国内外高等学校虚拟仿真实验发展综述

侯 慧 朱韶华 张清勇 李向舜 杨 旭

(武汉理工大学 自动化学院， 武汉 430070)

实验教学是培养学生具有创新创业精神、实践创新能力和承担社会实践责任感的重要教育内容，而现在高校传统的实验教学课程体系和教育方法已经不能充分满足这两个方面的实际需求，必须进行教学变革和技术更新，以能够适应经济社会不断进步和高校人才培养发展需要，同时也必须满足高校对于实验教学自身文化内涵不断发展的实际需求[1]。另一方面，实验教学过程是学校理论教学的有效延续，是教师使全体学生对以前所学到的知识进行消化吸收的重要过程[2]。然而由于受到实验教学场地以及实验教学资源的严重限制，很多实验教学项目达不到补充理论教学的基本要求。而基于这种虚拟仿真技术的虚拟实验教学由于投资少、安全性高，可以将其设计为在极端恶劣条件下运行的虚拟实验，为学校实验教学发展提供了有力的技术支持[3-4]。

2020年，在疫情冲击的背景之下，教育部出台了《关于在疫情防控期间做好普通高等学校在线教学组织与管理工作的指导意见》，保证了疫情期间的教学进度和教学质量，实现“离校不离教，停课不停学”[5]。而虚拟仿真实验可以完全脱离教学时空的限制，构建一个近乎真实的虚拟课堂作为实验教学对象和教学环境，能够让高校学生在一个虚拟的课堂环境中轻松实现各种自主实验操作，满足实验教学大纲规定要求的实验教学效果。所以在疫情严重的背景下，虚拟仿真实验对高校学生实验教学发展具有重要指导意义，是对高校实验教学的一个很好的补充[6]。

所以在互联网时代，虚拟仿真实验的重要性越显突出，有必要对虚拟仿真实验的发展进行探讨。

1 虚拟仿真实验的国内外发展现状

教育部在2013年启动了国家级虚拟仿真实验教学中心的建设工作，已建成国家级虚拟仿真实验教学中心300个[7]覆盖全国27个省、自治区和直辖市。300个国家级虚拟仿真实验教学中心覆盖了除哲学外的12个学科门类，其中理工类215个，农林医药类42个，人文社科类43个。从中可以明显看出大学理工类相关学科对进行虚拟仿真实验的技术需求量和要求远比人文类和社科类高。同时，教育部也十分看重大学虚拟仿真实验的自主创新研发，启动了2017-2020年建设1000项左右示范性虚拟仿真实验教学开发工作[8]。截止至2020年2月，在国家虚拟仿真实验教学平台：iLab实验平台上，已经接入2079项拥有自主产权的优质可共享的虚拟仿真实验教学项目，涵盖41个专业类别中的255个专业和1561门课程[9]。iLab实验平台上的实验数量如表1所示。

表1 iLab实验平台中各专业实验数量

中南大学成立了“机械工程虚拟仿真实验教学中心”，将机械工程专业作为基础，以高性能复杂构件装备、复杂曲面制造、微电子制造等学科作为特色，积极探索拓展了学科实验教学的理论深度和知识广度，发挥了与互联网和其他学科融合优势。建立了与“机械工程实验教学中心国家示范实验室”相辅相成、优势互补的综合教学资源，做到了对教学理论实践教学的优质化和补充[10]。

江苏大学于2016年获批成立“车辆工程虚拟仿真实验教学中心”。中心围绕“汽车构造”“汽车理论”“汽车设计”“汽车电子”“汽车测试技术”“新能源汽车”等六个核心学科特色并将专业课程建设作为学科教学建设目标，将车辆结构原理、车辆动力学性能、汽车电子与测试技术、新能源汽车、汽车制造技术等知识模块相结合。通过企业自主创新开发、科研成果高效转化、资源合理的充分利用，构建了“汽车构造原理与虚拟拆装”“汽车性能仿真”“汽车电子与测试技术”“新能源汽车”及“汽车制造技术”等五大专业虚拟仿真课程实验教学服务平台，主要可以服务于车辆工程、机械设计制造及其自动化、热能与动力工程等多个专业，共累计开发了48个虚拟实验教学项目[11]。

