虛擬仿真實驗：為現(xiàn)實教學所不能為、不敢為、不好為

　　教育部從2013年開始推動全國高校探索虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)；2018年上線了“實驗空間”虛擬仿真實驗教學平臺，為全國高校提供了虛擬仿真課程開放共享服務；2020年,教育部認定了5118門課程為首批國家級一流本科課程，其中虛擬仿真實驗教學一流課程728門。

　　◎本報記者 張蓋倫

　　這是一個神奇的平臺，在這里，你可以進入“超凈間”，進行超冷原子振蕩躍遷實驗；可以登上“火星”，了解火星星表探測系統(tǒng)控制技術(shù)；可以建一個“養(yǎng)雞場”，找到合適的種雞、挑選雞蛋直到孵出小雞……這是“實驗空間”國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺，上面有3000余門實驗課程，涵蓋了農(nóng)業(yè)工程、物理學、電氣類等61個專業(yè)類別。

　　在前不久舉行的國務院聯(lián)防聯(lián)控機制新聞發(fā)布會上，教育部高等教育司一級巡視員宋毅表示，國家高等教育智慧教育平臺計劃于6月增設(shè)虛擬仿真實驗板塊，希望各地各高校積極用好虛擬仿真實驗課資源，滿足在線教學實驗、實踐的需要。

　　虛擬仿真實驗是高等教育信息化的重要內(nèi)容和實驗教學的重要組成部分。經(jīng)過多年建設(shè)，它正在解決高校實踐教育中的痛點。

　　拓展實驗教學的廣度和深度

　　宋毅介紹，教育部從2013年開始推動全國高校探索虛擬仿真實驗教學資源建設(shè)；2018年上線了“實驗空間”虛擬仿真實驗教學平臺，為全國高校提供了虛擬仿真課程開放共享服務；2020年,教育部認定了5118門課程為首批國家級一流本科課程，其中虛擬仿真實驗教學一流課程728門。

　　北京交通大學本科生院副院長景云告訴科技日報記者，虛擬仿真實驗解決的是實驗教學項目“不能做”“不敢做”“不好做”的問題。

　　有些實驗對象太過宏觀或微觀，學生難以理解，實驗室也不能提供合適的實驗條件；有些實驗過程太危險，學校不敢讓學生進行這樣的實驗；有些實驗儀器與材料價格昂貴，實驗室不好搭建這樣的實驗場景。而虛擬仿真實驗，則可以擺脫物理現(xiàn)實的限制，拓展實驗教學的廣度和深度。

　　景云表示，虛擬仿真實驗按照項目難度可以分為3個層次：一是驗證型實驗，也就是純粹驗證老師課堂上講述的理論知識；第二層是設(shè)計綜合型實驗，即設(shè)計若干實驗步驟，由實驗者動手進行操作，得出不同的實驗結(jié)果，以此理解各步驟在整體實驗中的意義；第三層是創(chuàng)新型實驗，設(shè)計者提供若干實驗模塊，由學生自由組合，在實驗中獲得新的發(fā)現(xiàn)?！皩嶒炘O(shè)計者來說，需要將科研成果轉(zhuǎn)化、應用于實驗教學，設(shè)計綜合性、創(chuàng)新性實驗課程，滿足學生對科技創(chuàng)新實驗的需要；還要與大型生產(chǎn)企業(yè)緊密合作，獲取生產(chǎn)現(xiàn)場的真實數(shù)據(jù)資料，與工程實踐緊密結(jié)合，解決學生在校內(nèi)無法開展實習實踐的問題?！本霸普f。

　　例如，北京交通大學交通運輸專業(yè)的學生有一門課程叫《鐵路行車組織》。學校設(shè)計的高速鐵路網(wǎng)行車組織全過程管控一體化虛擬仿真實驗中，構(gòu)建了京滬杭高鐵網(wǎng)“6線5所11站”的半實物沙盤。通過平臺的虛擬仿真和實物模擬，實驗系統(tǒng)可以驗證運輸計劃、動車運用計劃等多要素理論模型與算法研究結(jié)論，同時還能夠承擔多層次鐵路專業(yè)應用實驗內(nèi)容?！霸谔摂M仿真實驗中，學生能更直觀地看到調(diào)度工作的成果，還能體驗各工種的協(xié)同配合，這將有助于培養(yǎng)他們的整體思維。”景云介紹。

　　“虛實結(jié)合”為教學服務

　　教育部教育裝備研究與發(fā)展中心的張敏和劉俊波曾撰文指出，虛擬仿真實驗教學項目的建設(shè)模式主要有3種：由學校教師自主設(shè)計和開發(fā)；由學校教師提出建設(shè)需求，編寫實驗內(nèi)容腳本，由企業(yè)提供技術(shù)支持；學校直接購買企業(yè)開發(fā)的虛擬仿真實驗產(chǎn)品。

