟化，保证学生在模拟的环境中进行实验的效果与真实环境一致［9］。

目前，国家虚拟仿真实验教学课程共享平台申报的虚拟仿真实验项目共有3 250 个，时间跨度为2017-2021 年，涵盖了理、工、农、医、文等学科中的61 个大类，详细分布情况如表1 所示。其中被认定为国家级虚拟仿真实验项目的共有728 个，由于2021 年申报工作刚结束不久，相关项目还在建设过程中，尚未进行成果认定，因此该平台暂时没有公布2021年的国家级虚拟仿真认定项目。

Table 1 Distribution of virtual simulation project categories 2017-2019（Top 20）表1 2017-2019年虚拟仿真项目类别分布情况（前20名）

分析表1 发现，虚拟仿真实验项目申报数量排名前20的专业大类中，申报管理类虚拟仿真项目的数量最多，高达221 个；申报数量在100 以上的专业大类有8 个，分别是机械类、艺术学类、土木类和基础医学类等，表明虚拟仿真技术在这几个专业领域的应用相对而言更加成熟，技术优势更加明显，具有广阔的发展前景。并且，在排名前20 的学科门类中，理工科类的虚拟仿真项目数量占比更高，这也从侧面反映了相较于农林医药和人文社科类等，虚拟仿真实验在理工科门类中的应用范围更为广范。

此外，按照年份对认定为国家级的728 个虚拟仿真实验项目展开进一步分析，认定数量排名前20 的专业大类情况如图1所示。

Fig.1 The recognition time distribution of national virtual simulation experiment teaching project图1 国家级虚拟仿真实验教学项目认定时间分布情况

不难看出，拥有国家级虚拟仿真实验项目数量排名前三的专业大类分别是临床医学类、机械类和基础医学类。并且，这几个专业大类的虚拟仿真项目不仅在数量上具有明显优势，而且相较于管理类、电气类、物理学类、教育学类等几个类别的虚拟仿真项目，它们的认定年份也更早。这进一步支撑了表1 的结论，虚拟仿真技术在工、医两个学科中应用得较早，技术也更加成熟。但随着虚拟仿真技术的不断发展，其在文学类、管理类、教育学类、交通运输类等文、理、农学科中也备受青睐，近两年涌现了大批量的虚拟仿真实验教学项目。此外，在分析国家级虚拟仿真项目时还发现，虽然地质学类、纺织类、海洋科学类、天文学类等专业也积极建设了大量的虚拟仿真实验教学项目，但其中高质量的国家级虚拟仿真项目数量仍未实现零的突破。一方面，可能是由于技术水平限制，虚拟仿真技术在这几个专业领域的应用尚不成熟；另一方面，虚拟仿真技术在该领域的应用发展尚未引起足够重视。教育和虚拟仿真技术的不断融合，势必为这些学科的教学模式改革带来新的突破［10-11］。

对728个国家级虚拟仿真实验教学项目建设高校分布情况展开分析，结果如表2所示。

可以看出，拥有国家级虚拟仿真实验项目数量在5 个以上（包括5 个）的高校共有43 所，项目数量共计291 个，占国家级项目总数的39.97%。其中排名前5 的高校分别为天津大学、山东大学、陕西师范大学、西安交通大学和浙江大学，这5 所高校建设的国家级虚拟仿真实验教学项目数量都在10 个以上，位居全国前列，且均为双一流高校。分析表2 数据还可以发现，在43 所高校中，双一流高校共有31 所，占比74.42%，其中双一流高校建设的国家级虚拟仿真实验教学项目共有220 个，占比75.60%。这说明双一流高校建设的虚拟仿真实验教学项目在数量上占比更高，具有明显优势，反映了拥有优质教学资源、先进软硬件设备以及高水平人才队伍的双一流高校在虚拟仿真实验教学建设方面整体实力更强，虚拟仿真实验教学资源也更加丰富。这种情况对于规模较小且专项资金和资源不够的高校而言，虚拟仿真实验项目建设无疑是难上加难。要弥补这一短板，可以共享现有虚拟仿真项目资源，优化资源配置，避免重复投入。同时，可通过增加平台用户数，更好地发现实验教学中存在的不足，并加以完善，从而进一步提高实验教学质量。

1.2 虚拟仿真实验教学项目应用现状

针对平台开放的61 个专业大类中的虚拟仿真实验教学项目（包括申报和认定为国家级的），进一步按照理工、农林、医药以及人文社科等学科门类进行归纳分析，以全面了解当前虚拟仿真实验项目在各学科专业的应用情况，如表3所示。

