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；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，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；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；第二層是設計綜合型實驗，即設計若干實驗步驟，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)。“對實驗設計者來說，需要將科研成果轉(zhuǎn)化、應用于實驗教學，設計綜合性、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。”景云說。

　　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。“在虛擬仿真實驗中，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模式主要有3種：由學校教師自主設計和開發(fā)；由學校教師提出建設需求，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。”張黎黎強調(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備儀器與實際設備儀器功能和操作方法大致相同，用戶可以通過網(wǎng)絡，不受時間、空間的限制進行實驗；其次，還應具備規(guī)模化特點，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。”景云表示。

　　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，涉及高危或極端環(huán)境，高成本，高消耗，不可逆操作等難題。“我們應該‘能實不虛’‘虛實結(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。

　　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。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)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。”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(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。“教師也要主動把新技術(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。