国家级虚拟仿真实验教学项目建设与思考
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作者:吕新颖 余文胜
摘要：虚拟仿真实验教学是通过多媒体技术、人机交互技术、计算机编程技术、网络信息技术等多个门类交叉协同实现的结果，是高等教育信息化建设的重要内容。虚拟仿真实验教学可以针对高额成本、高危险和不可逆操作、极端环境、大型综合训练等真实实验无法完成的情况进行虚拟仿真化处理，文章从虚拟仿真实验教学项目的建设目的意义、主要建设的学科门类、网络建设、开放共享等方面进行了总结和思考。
关键词：虚拟仿真;实验教学;项目建设
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2020）10-0389-02
教育部为在信息时代、网络时代的背景下推进信息技术与实验教学的高度融合，促进教学资源共享，提供开放式服务，拓宽实验教学内容广度，突出学生实践能力的训练和培养，提升实验教学质量和水平，在“十三五”期间大力建设国家虚拟仿真实验教学项目，积极开展“智能+教育”创新研究和示范。自2017年以来，国家虚拟仿真实验教学项目共享平台上各类项目已达2000余项，同时，由高等院校、相关企事业单位和专家组织自愿组成的虚拟仿真实验教学创新联盟，在教育部高教司指导下开展虚拟仿真实验教学研究、咨询、指导、评估和服务的非营利社会团体，推动形成专业布局合理、教学效果优良、开放共享有效的高等教育信息化实验教学项目新体系;促进实现学校教学、行业应用与技术创新的融合发展[1]。
一、项目建设的宗旨
《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》指出：“信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视。”并把“加快教育信息化进程”单独作为一部分进行了专门的阐述[2]。2012年3月13日，教育部印发了《教育信息化十年发展规划（2011—2020）》[3]，目的是推动信息技术与高等教育深度融合，创新人才培养模式，提出要利用先进网络和信息技术，整合资源，构建先进、高效、实用的高等教育信息基础设施，开发整合各类优质教育教学资源，建立高等教育资源共建共享机制，推进高等教育精品课程、图书文献共享、教学实验平台等信息化建设。
项目建设的宗旨是以能实不虚、虚为实用、虚实结合为原则，重点解决真实实验项目条件不具备或实际运行困难，涉及高危或极端环境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型综合训练等问题。
二、项目建设的主要内容
开展虚拟仿真实验教学项目建设有助于推进高校实验实践教学信息化，拓展实验教学内容的广度和深度，延伸实验教学的时间和空间，提高实验教学的质量和实验育人的水平[4]。建设的虚拟仿真实验教学项目内容，需结合高等院校实验实践教学人才培养标准、不同学科和專业专长、相关领域的最新科研成果以及人才培养目标等方面。项目的研发以完成教学要求和内容为目标，原理准确、内容紧凑、时长合理、难度适宜，有详细的实验操作说明，实验应该分为基础类实验、综合类实验、创新类实验等，针对不同年级的学生有不同层次供选择，师生通过一系列的实验训练即可对相关知识领域能够达到理解、掌握、融会贯通等不同程度的实验效果。可以将虚拟仿真实验与实体物理实验有机结合，由浅到深地引向深度学习。在实验中将虚拟实验教学置于课程教学之前，了解熟悉实验流程及实验操作，利用教师预先设计的思考题，引导学生在虚拟实验中发现问题、思考问题，而后带着问题进入课堂，在课堂上采用讨论、演讲等形式，结合教师讲授开展学习，然后开展相应的实际操作实验，获得实践操作能力和对实验现象的直观认识。以虚拟实验辅助实体实验，做到虚实结合、虚为实用。
目前国家级虚拟仿真实验教学项目按照学科类别逐年推出，已达到40余个门类，涉及农、林、医、工、文、法、管理等诸多学科。项目建设首先要围绕一门课程，针对其中的某一部分实验内容加以提炼，明确实验目的，阐明实验原理，设计实验步骤，规定实验结果评价体系等，结合互联网和3D技术制作完成。在制作过程中，要遵循《教育资源建设规范》《现代远程教育资源建设技术规范（试行）》等相关建设标准和技术规范[5]，虚拟现实技术的亮点之一是沉浸式互动体验，因此人机交互界面的制作要富有表现力和感染力，通过典型软件的应用功能二次开发等实现项目的最终呈现效果。
三、关于网站建设与共享
21世纪是信息时代，也是网络时代，在这样的背景下，现在的90后大学生都是电子产品的酷爱者，各种信息的获取都是从手机或者电脑上得来。传统的教育方式已经不能满足他们的求知欲。这种现象已经颠覆性地变革了以往的“教”与“学”方式，使全球各地不同人群能够共享优质教育资源，终身学习成为可能[6]。随着计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等技术的快速发展，虚拟仿真技术日趋完善，已经成为国内外实验教学的重要手段和方法，有力推动了计算机技术和网络技术的快速发展。时代要求我们必须拓展思维，系统地思考虚拟仿真实验教学的建设和改革。
