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高校虚拟仿真实验室建设推动教学变革的研究

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钱明珠汪小宝

摘要：社会在发展，技术在革新，促使教育教学改革的步伐从未停止，其中课堂教学的改革、教学方式的变革最为突出。尤其到了信息化时代，各种高新技术的突破，更为教学改革如虎添翼，使以前教学难以突破的教学难点通过技术手段加以解决。本文以虚拟仿真实验教学中心的建设来探讨教学改革新策略、管理机制等，以及对虚拟仿真教学平台建设若干建议和对未来发展的展望。

关键词：虚拟仿真实验室;互联网+教育;智慧+教育;沉浸式教学;成果导向教育模式

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）32-0162-03

随着互联网、物联网、大数据、云计算等技术的日益成熟，催生出许多新型应用，如智能教育、智慧城市、智慧社区等，尤其是智慧教育。《高等学校人工智能创新行动计划》中强调要把智能教育工作融入教育现代化建设这个大局之中，以支撑服务总体实现教育现代化为目标谋划智能教育更快发展。《中国教育现代化2035》文件也指出要加快信息化教育变革。教育继“互联网+教育”变革之后，又迎来新一轮“智慧+教育”的变革。新型教育变革首先要建立智能化校园，统筹建设一体化智能化教室、管理与服务平台。利用现代技术加快推动人才培养模式改革，实现规模化教育与个性化培养的有机结合。为了更好实现“数字教育资源共建共享”和社会构建与情境再造的教学效果，同时虚拟实现以及其他支撑技术不断成熟，高校虚拟仿真实验教学成为现代智能教育改革中的一个热门改革方向。

1高校虚拟仿真实验室建设的前景

虚拟仿真实验室，依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库、三维建模和网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，实现虚实结合，促使学生变被动到主动学习，达到教学大纲所要求的教学效果。虚拟仿真教学就是借助虚拟仿真实验室为载体，将学科专业与信息技术深度融合，实现真实实验不具备或难以完成的教学过程。

随着虚拟实现技术的不断完善，建设虚拟仿真实验室的热潮不断在升级，北京大学构建了沉浸式虚拟交互式实验室。清华大学构建了形成制造模拟仿真三维虚拟现实实验室，上海交大也建设了虚拟现实创新教育实验中心。各高校都在相继投入经费建设相关专业的虚拟仿真中心，助力现代智能实验发展。

目前，计算机类虚拟实验建设比较经典有西安交通大学的Proteus硬件仿真实验，清华大学的网络安防实验教学，哈尔滨工业大学的无人机群组协同作业空管平台等。这些教学平台按照虚拟实验教学中心建设任务建设翻，投入使用后虚拟实验室成为教师、学生获得知识技能，实验数据的重要场所。在技术飞速发展的今天，虚拟仿真实验室的建设将会进一步推动高校教育教学的改革、科研人员主动创新、学生自主实验的快速变化。

虚拟实验室环境下的教学效果十分明显。学生在实验过程中能够打破环境、实物的壁垒，模拟真实场景进行实验，兴趣感强、效率高，能极大促进实验教学水平提高，达到教与学的双赢。

2高校虚拟仿真实验推动教学策略改革

传统虚拟实验室采用纯软件仿真进行系统模拟，存在观察不直观、实践效果不佳等不足。现代虚拟仿真实验室结合更多现代高科技实现虚实结合，互为补充，为沉浸式教学和沉浸式学习提供可能。沉浸式教学主要是借助于虚拟现实，消除了时间与空间造成的认知阻断，学生可以回到需要的环境中，更好地认知和学习。沉浸式学习就是指通过虚拟现实技术为学习者提供一个仿真的学习环境，借助虚拟学习环境，学习者通过高度参与互动、演練而提升技能。随着虚拟仿真实验室的陆续建成，沉浸式教学和沉浸式学习逐步成为现代教育教学新方法。

2.1协调主体和主导之间的关系，重点突出科学管理加强环境建设

以学生为主体，以社会市场需求为导向，重点培养学生工程从业能力，着力培养学生创新应用意识。以教师和环境为主导，以沉浸式教学方法为前提，重点培养教师的管理能力，加强环境建设，为学生的沉浸式学习提供坚实保障。加强教师主导对学生主体的引导作用，学生促进教师完善教学管理和设计，激励教师不断探索理论知识和实验教学的最佳结合方式，创新实验教学体系。

2.2加大实践教学体系设计力度，更好实现沉浸式教学模式

实践是理论的延续和拓展，实践教学内容的安排既要兼顾理论知识的深度，又要兼顾学生的综合能力，更要适合沉浸式教学的需要，因此，急需加强实践教学体系设计。在遵守基本实验体系的基础上，增加虚拟仿真实验内容。以“理论教学与实验教学相辅助，实验教学与科研创新有机转化，实验教学与市场需求相融合，实体实验与沉浸式体验相结合”为设计目标，设计虚拟仿真实践教学体系，探寻多层次研究型、开放式实验教学模式（如图1）。借助虚拟仿真实验平台，打破传统实验讲授演示格局，引导学生向自主思考、探索方向转变;打破传统的简单模拟操作向设计创新设计操作方向转变;打破传统简单理论验证向运用理论方向转变。凸显沉浸式教学的优势，增加综合型和创新型实验的比重。学生按照分组互相合作完成沉浸式研究和学习，获得直观、真实的感觉和体会。接下来进行创新型设计和操作，通过虚实结合，促进实验实践对理论知识深入理解，进一步提高学生综合应用能力。

