虛擬仿真實(shí)驗(yàn)：為現(xiàn)實(shí)教學(xué)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(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)；2018年上線了“實(shí)驗(yàn)空間”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，為全國高校提供了虛擬仿真課程開放共享服務(wù)；2020年,教育部認(rèn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)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(jìn)入“超凈間”，進(jìn)行超冷原子振蕩躍遷實(shí)驗(yàn)；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(shí)驗(yàn)空間”國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺，上面有3000余門實(shí)驗(yàn)課程，涵蓋了農(nóng)業(yè)工程、物理學(xué)、電氣類等61個專業(yè)類別。

　　在前不久舉行的國務(wù)院聯(lián)防聯(lián)控機(jī)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(jì)劃于6月增設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)板塊，希望各地各高校積極用好虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課資源，滿足在線教學(xué)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐的需要。

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

　　拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)；2018年上線了“實(shí)驗(yàn)空間”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，為全國高校提供了虛擬仿真課程開放共享服務(wù)；2020年,教育部認(rèn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程728門。

　　北京交通大學(xué)本科生院副院長景云告訴科技日報記者，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)解決的是實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目“不能做”“不敢做”“不好做”的問題。

　　有些實(shí)驗(yàn)對象太過宏觀或微觀，學(xué)生難以理解，實(shí)驗(yàn)室也不能提供合適的實(shí)驗(yàn)條件；有些實(shí)驗(yàn)過程太危險，學(xué)校不敢讓學(xué)生進(jìn)行這樣的實(shí)驗(yàn)；有些實(shí)驗(yàn)儀器與材料價格昂貴，實(shí)驗(yàn)室不好搭建這樣的實(shí)驗(yàn)場景。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，則可以擺脫物理現(xiàn)實(shí)的限制，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度和深度。

　　景云表示，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)按照項(xiàng)目難度可以分為3個層次：一是驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，也就是純粹驗(yàn)證老師課堂上講述的理論知識；第二層是設(shè)計(jì)綜合型實(shí)驗(yàn)，即設(shè)計(jì)若干實(shí)驗(yàn)步驟，由實(shí)驗(yàn)者動手進(jìn)行操作，得出不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以此理解各步驟在整體實(shí)驗(yàn)中的意義；第三層是創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)者提供若干實(shí)驗(yàn)?zāi)K，由學(xué)生自由組合，在實(shí)驗(yàn)中獲得新的發(fā)現(xiàn)?！皩?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者來說，需要將科研成果轉(zhuǎn)化、應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，設(shè)計(jì)綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)課程，滿足學(xué)生對科技創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)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(shí)數(shù)據(jù)資料，與工程實(shí)踐緊密結(jié)合，解決學(xué)生在校內(nèi)無法開展實(shí)習(xí)實(shí)踐的問題。”景云說。

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

　　“虛實(shí)結(jié)合”為教學(xué)服務(wù)

　　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(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)模式主要有3種：由學(xué)校教師自主設(shè)計(jì)和開發(fā)；由學(xué)校教師提出建設(shè)需求，編寫實(shí)驗(yàn)內(nèi)容腳本，由企業(yè)提供技術(shù)支持；學(xué)校直接購買企業(yè)開發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品。

　　例如，慧科集團(tuán)就與多所高校合作開發(fā)過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。慧科集團(tuán)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(shí)腳本、進(jìn)行開發(fā)，并跟蹤師生使用后的反饋。

　　“一個好的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，絕對不是看起來多么酷炫，而是要實(shí)現(xiàn)教師的教學(xué)目標(biāo)。”張黎黎強(qiáng)調(diào)，所有技術(shù)都只是手段，最終的目的是要提升教學(xué)效果。

　　景云認(rèn)為，一個好的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，應(yīng)該具備四大特點(diǎn)：首先，是應(yīng)具備網(wǎng)絡(luò)化特點(diǎn)，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支持下，虛擬實(shí)驗(yàn)室里的虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器與實(shí)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)；其次，還應(yīng)具備規(guī)?；攸c(diǎn)，受眾面越廣、通用性越強(qiáng)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)就越容易發(fā)揮優(yōu)勢，解決主干課程的主干實(shí)驗(yàn)問題；再次，還應(yīng)具備交互性特點(diǎn)，學(xué)生能獲得較好的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，并進(jìn)行自學(xué)習(xí)；最后，應(yīng)具備易用性特點(diǎn)，學(xué)生按照提示就能順利完成實(shí)驗(yàn)。

　　“值得注意的是，我們不要為了虛擬仿真而虛擬仿真?！本霸票硎尽?/p>

　　教育部文件中有明確規(guī)定，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)解決真實(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目條件不具備或?qū)嶋H運(yùn)行困難，涉及高危或極端環(huán)境，高成本，高消耗，不可逆操作等難題?！拔覀儜?yīng)該‘能實(shí)不虛’‘虛實(shí)結(jié)合’。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)技術(shù)的選擇要以服務(wù)教學(xué)和培養(yǎng)學(xué)生為基本原則，切勿將完全可以線下開展的實(shí)驗(yàn)也進(jìn)行虛擬仿真技術(shù)的‘包裝’?！本霸普f。

　　虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)還有更多可能性

　　其實(shí)，建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通常來說投資不小，項(xiàng)目建成后，還要進(jìn)行維護(hù)升級。教師是設(shè)計(jì)者、應(yīng)用者和管理者，開發(fā)和維護(hù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的工作量很大。景云坦言，這就需要有機(jī)制來激勵、保障教師和學(xué)校對實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的持續(xù)投入，否則一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目很可能在幾年后就因?yàn)橹С植蛔愣闪藬[設(shè)。

　　在資源共享上，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)壳耙泊嬖谥恍├щy。一方面，實(shí)驗(yàn)共享的激勵機(jī)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(xué)校項(xiàng)目的意愿和動力也不足，這也容易導(dǎo)致虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目重復(fù)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(shí)驗(yàn)，共同開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，各學(xué)校按照自身優(yōu)勢牽頭不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，完善實(shí)驗(yàn)資源共享機(jī)制。

　　如今，不少學(xué)校已經(jīng)開始將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目融入學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系之中，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)正朝著規(guī)模化、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(shí)驗(yàn)為2個課時的課程。未來虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可能會更加體系化，它不再是獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而會被嵌入整體課程當(dāng)中，和課程中的多個實(shí)驗(yàn)、多個知識點(diǎn)互相關(guān)聯(lián)。

　　她表示，現(xiàn)在的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，大多還是以鼠標(biāo)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(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)中能獲取的感知維度也會越來越豐富。在實(shí)驗(yàn)形式上，目前的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)都有特定的步驟，學(xué)生被引導(dǎo)著一步步做實(shí)驗(yàn)，結(jié)果無非是實(shí)驗(yàn)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(xué)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(shí)驗(yàn)，甚至進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造，實(shí)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(dāng)下應(yīng)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。”張黎黎說。