南开大学医学院成立“医学虚拟仿真实验教学中心”。该校的虚拟人体仿真解剖实验教学研究中心具有知识点含量非常丰富的人体影像解剖病例数据库，使解剖实验教学摆脱了传统解剖实验教学中对解剖人体以及尸体的严重依赖，同时也充分做到了与真实实验紧密结合，既大大提高了虚拟实验的教学成功率,改善了实验教学效果，也彻底打破了实验时间和教学空间的双重限制，扩充了传统实验教学中的内容。同时还积极响应党的国家号召，落实执行国家标准提出的“减少”“替代”“优化”实验室和动物保护使用的“3R”保护原则，更好地有效保护环境[12]。

大连理工大学依托校内资源“软件工程综合实验教学中心”“省级实验教学示范中心”，成立了“软件工程虚拟仿真实验教学中心”，发挥了大连理工大学学校软件信息工程实验学科的自身优势，坚持软件教学与实验科研有机结合，将教学科研成果不断创新转化并成为软件实验教学科研资源。同时它还综合利用学校云计算、物联网、多媒体等信息技术，支持其他重点大学、合作教育企业进行联合应用，充分体现了教学资源整合开放、应用技术开放、服务开放的办学特色[13]。

南昌大学建立了“医学虚拟仿真实验教学中心”，该虚拟仿真实验教学中心包含主要包含基础医学教育虚拟仿真实验教学平台、临床医学教育虚拟仿真实验教学平台、护理学教育虚拟仿真实验教学平台，里面分别内置了大量自行自主开发或国外购置的学科教育虚拟学习实验平台、网络学习课程、资源库等。同时该学院医学实验教学培训中心先后承担了包括临床医学、预防疾病医学、医学动物检验、卫生医学检验与动物检疫、麻醉学、医学影像处理学、口腔医学、护理学、药学、眼科等10个临床医学大类本科专业及中英班、卓越学院医生精英班、留学生班的各类医学实验教学培训任务，开设各类实验教学课程30门。此外，南昌大学医院作为华东地区主要的市级医疗卫生部门从业人员技能培训基地，承接了很多附近医院附属医院及江西省委派的专业医护人员卫生技能素质培训及开展实践卫生技能训练比赛等培训活动[14]。

厦门大学组建了“厦门大学机电类虚拟仿真实验教学中心”。该虚拟仿真实验教学中心依托物理与机电工程学院，构建了高度仿真的实验环境和实验对象，包括电气技术实践训练、数控技术实践训练、电子技术实践训练以及模具设计与制造四个实训门类共15门课程。并且，实训中心通过一个远程控制实训共享网络平台面向广大全校学生进行共享，学生们也可随时远程访问这个实训共享平台。中心主要面向学院全校16个本科专业学生开设远程实践技能训练系列课程，并在远程网络平台上免费开设虚拟仿真实训训练课程[15]。

而在国外，美国新媒体联盟早在2002年就开始了对虚拟仿真融入到教育领域的规划。耶鲁大学充分发挥学校虚拟仿真实验室的优势，采用智能平板电脑模拟完成分子生物学、细跑生物学、发育生物学等学科课程的虚拟实验。学生们可以共同分享在实验室光学显微镜中实时获取的数据和实验图像等信息资源，对实验图像数据分析进行实时记录、分析。科罗拉多大学构建了一个结构化的虚拟实验室，可以让学生进行个性化的学习和自主性的实验。加州大学圣迭戈分校开发了虚拟仿真系统为学生们展现了公元前十世纪的约旦堡垒，以破解这一巨型堡垒的建筑之谜。

英国开放大学开发了支持远程控制、虚拟仪器、交互式多媒体实验、在线分析与综合研究的大学实验管理平台，可以在线快速实现所有大学实验室的管理功能。学生同时可以通过网上下载遥控虚拟仪器应用软件直接进行手机在线模拟实验。其中,应用于地球科学实验技术研究的各种虚拟岩石显微镜设备可直接提供当前全球存放在来自世界各地科学博物馆、大学、科研机构仓库中的各种地球表面优质岩石材料和数百种地球优质岩石材料样本。既有效避免了昂贵的显微镜、薄膜和切片等的制备基础设施与仪器设备的前期购置费，还同时可以直接作为全球开放资源共享的各种虚拟仪器设备使用。