可以看出，在理工科类、医药类、农林类、人文社科4个大学科门类中，理工科类的虚拟仿真项目无论是在申报数量上，还是在认定为国家级虚拟仿真项目的数量上都遥遥领先其他3 个学科门类。相较于农林类和人文社科类两大学科门类，理工科类的实验项目更多、种类也更加复杂，对学生的动手操作能力要求也更高，如机械类、电子信息类、土木类、自动化类、化学类等，这类实验往往都属于高成本、高消耗，甚至高危险的项目［12-15］。而虚拟仿真实验教学项目具有高性价比、交互性、安全性以及开放性等优点，可以有效缓解传统理工科类实验教学模式中的资源短缺、场地限制及高风险性等弊端，因此理工科类实验更适合开展虚拟仿真实验教学项目。例如，天津大学的姜杉团队将虚拟仿真技术与机械专业课程相结合，帮助学生在线完成一系列实验操作。他们可以在线反复观察机械结构和工作原理，反复动手拆洗齿轮油泵等零件，让书本上原本静态的零件和仪器统统“活”了起来，极大激发了学生的学习兴趣。并且，虚拟仿真实验在理工类学科中的发展较早，应用价值也更广泛。依托虚拟仿真实验项目，学生可以在沉浸式的实验环境中重复操作实验，甚至可以体验实际教学中无法操作的一些具有危险性、破坏性的复杂实验，从而避免实验风险，拓展实验教学的广度和深度，提高实验教学效果。例如，天津大学赵温涛团队开发的“加压氢化反应的虚拟仿真实验”，学生可以在线使用易燃易爆气体、高压釜等特种设备，仿真操作加压氢化装置，使学生体会重大发现及应用，培养学生的创新意识。

Table 2 Distribution of national virtual simulation experiment teaching items表2 国家级虚拟仿真实验教学项目的分布情况

Table 3 The application of virtual simulation experiment teaching items in various disciplines表3 虚拟仿真实验教学项目在各学科门类中的应用情况

同时，医药类实验也是虚拟仿真实验教学平台的重要应用领域［16-18］。相较于其他几个学科门类，虚拟仿真技术在我国医药学类实验中的应用研究起步最早，技术也更加成熟完善。观察表3 可以看出，虽然医药类虚拟仿真实验项目数量不是最多的，但是认定为国家级虚拟仿真项目的比例远远高于理工科类。由于医药学的实验对象大都是动物或者微生物，其实验操作具有一定的创伤性、不可逆性，甚至具有极大的风险性。如果学生缺乏实际操作经验，实验很容易失败，这将挫伤学生继续实验的积极性和自信心。医药类虚拟仿真实验为学生们提供了一种动态和有效的学习途径，可以让学生在安全的环境中重复和标准化临床经验，并且允许学生试错，从而提高他们的临床技能和信心。例如，暨南大学的查振刚教授在其临床医学的实验教学中通过虚拟仿真技术模拟出清创、消毒、铺巾以及肌腱缝合4 个阶段的手术操作场景，使学生沉浸在虚拟仿真手术室里，并掌握骨科创伤急诊相关知识点和操作。

除理工科类、医药类外，农林类、人文社科类的虚拟仿真实验教学项目建设也硕果累累。观察表3 可以看出，由于农林院校和专业总体数量相对较少，因此该门类的虚拟仿真项目数量也最少，但认定为国家级虚拟仿真项目的比例最高。这也从侧面反映了虚拟仿真技术在农林类实验教学中具有巨大的发展空间。例如，浙江农林大学依托虚拟仿真技术开发的土污染修复仿真实验项目，解决了传统土壤污染修复实验中对特定教学场地、修复工程大、周期长等问题，将有限的实验训练拓展成无限学习和自主学习模式，提升学生的实践能力和创新思维。此外，作为虚拟仿真实验教学的新兴领域，各大高校也紧跟时代步伐，积极部署虚拟仿真技术在教育学类、法学类、管理学类等人文社科领域的应用发展。从表3 可以看出，人文社科类的虚拟仿真项目数量仅次于理工科类，这为文科类的实验教学改革构建了新途径，有着十分广阔的发展前景。例如，南通大学的沈小燕团队针对会计学专业核心课程，基于国家级制造企业的真实场景和多年数据构建管理会计虚拟仿真项目。利用该平台，学生可以切换多种工作角色，置身于虚拟企业环境中，按照任务指引，运用管理会计知识，开放式地进行模拟运营。结果发现，该系统很受学生欢迎，极大提高了学习效果。

