林 琎 趙春青 劉會香 張衛(wèi)光

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護學(xué)院 山東泰安 271018

實驗和實踐教學(xué)是大學(xué)生實驗、實踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的平臺，是創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)型人才培養(yǎng)的必備過程。目前，高校所設(shè)專業(yè)的一些常規(guī)實驗都可以通過實際操作完成，但一些周期長的實驗、需要特殊或高端的儀器才能開展的實驗、高溫高壓高危險性的實驗、遠程控制的實踐操作等則無法全面開展。面對這個難題，可以借助虛擬現(xiàn)實(VR)、增強現(xiàn)實(AR)、混合現(xiàn)實(MR)等技術(shù)實現(xiàn)[1-6]。本文重點就虛擬仿真技術(shù)在高校實驗和實踐教學(xué)中的建設(shè)和現(xiàn)狀進行歸納和討論，為國內(nèi)虛擬仿真教學(xué)項目的建設(shè)和規(guī)劃提供參考。

1 我國虛擬仿真示范中心和項目建設(shè)現(xiàn)狀

早在2005年，教育部就開展了國家級實驗教學(xué)示范中心的建設(shè)和評審工作，截止到2016年1月，教育部已評審建立了900個相關(guān)示范中心，300個虛擬仿真實驗教學(xué)中心，涵蓋了44個學(xué)科類別。教育部高教司于2008年2月批準成立了高等學(xué)校國家級實驗教學(xué)示范中心聯(lián)席會，聯(lián)席會下設(shè)示范中心工作委員會，由20個學(xué)科管理組和5個區(qū)域管理組構(gòu)成。學(xué)科管理組包括：物理組、化學(xué)組、生物/食品組、電子組、機械組、力學(xué)/土建組、工程訓(xùn)練組、計算機組、地學(xué)/環(huán)境組、植物/農(nóng)林/動物/水產(chǎn)組、經(jīng)管組、材料組、傳媒組、藝術(shù)組、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)組、藥學(xué)組、臨床/公衛(wèi)組、交通/航空/能源組、文綜/考古/法學(xué)組等。

2016年12月，教育部辦公廳頒布了教高廳〔2016〕3號文，即關(guān)于《國家級實驗教學(xué)示范中心管理辦法》的通知，將國家級實驗教學(xué)示范中心建設(shè)納入“十三五”規(guī)劃，將繼續(xù)有力地推進和執(zhí)行實驗教學(xué)改革的深入發(fā)展。另外，為更好地推進現(xiàn)代信息技術(shù)與實驗教學(xué)項目的深度融合，拓展實驗教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，延伸實驗教學(xué)的時間和空間，提升實驗教學(xué)質(zhì)量，教育部2017年7月頒布了教高廳〔2017〕4號文件，《教育部辦公廳關(guān)于2017～2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》，通知明確指出，計劃截止到2020年，將分4批認定約1 000個虛擬仿真實驗教學(xué)項目。

由此可知，目前虛擬仿真技術(shù)與高校實驗教學(xué)相結(jié)合已經(jīng)開展了多年，隨著信息化和教育的不斷融合，在未來的若干年里，虛擬仿真教學(xué)及其他高科技手段與實驗和實踐教學(xué)的結(jié)合仍然是一個發(fā)展熱點。

2017年12月，在上海召開的全國高等學(xué)校虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用研討會暨虛擬仿真技術(shù)與成果展示會中，聯(lián)席會20個學(xué)科管理組中的27位高校虛擬仿真建設(shè)實驗室代表分別作了精彩的匯報，會議的主旨就是進一步推動高校將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實際的實驗教學(xué)中。利用國家級實驗教學(xué)示范中心的優(yōu)質(zhì)資源和經(jīng)驗，推廣高質(zhì)量的數(shù)字化實驗教學(xué)資源，帶動和指導(dǎo)一批大學(xué)逐步開展虛擬仿真技術(shù)的研發(fā)和實驗、實踐教學(xué)模式的探索，將信息化與教育相結(jié)合，建成一批擁有高水平虛擬仿真實驗教學(xué)資源、重在培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新精神的教學(xué)基地。

