虛擬仿真實驗：為(wei) 現實教學所不能為(wei) 、不敢為(wei) 、不好為(wei)

　　教育部從(cong) 2013年開始推動全國高校探索虛擬仿真實驗教學資源建設；2018年上線了“實驗空間”虛擬仿真實驗教學平台，為(wei) 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(wei) 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(lun)

　　這是一個(ge) 神奇的平台，在這裏，你可以進入“超淨間”，進行超冷原子振蕩躍遷實驗；可以登上“火星”，了解火星星表探測係統控製技術；可以建一個(ge) “養(yang) 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台，上麵有3000餘(yu) 門實驗課程，涵蓋了農(nong) 業(ye) 工程、物理學、電氣類等61個(ge) 專(zhuan) 業(ye) 類別。

　　在前不久舉(ju) 行的國務院聯防聯控機製新聞發布會(hui) 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台計劃於(yu) 6月增設虛擬仿真實驗板塊，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(nei) 容和實驗教學的重要組成部分。經過多年建設，它正在解決(jue) 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(cong) 2013年開始推動全國高校探索虛擬仿真實驗教學資源建設；2018年上線了“實驗空間”虛擬仿真實驗教學平台，為(wei) 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(wei) 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雲(yun) 告訴科技日報記者，虛擬仿真實驗解決(jue) 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(yi) 器與(yu) 材料價(jia) 格昂貴，實驗室不好搭建這樣的實驗場景。而虛擬仿真實驗，則可以擺脫物理現實的限製，拓展實驗教學的廣度和深度。

　　景雲(yun) 表示，虛擬仿真實驗按照項目難度可以分為(wei) 3個(ge) 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；第二層是設計綜合型實驗，即設計若幹實驗步驟，由實驗者動手進行操作，得出不同的實驗結果，以此理解各步驟在整體(ti) 實驗中的意義(yi) ；第三層是創新型實驗，設計者提供若幹實驗模塊，由學生自由組合，在實驗中獲得新的發現。“對實驗設計者來說，需要將科研成果轉化、應用於(yu) 實驗教學，設計綜合性、創新性實驗課程，滿足學生對科技創新實驗的需要；還要與(yu) 大型生產(chan) 企業(ye) 緊密合作，獲取生產(chan) 現場的真實數據資料，與(yu) 工程實踐緊密結合，解決(jue) 學生在校內(nei) 無法開展實習(xi) 實踐的問題。”景雲(yun) 說。

　　例如，北京交通大學交通運輸專(zhuan) 業(ye) 的學生有一門課程叫《鐵路行車組織》。學校設計的高速鐵路網行車組織全過程管控一體(ti) 化虛擬仿真實驗中，構建了京滬杭高鐵網“6線5所11站”的半實物沙盤。通過平台的虛擬仿真和實物模擬，實驗係統可以驗證運輸計劃、動車運用計劃等多要素理論模型與(yu) 算法研究結論，同時還能夠承擔多層次鐵路專(zhuan) 業(ye) 應用實驗內(nei) 容。“在虛擬仿真實驗中，學生能更直觀地看到調度工作的成果，還能體(ti) 驗各工種的協同配合，這將有助於(yu) 培養(yang) 他們(men) 的整體(ti) 思維。”景雲(yun) 介紹。

　　“虛實結合”為(wei) 教學服務

　　教育部教育裝備研究與(yu) 發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模式主要有3種：由學校教師自主設計和開發；由學校教師提出建設需求，編寫(xie) 實驗內(nei) 容腳本，由企業(ye) 提供技術支持；學校直接購買(mai) 企業(ye) 開發的虛擬仿真實驗產(chan) 品。

　　例如，慧科集團就與(yu) 多所高校合作開發過虛擬仿真實驗項目。慧科集團數字內(nei) 容事業(ye) 部總經理張黎黎向記者表示，企業(ye) 的角色，是幫助教師梳理思路、落實腳本、進行開發，並跟蹤師生使用後的反饋。

　　“一個(ge) 好的虛擬仿真實驗教學項目，絕對不是看起來多麽(me) 酷炫，而是要實現教師的教學目標。”張黎黎強調，所有技術都隻是手段，最終的目的是要提升教學效果。

　　景雲(yun) 認為(wei) ，一個(ge) 好的虛擬仿真實驗項目，應該具備四大特點：首先，是應具備網絡化特點，在虛擬現實技術的支持下，虛擬實驗室裏的虛擬實驗設備儀(yi) 器與(yu) 實際設備儀(yi) 器功能和操作方法大致相同，用戶可以通過網絡，不受時間、空間的限製進行實驗；其次，還應具備規模化特點，受眾(zhong) 麵越廣、通用性越強，虛擬仿真實驗就越容易發揮優(you) 勢，解決(jue) 主幹課程的主幹實驗問題；再次，還應具備交互性特點，學生能獲得較好的實驗體(ti) 驗，並進行自學習(xi) ；最後，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(men) 不要為(wei) 了虛擬仿真而虛擬仿真。”景雲(yun) 表示。

　　教育部文件中有明確規定，虛擬仿真實驗重點解決(jue) 真實實驗項目條件不具備或實際運行困難，涉及高危或極端環境，高成本，高消耗，不可逆操作等難題。“我們(men) 應該‘能實不虛’‘虛實結合’。虛擬仿真實驗開發技術的選擇要以服務教學和培養(yang) 學生為(wei) 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的‘包裝’。”景雲(yun) 說。

　　虛擬實驗教學還有更多可能性

　　其實，建設虛擬仿真實驗項目，通常來說投資不小，項目建成後，還要進行維護升級。教師是設計者、應用者和管理者，開發和維護實驗項目的工作量很大。景雲(yun) 坦言，這就需要有機製來激勵、保障教師和學校對實驗項目的持續投入，否則一些實驗項目很可能在幾年後就因為(wei) 支持不足而成了擺設。

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

　　如今，不少學校已經開始將虛擬仿真實驗教學項目融入學科實驗教學體(ti) 係之中，虛擬仿真實驗正朝著規模化、體(ti) 係化的方向發展。

　　張黎黎表示，目前大多數高校的虛擬仿真實驗為(wei) 2個(ge) 課時的課程。未來虛擬仿真實驗可能會(hui) 更加體(ti) 係化，它不再是獨立的實驗內(nei) 容，而會(hui) 被嵌入整體(ti) 課程當中，和課程中的多個(ge) 實驗、多個(ge) 知識點互相關(guan) 聯。

　　她表示，現在的虛擬仿真實驗教學項目，大多還是以鼠標作為(wei) 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(hui) 越來越豐(feng) 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，結果無非是實驗成功或者失敗。“未來，在元宇宙的世界裏，我們(men) 可以有更多選擇。”張黎黎展望道，學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，甚至進行發明創造，實現低成本的創新。

　　元宇宙與(yu) 教育的結合究竟會(hui) 帶來什麽(me) ，現在並無定論，但去擁抱新技術、探索新技術，是當下應該做的選擇。“教師也要主動把新技術用起來。新的技術對老師來說不是挑戰，而是工具。”張黎黎說。