作为印美高等教育领域校际合作重要内容,美国21所顶尖大学充分利用印度甘露大学的远程国际教育网络平台为印度几百所高校的国际学生提供开设了包括“计算机工程科学”“信息与电子通信”“生物技术”“材料科学”等多门网络教育课程并与印度高校开展网上技术协作。在此基础上印度甘露大学相继成功启动了虚拟机器学习平台、网上联合研究中心和在线学习实验室(online-labs)等一批重点建设项目。

1）开启智能手机的APP功能，下载百词斩、扇贝打卡等客户端，结合自身情况，规定任务量，每天记忆单词，反复巩固，扩充词汇量，夯实听力基础。

澳大利亚雷德兰兹大学利用智能平板电脑易随身携带、高分辨率大屏显示和智能触摸屏的三大特点，以此方式替代笨重的科学实验地理仪器、视频广播设备和其他的昂贵教学工具，开展了野外实地体验教学，与在校学生们一起分享地图拍摄全景照片、地图注解、全球地形等图片相关资料，同时收集和整理分享了地球岩石地理数据。

西班牙马德里IE商学院运用名为唐宁街10号的职业教育教学游戏软件开展专题教学，可以有效让广大学生快速学习和深入了解当前全球相关经济、政治领域的巨大复杂性，寓教于乐，使广大学生能够站在更高更深层次角度进行问题思考，培养学生了解全球经济相关领域紧迫性和解决问题的实际操作能力[16]。

2 发展虚拟仿真实验的必要性

如今实践教学的重要性越发凸显出来，良好的实践教育可以帮助学生对自己的专业有更好的了解，使学生充分的定位自己的职业方向。而随着互联网、信息化的发展，网络平台成为了实践教学的重要阵地。目前，随着虚拟现实技术的日渐成熟，以及国内高校信息化基础设施建设越来越完备，不少国内高校已具备开展虚拟仿真实验教学的条件，并根据教学和科研的需求建立了虚拟仿真实验室[17]。

首先，传统的实验教学管理方式存在很大的技术局限性。一般来说，普通高等学校实验场地有限，不能提供足够的场地空间以安放综合实验室的设备，并无法容纳数量众多的学生开展综合实验。而且许多大学精密仪器往往有着昂贵的检修维护费用，无法及时供应学生们日常操作使用。专业人员短缺同样严重限制着高校传统实验教学方式的发展，高技术素质的实验教育人才较为难得，实验教师的职业局限性也不可避免[18]。同时，虚拟仿真实验有着更高效的教学模式，如图1所示，虚拟仿真实验教学增强了老师对学生们的了解，可以更好地进行师生间的互动。虚拟世界有着无限的空间，可以让学生们体验现实中昂贵的实验设备，同时让教师在实验教学中解放出来，更方便地去了解学生的学习状况。所以虚拟仿真实验有着不可比拟的优越性。

图1 虚拟仿真实验系统架构图

其次，虚拟仿真实验具有开放性，有效地打破了时间和空间的界限。学生可以自由地安排实验时间，根据自己的兴趣爱好可以选择课外实验内容，也就是可以同时浏览其他高等学校其他专业的实验内容，丰富课外知识。同时，我国经济发展不均衡，教育资源也很不平衡。虚拟仿真实验成果依托互联网，可以有效地拓宽实验收益覆盖面积[19]。例如清华大学实验空间(www.ilab-x.com)2018年2月1日开始上线运营，40天时间注册用户超10万，访问量超186万，评论量近9万条，被收藏3万多次，美国、加拿大等国家人员访问量近3万，单个项目最多访问量超过5000次[20]。