2 虛擬仿真教學(xué)實驗項目實現(xiàn)的原理及組成

首先，需要明確的是：一個虛擬仿真教學(xué)實驗中心平臺是由多個虛擬仿真實驗?zāi)K組成的，而每個模塊又對應(yīng)多個虛擬仿真實驗項目。

其次，虛擬仿真實驗教學(xué)項目的實現(xiàn)是利用信息化的重要技術(shù)(如虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等)構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，達到三維可視化、3D情景式體驗教學(xué)，有的還將現(xiàn)實場景與虛擬場景相結(jié)合，在攝像頭拍攝的畫面基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬畫面進行展示和互動，使構(gòu)建的虛擬仿真項目更加逼真，貼合現(xiàn)實，增強學(xué)生在虛擬操作時的現(xiàn)實感和浸入感。這些技術(shù)還設(shè)計了許多互動模式，可實現(xiàn)教師、學(xué)生之間的自主互動。教師還可以根據(jù)教學(xué)需要設(shè)定展示形式及內(nèi)容，在虛擬環(huán)境中讓學(xué)生獲取新知識，達到深化概念、激發(fā)創(chuàng)新創(chuàng)造力的目的。

高?？煽紤]建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)管理和共享平臺，基本組成如圖1所示。這個平臺需要建立平臺軟硬件基礎(chǔ)支撐、后臺管理系統(tǒng)和前臺操作系統(tǒng)3大塊內(nèi)容。平臺硬件要求有內(nèi)存足夠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器及互聯(lián)網(wǎng)高帶寬接入，并要有系統(tǒng)安全軟件，然后再用以下各種技術(shù)自行組合搭建技術(shù)支撐平臺：多通道環(huán)幕、摳像合成教學(xué)系統(tǒng)、裸眼3D顯示器、頭盔、數(shù)據(jù)手套、動作捕捉系統(tǒng)、透明液晶顯示器等。平臺軟件則包括VR/AR/MR實驗、手機APP、虛實結(jié)合技能培訓(xùn)、VR/AR/MR系統(tǒng)等。后臺管理系統(tǒng)則可設(shè)計不同的管理功能，例如：學(xué)校管理、班級管理、教師管理、學(xué)生管理等功能、實驗項目管理、實驗內(nèi)容管理、題庫管理、考試信息管理、學(xué)生成績統(tǒng)計查詢、公告信息發(fā)布管理、在線答疑功能管理、數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)日志等。前臺操作系統(tǒng)則主要實現(xiàn)用戶的操作和體驗功能，可設(shè)計用戶登錄模塊、虛擬實驗性質(zhì)與目的、操作指南、虛擬實驗儀器和過程動態(tài)模擬介紹、用戶操作及體驗?zāi)K等。

創(chuàng)建一個虛擬仿真實驗或?qū)嵺`教學(xué)平臺，服務(wù)器與交換機互聯(lián)，而交換機又與教師機、學(xué)生機、虛擬仿真系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)打印機等設(shè)備相連接，搭建校園網(wǎng)內(nèi)的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺、信息媒體平臺和管理平臺，服務(wù)于專業(yè)課程教學(xué)。

圖1 虛擬仿真實驗或?qū)嵺`教學(xué)管理共享平臺組成示意圖

3 虛擬仿真實驗項目的建設(shè)注意事項

在建設(shè)虛擬仿真實驗項目時，需要注意以下幾點。

(1)不能盲目建設(shè)，泛化建設(shè)，尤其要注意，遵從“虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛”的指導(dǎo)方針進行建設(shè)。方針要求合理搭配教學(xué)資源，從實驗?zāi)K總體涵蓋內(nèi)容考慮，將一部分可在實驗室執(zhí)行、易于實際操作的實驗項目讓學(xué)生真正進入實驗室進行實際演練；而一些實驗或?qū)嵱?xùn)無法達到條件的項目，如高危、極端的環(huán)境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等，可考慮采用虛擬仿真的手段進行虛擬操作演練。如此一來，虛擬的和真實的實驗/實踐項目相互補充，能實際操作的項目就不再考慮用虛擬仿真來進行模擬教學(xué)。

(2)教育部高教司設(shè)立聯(lián)席會工作委員會，將全國的相關(guān)虛擬仿真示范中心分5個區(qū)域管理組和20個學(xué)科組進行管理。目前已經(jīng)立項開展虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)的高校在建設(shè)過程中已經(jīng)做過的內(nèi)容或已經(jīng)做得比較好的模塊和實驗項目，其他高校如果再去做，就會造成重復(fù)建設(shè)和資源浪費。因此，在實驗?zāi)K建設(shè)的和實驗項目建設(shè)的選擇上，應(yīng)當(dāng)慎重，在了解現(xiàn)階段本學(xué)科相關(guān)的各建設(shè)單位的建設(shè)內(nèi)容和建設(shè)進程后，再著手設(shè)計和組織與現(xiàn)有內(nèi)容不重復(fù)、不沖突的、合適的虛擬仿真實驗教學(xué)項目，這樣有的放矢，并且有自己單位的建設(shè)特色，易于通過教育部審核。