2.3不断完善虚拟仿真实验资源的建设，加强成果导向教育模式的推进

虚拟仿真实验资源建设应遵循由基础理论知识运用到专业应用能力培养，进而实现综合创新能力锻炼的“进阶式”发展思路，围绕专业课程及课程群之间的联系逐步构建。确保虚拟仿真实验资源建设遵守“能实不虚，虚为实补”的基本准则，重点加强基础型虚拟仿真实验资源建设、专业型虚拟仿真实验资源建设和综合型虚拟仿真资源建设。突出在复杂性高、专业性强、危险性大的实体实验项目中加强建设。同时注重科研成果转换推动虚拟实验资源的建设，并促进成果导向教育模式在虚拟仿真平台上的应用。

3高校虚拟仿真实验教学推动保障机制的完善

以虚拟仿真实验教学资源的开放共享和充分使用为目标，系统制定并有效实施保障虚拟仿真实验教学的教师工作绩效考核、实验教学中心维护与可持续发展等政策措施，建立有利于激励学生学习和提高学生创新能力的教学效果考核、评价和反馈机制。

3.1逐步完善工作绩效考核机制

虚拟仿真实验教学要求高，难度大，资源建设工作量大，周期长。制定切实可行的绩效考评体系和奖励政策，促进不同专业教师之间相互交流沟通，共同完成虚拟仿真实验项目的建设和完善工作研。对参与工作的教师按其工作情况进行绩效考核，并进行相应的科研奖励。遵守多劳多得、多出成果多得，激励教师创新工作。

3.2逐步完善可持续发展的政策措施

按照教育部文件精神，虚拟仿真实验中心充分体现“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，不能盲目追逐信息化教學和虚拟化建设，而摒弃传统成功的教学（实验）项目。建立健全虚拟仿真建设项目的审核机制，着力发展现实实验不具备或难以完成教学过程课程实现虚拟教学。通过政策扶持，加大虚拟仿真实验中心的开放力度，推动优质资源充分利用。虚拟仿真实验平台的建设和使用是一个长期的过程，为此，需要健全专业教学和管理队伍。虚拟仿真实验室的负责人应当兼备教学水平与实验水平，构建合理的人才队伍，制定切实可行的奖励和鼓励机制，才能保障虚拟仿真实验中心长期稳定发展。

3.3逐步完善学生的考评机制

培养社会认可的学生就需要用社会或企业认可的标准进行考核评价。高校要与企业合作，联合制定学生考评指标，并分配到教学的各个环节。实验环节更能体现学生实践能力，应加大实验环节的考核比重，主要根据学生基础实验完成情况和实验报告撰写情况以及综合项目完成情况进行评判。实验完成情况的评价主要包括：完成度、正确性、花费时间、方法的创新性;实验报告撰写情况的评价包括：规范性和完整性。综合项目完成情况考核包括：项目报告和项目汇报。逐步建立、完善学生实践档案制㈣，根据学生实践档案可以辅助竞赛选拔，人才推荐等相关工作，大大加强学生管理工作。

4高校虚拟仿真实验教学建议

对于虚拟仿真实验教学中心建设，教育部已经出台多项政策进行指导和规划。并制定严格的标准“基础性、先进性、共享性、持续性、竞争性”。在遵守教育标准同时加强虚拟仿真实验教学应注意以下几点：1.坚持以本校自身特点为基础，深入踏实、稳步建设。首先要建设好自身优势专业，进而建设优势专业的虚拟仿真教学平台，构建优势虚拟教学资源，进一步提高实验教学水平的提升。2.推动教学资源开放共享，虚拟仿真实验教学平台建设投入大，可以联合多校或多专业共同建设、共享使用。3.加强虚拟仿真实验教学资源库建设。在虚拟实验教学中心指标体系中对实验教学资源的权重有明确规定不低于60%。而沉浸式教学与传统教学存在一定差异，原有的实验教学资源存在“兼容性”不足。构建虚拟仿真实验教学资源库是建设的核心工作，必须持续发展和建设。4.加强虚拟仿真实验教学师资队伍建设。建设教学、科研、技术人员结合，核心骨干人员相对稳定，结构合理的虚拟仿真实验教学团队，形成一支教育理念先进，学术水平高，教学科研能力强，实践经验丰富，勇于创新的虚拟仿真实验教学和管理队伍，为今后引导学生开拓创新提供坚实基础。

5结束语

从教育部提出“教育信息化”理念以来，全国各地的高校纷纷响应，虚拟仿真实验中心陆续建设。教学方面也取得一定成果，尤其是在真实实验不具备或难以完成教学实训中发挥巨大作用。随着虚拟仿真实验教学平台的逐渐普及，沉浸式教学将成为一种普遍的教学手段，必将引起现代教育教学的一场大变革。

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