最后，虚拟仿真实验的发展符合了实验改革与创新的需要。虚拟仿真实验创新教学形式，改善教学互动方式，提高学生兴趣，有助于学生更好地了解实验内容，发展学生创新思维。

3 虚拟仿真实验面临的挑战

虚拟仿真实验的广泛应用极大地帮助了高等学校实验教学的开展，丰富了高等学校实验教学形式以及实验教学内容，提高了在校学生们的学习积极性，但是我国目前关于虚拟仿真实验的应用发展仍然存有许多现实问题。

二是虚拟仿真实验的创新性不强，实验的交互方式较为单一。虚拟仿真实验是传统实验教学的补充与延伸[22]，但是目前国内虚拟仿真实验多为演示性实验，仍以图片、视频、动画为主，情景创设较为呆板，只是为学生们提供了实验场地，未能很好地激发学生学习的主动性。而且实验流程过于机械化，学生需要严格按照操作步骤进行实验，这严重阻碍了学生对知识的探索，忽略了学生的主观能动性。

三是与课程的结合度不够。国内大多高校都是依托企业来进行虚拟仿真实验的开发，甚至直接购买现成的软件和资源，未经过二次加工，实验缺乏特色，未能发挥高校的学科优势与专业特长。同时由于开发技术人员并不能很好地了解学科专业，教师又缺乏与技术人员的交流，导致实验与课程内容的脱节，使实验教学并不能与课程教学进行良好互补。

最后是虚拟仿真实验教学资源的适用范围有限，国内多数高校开发的仿真实验只是在本校中使用，并未达到大范围实验教学资源共享。并且因为开发环境不同，各大高校的虚拟仿真实验并不兼容，使用起来并不顺畅，严重阻碍了虚拟仿真实验教学资源的开放传播。因此，各大高校基本处于自行使用的状态，很容易出现重复开发的现象，浪费资源[23]。

4 虚拟仿真实验教学的改革动向

随着互联网行业的发展，以信息技术为主导的新一波教育技术极大地冲击着国内虚拟仿真实验的发展面貌，未来虚拟仿真实验的改革发展方向可总结如下。

首先，虚拟仿真实验要更加注重学生的自主探索，更好地与课程结合起来，调动学生主观能动性，建立更多依靠学生自主探索的创客空间，和配备有传统的先进的数字化设备的开放实验室。例如英国普利茅斯艺术学院与欧洲一些主要的微观装配实验室合作，将工坊与专业实验相结合，利用3D打印机和扫描仪实现自由实验探索[24-26]。

其次，虚拟现实技术的发展，会使得实验的交互方式变得多样起来，使虚拟仿真实验跳出演示实验的范畴，更好地增加学生自主学习的主动性。一些发达国家对未来高校教室和教学实验室的未来发展趋势进行了一定的研究探索。例如:新加坡南洋理工大学的COTF (Classroom of the Future)、东京大学的KALS (Komaba Active Learning Studio)、德国伊尔默瑙工业大学的虚拟现实实验室、美国明尼苏达大学的主动学习楼，以及美国匹兹堡大学的可扩展协作学习空间[27-28]。

第三，建设真正开放共享的虚拟仿真实验教学平台为主。各高校之间加强交流协作，统一技术标准，扩大受益面，真正地做到资源共享。其次要积极引导社会参与，通过校企合作共同研发虚拟仿真实验教学平台，构建合作共赢、利益共享的合作方式。此外还需要建立有效的监督评价体系，让学生可以自主地参与到实验平台的建设中来，为实验平台的建设注入活力。

最后，要完善知识产权的保护，虚拟仿真实验教学资源是智力劳动成果,具有明显的知识所属权，所以有必要健全知识产权的保护，切实保护研发者利益。

5 结语

综上所述，虚拟仿真实验的发展还有很长的路 要走，但随着信息化的不断加深，随着5G和AI (Artificial Intelligence)等科学技术深入发展，虚拟 仿真实验教学的优势会越发地明显，发挥更大的作 用。根据对虚拟仿真实验的国内外研究现状做了阐述，对发展虚拟仿真实验的必要性和面临的挑战 进行总结，以及对虚拟仿真实验的改革与发展进行简单的展望，都可对我国虚拟仿真实验未来的发展建设有一定参考作用。