　　例如，慧科集團就與多所高校合作開發(fā)過虛擬仿真實驗項目。慧科集團數(shù)字內(nèi)容事業(yè)部總經(jīng)理張黎黎向記者表示，企業(yè)的角色，是幫助教師梳理思路、落實腳本、進行開發(fā)，并跟蹤師生使用后的反饋。

　　“一個好的虛擬仿真實驗教學項目，絕對不是看起來多么酷炫，而是要實現(xiàn)教師的教學目標?！睆埨枥鑿娬{(diào)，所有技術(shù)都只是手段，最終的目的是要提升教學效果。

　　景云認為，一個好的虛擬仿真實驗項目，應該具備四大特點：首先，是應具備網(wǎng)絡(luò)化特點，在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的支持下，虛擬實驗室里的虛擬實驗設(shè)備儀器與實際設(shè)備儀器功能和操作方法大致相同，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)，不受時間、空間的限制進行實驗；其次，還應具備規(guī)?；攸c，受眾面越廣、通用性越強，虛擬仿真實驗就越容易發(fā)揮優(yōu)勢，解決主干課程的主干實驗問題；再次，還應具備交互性特點，學生能獲得較好的實驗體驗，并進行自學習；最后，應具備易用性特點，學生按照提示就能順利完成實驗。

　　“值得注意的是，我們不要為了虛擬仿真而虛擬仿真?！本霸票硎?。

　　教育部文件中有明確規(guī)定，虛擬仿真實驗重點解決真實實驗項目條件不具備或?qū)嶋H運行困難，涉及高?；驑O端環(huán)境，高成本，高消耗，不可逆操作等難題?！拔覀儜摗軐嵅惶摗搶嵔Y(jié)合’。虛擬仿真實驗開發(fā)技術(shù)的選擇要以服務教學和培養(yǎng)學生為基本原則，切勿將完全可以線下開展的實驗也進行虛擬仿真技術(shù)的‘包裝’。”景云說。

　　虛擬實驗教學還有更多可能性

　　其實，建設(shè)虛擬仿真實驗項目，通常來說投資不小，項目建成后，還要進行維護升級。教師是設(shè)計者、應用者和管理者，開發(fā)和維護實驗項目的工作量很大。景云坦言，這就需要有機制來激勵、保障教師和學校對實驗項目的持續(xù)投入，否則一些實驗項目很可能在幾年后就因為支持不足而成了擺設(shè)。

　　在資源共享上，虛擬仿真實驗目前也存在著一些困難。一方面，實驗共享的激勵機制還沒有得到很好的解決；另一方面，相似層次的高校采納其他學校項目的意愿和動力也不足，這也容易導致虛擬實驗項目重復建設(shè)。景云建議，高校之間可以通過虛擬教研室的形式開展聯(lián)合教研，針對一些課程的通用基礎(chǔ)實驗，共同開發(fā)虛擬仿真實驗，各學校按照自身優(yōu)勢牽頭不同的實驗項目，完善實驗資源共享機制。

　　如今，不少學校已經(jīng)開始將虛擬仿真實驗教學項目融入學科實驗教學體系之中，虛擬仿真實驗正朝著規(guī)?；?、體系化的方向發(fā)展。

　　張黎黎表示，目前大多數(shù)高校的虛擬仿真實驗為2個課時的課程。未來虛擬仿真實驗可能會更加體系化，它不再是獨立的實驗內(nèi)容，而會被嵌入整體課程當中，和課程中的多個實驗、多個知識點互相關(guān)聯(lián)。

　　她表示，現(xiàn)在的虛擬仿真實驗教學項目，大多還是以鼠標作為交互方式。未來隨著頭戴式顯示器、觸控手套成本的降低，交互方式也可以更加多樣，學生在虛擬實驗中能獲取的感知維度也會越來越豐富。在實驗形式上，目前的虛擬仿真實驗都有特定的步驟，學生被引導著一步步做實驗，結(jié)果無非是實驗成功或者失敗。“未來，在元宇宙的世界里，我們可以有更多選擇?！睆埨枥枵雇溃瑢W生或許可以在元宇宙中自由探索，用各種工具、材料做他能想到的實驗，甚至進行發(fā)明創(chuàng)造，實現(xiàn)低成本的創(chuàng)新。

　　元宇宙與教育的結(jié)合究竟會帶來什么，現(xiàn)在并無定論，但去擁抱新技術(shù)、探索新技術(shù)，是當下應該做的選擇?！敖處熞惨鲃影研录夹g(shù)用起來。新的技術(shù)對老師來說不是挑戰(zhàn)，而是工具?！睆埨枥枵f。