对于资源的开放共享，应该严格遵守《著作权法》《互联网著作权行政保护办法》《计算机软件保护条例》《信息网络传播权保护条例》等相关法律规定，这既是遵纪守法的基本要求，也体现了对资源开发者心血、创意的认可与尊重。因此，在资源开放共享工作中，应切实保护资源开发者的合法权益，明确资源开发者、资源提供者、资源使用者的权责划分，促使其形成协调、有序发展的良好局面[7]。建设项目的初衷便是通过互联网技术，为全国高校师生开放和共享实验内容，实验空间网站上关于项目的分类如机械类、能源动力类、力学类等，有的项目内容涉及多个类别的知识点，可以在不同类里面罗列出来，方便使用者查找。另外，每个项目可以像论文一样设置多个关键词，这样也方便使用者能够快速找到相关实验项目。
四、关于项目建设的一点思考
1.每一个实验教学项目都针对一门课程中的一部分内容，用以虚代实的方式展现给学生，那么在建设过程中，是否考虑到学科交叉？是否分别针对专业课程的基础性和综合性有严格的层次划分以适用于不同学生？是否考虑到不同学校学生的层次不同，难以达到同样的效果？是否可以将每一个项目按照不同学科、不同难易程度、不同使用对象做一个简单划分，这样便于使用者更加有针对性地得到训练？ 2.VR技术的优势是沉浸式体验，现有的头显设备和穿戴设备均能让体验者有身临其境的感觉;相比之下，WEB端则无法给予使用者同样的感受，同时网络维护费用和升级更新费用支出逐渐递增，能否达到预期实验效果和使用效率等都需要进行系统的评估。VR技术的发展和不同学科之间的融合需要持续性研究和改进，在加强实验室教学建设的同时，要对VR技术深入了解，掌握核心要素，不能受制于研发企业，同时，不同学校针对不同学科要进行差异化建设，理论知识与应用背景相结合，不能单纯完成虚拟仿真实验教学而脱离理论和实际实验教学。
3.当虚拟仿真项目越建越多，门类越分越细，势必会面临着资源整合、开放共享等问题，是否可以从顶层部署下来，结合不同学校的专长，避免重复建设或某一方向被遗漏等现象。同时，实验室队伍建设也显得尤为重要，实验教师不再是早期的钻研实验设备，上好实验课程，还要对实验方法和教学形式进行研究，不断改革创新，采用线上虚拟仿真和线下实验教学相结合、基础实验和创新实验相结合、单一学科实验和交叉学科实验相结合等形式，培养复合型人才。
五、结语
目前我国已建设成國家级虚拟仿真实验教学项目近1000项，但是很多建设者包括参与者对其概念、运行模式、实验方法和管理机制还有很多不确定的方面，对后续的建设思路和发展方向仍然持观望状态，虚拟仿真实验教学平台的建设和管理还在路上。
参考文献：
[1]国家虚拟仿真实验教学项目共享平台[EB/OL].
http：//nvse.ilab-x.com/introduction/intro
[2]国家中长期教育改革和发展规划纲要工作小组办公室.国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）[R].2010-07.
[3]中华人民共和国教育部.教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见[R].2012-03.
[4]刘金库，黄婕，裴小琴，张先梅，耿胥，薛亚楠.“一求实六融合”理念——高校虚拟仿真实验教学项目建设的新视角[J].化工高等教育，2019，36（05）：76-80.
[5]高维珉，苏爱东，丛庆.信息素养培养与高职院校网络信息资源建设研究[J].山东社会科学，2012（增刊2）：334-335.
[6]王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索，2013，（12）：13-16.
[7]饶爱民.论知识产权保护与信息资源共享[J].现代情报，2006，26（5）：222-223.
Virtual Simulation Experimental Teaching for Aeronautics and Astronauts
LV Xin-ying，YU Wen-sheng
（School of Aeronautics and Astronautics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）
Abstract：Virtual simulation technology is very important during experimental teaching.This paper introduces the concept，the significance and the development status of virtual simulation technology;at the same time，it also explains how to construct the virtual simulation experimental teaching for aeronautics and astronauts.
Key words：virtual simulation;experimental teaching;aeronautics and astronauts
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