2 虚拟仿真实验教学项目中存在的问题

虚拟仿真项目在实验教学应用过程中，还利用实验空间平台提供的测试账号和密码，对各学科门类的虚拟仿真项目进行一一测试。测试发现，当前虚拟仿真实验教学项目在实际应用中存在一些不足。

2.1 丰富性与典型性有待提升

尽管当前虚拟仿真实验教学项目在一定程度上缓解了传统实践教学资源短缺的困境，然而各学科的实验教学内容和实验项目种类远不止于此。以文科为例，对法学类、经济学类、教育学类、文学类等几大门类的虚拟仿真实验项目的课时进行统计分析，如图2所示。

Fig.2 Class hour statistics of virtual simulation experiment in liberal arts图2 文科类虚拟仿真实验项目课时统计

从统计结果可以直观地看出，总体上各学科的虚拟仿真实验项目所占课时普遍偏低，无法满足教学大纲所要求的教学效果，其中虚拟仿真项目的实验课时占总实验课时百分比超过15%只有经济学类和艺术学类两大类，历史学类占比只有7.66%。虚拟仿真项目的建设重点是将项目落实到教学资源和教学服务上，扩大实验项目课时比，有助于提高实验教学效果，提高学生动手能力，增强高校学生的社会实验和创新能力。此外，虚拟仿真实验项目偏少，容易让学生在实验过程中浅尝辄止，使得实验教学效果大打折扣，这些问题在理工科、医药学科等其他学科门类中的一些项目中也普遍存在。鉴于此，提升虚拟仿真实验教学资源种类的丰富性和典型案例数量十分必要。

2.2 互动性有待加强

互动性是虚拟仿真技术的必要特性之一，也是虚拟仿真实验教学平台建设中面临的主要问题之一。实践证明，虚拟仿真实验教学项目已成为提高学生实践动手能力和创新思维的有力补充。由于虚拟仿真实验突破了传统实验教学对时间、空间和实验条件的局限性，让学生随时可以利用网络进行远程学习或实验。但如果实验过程中缺乏与学生的有效互动，针对学生的问题不能够提供及时的反馈和帮助，这样容易让学生处于“无人管理”的状态，打击学生实验的积极性。如图3 所示，对实验空间中认定为国家级虚拟仿真项目数量排名前10 的专业大类的平均实验人数、平均点赞量、平均评分量和平均评论量进行统计分析，以揭示当前国家级虚拟仿真实验教学项目的互动情况。观察图3 可以看出，排名10 的学科大类分别涵盖了理工、农林、医药以及人文社科等学科门类，总体上各学科大类的平均实验人数、平均点赞量、平均评分量均不高，特别是参与留言评论的人数更是少之甚少，比如文学类平均参与评论的只有5 人，其他学科大类也只有几十人。这反映出在一些学科的虚拟仿真实验教学项目中，学生的参与度明显不够，平台互动性有待进一步加强。

Fig.3 Interaction of virtual simulation experiment teaching items in some subjects图3 部分学科虚拟仿真实验教学项目互动情况

此外，依托实验空间平台，该平台开放的虚拟仿真实验教学项目大都已建立了评价反馈机制，如图3 所示，但仍停留在点赞、留言等简单的互动形式阶段，评价反馈体系过于简单。而且，很大一部分项目存在针对学生留言、反馈没有响应或者改进滞后的不足，信息传递与响应速度也有待进一步提升。

2.3 后期维护有待完善

目前，在高校、地方政府以及国家教育部门等各方的努力支持下，我国虚拟仿真实验教学项目发展已初具规模。但一般高校或者机构在虚拟仿真实验教学项目建设前期大都会投入大量的人力、物力和财力，而对项目后期维护的重视程度和投入不够，不利于平台软件功能完善与资源扩充，也带给学生不良的学习体验，最终影响实验教学效果。如图4 所示，在对实验空间开放的部分虚拟仿真实验教学项目测试过程中发现，有些项目在学习过程中会出现无法进行下一步或者图片无法放大等问题，极少数项目出现这种情况甚至达2～3 次。同时，还有一些项目会出现网址错误、实验页面无法打开、提供的测试账号错误、无法下载插件、无法退出等一系列问题。这在一定程度上反映出我国虚拟仿真实验教学项目后期维护还相对薄弱，在项目功能完善、软件升级等方面还有待进一步探索。虚拟仿真实验教学平台使用流畅性是用户持续使用的一个重要原因，如何让平台更个性、更畅通，是虚拟仿真实验项目是否能够可持续发展的重要保障。