(3)虛擬仿真教學(xué)是在線技能訓(xùn)練以數(shù)字化形式開展的過程，要想建設(shè)好虛擬仿真實驗教學(xué)資源，首先要有經(jīng)驗豐富的專業(yè)課教師提供各種素材，另外還要借助專業(yè)的虛擬仿真平臺構(gòu)建和設(shè)計公司的技術(shù)力量，二者缺一不可。由專業(yè)課教師提供實驗介紹、設(shè)備說明、實驗指導(dǎo)書、操作視頻等資料，由專業(yè)軟件人員利用計算機完成實驗過程構(gòu)想，實現(xiàn)虛擬實驗，并運用智能設(shè)計輔助對實驗效果進行分析和評價。另外，VR教學(xué)產(chǎn)品的產(chǎn)生應(yīng)當(dāng)堅持以問題為導(dǎo)向，從教師教學(xué)的難點出發(fā)，即重點解決無法在實驗室和課堂里真實呈現(xiàn)的、真實實驗項目條件不具備或?qū)嶋H運行困難的，涉及高?；驑O端環(huán)境、高成本、高消耗、不可逆操作，大型綜合訓(xùn)練、學(xué)生不易理解的方面出發(fā)，由教師主導(dǎo)設(shè)計，VR工程師負責(zé)通過虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)。堅持能實不虛，研發(fā)原理準確、內(nèi)容緊湊、時長合理、難度適宜的虛擬仿真實驗教學(xué)項目，至少滿足2個課時的實驗教學(xué)需求，實驗操作步驟不少于10步。強調(diào)設(shè)計互動式、研討式教學(xué)項目，倡導(dǎo)自主式、合作式、探究式學(xué)習(xí)；建立高校間實驗教學(xué)項目成績互認、學(xué)分轉(zhuǎn)換機制。

(4)構(gòu)建虛擬仿真實驗室的軟、硬件要求。一是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境要求部署高帶寬的無線網(wǎng)絡(luò)，配備大容量存儲設(shè)備。二是硬件設(shè)備上，要將實驗室的服務(wù)器虛擬化，部署到大規(guī)模計算機集群方面，實現(xiàn)云服務(wù)器集群，還要配備平板電腦等終端設(shè)備。三是軟件研發(fā)方面，應(yīng)當(dāng)重點研發(fā)具有三維顯示效果的移動終端軟件和具有智能分析能力的服務(wù)器軟件。四是教學(xué)實施方面，鼓勵學(xué)生組團進行實驗，建設(shè)以視頻庫為基礎(chǔ)的教學(xué)素材庫。五是經(jīng)過對虛擬仿真教學(xué)項目申報文件的研讀，專家提出，虛擬仿真教學(xué)實驗項目申報的提交應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)3個拓展，首先，項目應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)可互動性，即學(xué)生之間可以互動、教師與學(xué)生可以互動、團隊小組間可以互動。其次，項目應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)學(xué)生可自主式和探究式開展實驗，例如：實驗過程應(yīng)當(dāng)不是唯一的，但實驗結(jié)果應(yīng)當(dāng)有一致性。另外，實驗項目應(yīng)當(dāng)對綜合型實驗、設(shè)計型實驗、研究型實驗都有體現(xiàn)，且實驗考核注重過程，不同學(xué)生做出的結(jié)果應(yīng)當(dāng)有可比性，注重分析。最后，進行虛擬仿真實驗項目的申報時還應(yīng)當(dāng)考慮評審專家易登錄、非專業(yè)人員易完成、易弄懂等特點。虛擬仿真教學(xué)項目申報還應(yīng)當(dāng)考慮3個不顯著增加，即引入虛擬仿真教學(xué)后，課程學(xué)時、實驗總學(xué)時和教師的工作量都不顯著增加。

4 結(jié)語

將虛擬仿真技術(shù)與實踐教學(xué)相結(jié)合，從教學(xué)中的重點和難點出發(fā)進行虛擬仿真教學(xué)項目的開發(fā)和設(shè)計，既可較好地拓展實踐教學(xué)的內(nèi)容，也可以讓學(xué)生突破現(xiàn)實教學(xué)中時空的限制，做到成本低、無污染的科學(xué)知識的傳遞，能達到提高實踐教學(xué)、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和解決問題能力的良好效果。