Fig.4 Problem Statistics of virtual simulation experiment teaching item图4 虚拟仿真实验教学项目的问题统计

3 虚拟仿真实验平台优化策略

3.1 加强顶层设计，强化资源开发

虽然虚拟仿真技术在实践教学中具有多种优点和功能，但在设计开发虚拟仿真实验教学项目时，不能单纯为了求新而求新，加强顶层设计是首要条件。在项目设计和开发过程中，必须确保教学内容、模型、模型关系的完整性和系统功能的完整性。此外，在虚拟仿真实验教学资源开发和平台功能完善的过程中，各大院校应结合各自发展需求、专业特点，多思考、多研究，提前计划，打破任务、学科甚至专业约束，灵活地设置虚拟仿真实验教学项目，让学生以完成项目为抓手，串起各学科相关课程和知识点。同时，在遵循“虚拟与现实结合、互补、真实”的原则下，将虚拟仿真内容与实际教学内容建立多样化的对接点［19］，提升虚拟仿真教学资源的多样性、适用性和共享性，最大化发挥虚拟仿真项目在实践教学中的作用。

3.2 优化可操作性与交互性，提升学生参与度

与PPT 和Flash 教学相比，虚拟仿真实验教学系统可以帮助学生在全三维感知的场景中进行实际操作。若系统操作复杂，步骤繁琐，或者与实际情况脱节，互动性差，这些都会降低学生参与度和学习积极性，影响实际的实验教学效果。因此，首先应根据不同的教学模块，优化虚拟仿真实验项目的操作程序，避免出现与实际情况相去甚远、操作困难的情况；其次，各高校及其开发者还需要优化虚拟仿真实验教学平台本身的交互性，以满足不同实验项目的个性化需求。比如在技术方面，可以利用体感、人工智能、人机交互、增强现实等技术，为学生呈现更加形象、逼真的实验情境，使学生有做真实实验的体验，从而激发学生的学习热情和主动性。在内容反馈方面，可以在虚拟实验中设计一些突发状况或者意外情境，或者结合团队互助、项目驱动、网上答疑、实时点评等新的教学手段，同时将实验中出现的新问题及时反馈给软件设计者，便于其及时调整，增强系统交互性，这样可持续满足实际操作的具体需要和学生实际需求［20］。

3.3 健全长效管理，完善维护保障体系

长效的管理体制和完善的平台保障体系是虚拟仿真实验教学项目开放共享和可持续发展的重要保障。在搞好虚拟仿真实验教学项目建设的同时要强化平台制度建设，形成一套科学有效的运行管理机制，从而实现长效管理。比如教师方面，可以制定标准化的操作手册和考核方法，以避免不遵循指导的学生自己体验和操作实验，造成不良结果；高校或者平台方面，可以建立一套科学合理的引导政策和激励机制，如制定合理的虚拟仿真项目实践教学绩效评价体系，提升平台资源认可度并设置相应科研奖励等，从而促进平台利用率和资源开发效率。为提升平台项目的口碑与可使用性，完善的维护保障体系也必不可少。相关高校要按照国家要求，加强对虚拟仿真实验教学项目对外联通和服务情况的监管，并针对反馈结果及时对项目功能和问题进行持续改进和优化，保证虚拟仿真实验教学项目的可持续运行［21］。

4 结语

将虚拟仿真技术与实验教学相融合是高等教育信息化必然趋势，不管是从经济效益、安全角度，还是从人才培养、资源配置的角度，虚拟仿真实验教学的应用发展都为高等院校实验教学改革带来了极大便利。本文以国家虚拟仿真实验教学课程共享平台——“实验空间”开放的2017-2021 年虚拟仿真实验教学项目为研究对象，分析当前虚拟仿真实验教学项目建设现状和应用情况，并针对当前虚拟仿真实验教学项目在实际应用中存在的问题提出优化策略，以期为虚拟仿真实验教学项目的未来应用发展提供实践启示。各大院校应积极响应教育部关于推进国家级虚拟仿真实验教学中心建设的工作要求，努力探索全新的实验教学模式，推动高等教育事业的不断创新和发展。