基于虚拟仿真实验室的创新性实验教学改革探索

摘要：针对工科专业实验的一些特点，通过建立虚拟仿真实验室开展创新型实验教学。分析了虚拟仿真实验教学的优越性和局限性，指出了虚拟仿真实验室在实验教学中的作用。阐明了虚拟仿真实验教学与创新人才培养中的相互关系。

关键词：实验教学；虚拟；仿真；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）11-0273-02

引言：随着云计算、大数据、移动办公、虚拟现实、体感设备以及3D打印等信息技术的逐步发展，微软的新虚拟现实技术Holograms、索尼Project Morpheus游戏仿真平台、寓教于乐的碎片化知识教学资源等新技术也相继出现，平板电脑、智能手机、智能家居和智能穿戴设备（典型产品Google眼镜和Apple Watch）等新产品得到广泛应用。这些新媒体、新技术和新产品的出现使得信息的获得更加便捷，使得人们对传统教学理念和方式有了新的理解，更加强调学生需具有自我导向学习的能力[1-3]。

虚拟实验教学系统通过综合应用虚拟现实、大数据、网络技术以及计算机编程等技术，构建与真实实验场景等同的操作环境和测试对象，使得学生在高度自主性和交互性的虚拟环境中开展充满开放性、经济性和高效性的实验，进而可以达到实物实验无法实现的效果。尤其是在极端的环境下或毒性较高的有害环境下进行实验操作以及耗时耗力的大型或综合性的复杂实验场景，虚拟仿真实验优势更为明显。相比传统的实验教学，虚拟仿真实验技术在实验教学的方式、方法、效果、手段和模式等方面均有颠覆性的改变。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》[4]中提到，“信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视”，专门强调了“加快教育信息化进程”这一部分内容。虚拟仿真实验技术是高等教育信息化的重要实现载体之一，充分体现了实验教学过程的改革与创新。

虚拟仿真实验通过在计算机系统中进行实验，仿真真实的实验环境，做实验的人可以体验到实物实验的感觉，在计算机环境中完成预定的各种实验项目，虚拟仿真的实验效果等同于真实实验甚至超过真实实物实验的效果[5-6]。

一、虚拟仿真实验教学的特点

虚拟仿真实验平台具有良好的可扩充性。各个学科新的知识层出不穷，大部分课程内容需要跟上科技发展的步伐，而传统的实验教学需要在实物试验台上进行，碰到新的实验教学内容需要重新搭建试验台，更换实验设备，实验成本往往都比较高。

虚拟仿真实验平台可实现在线指导。实验是一个探索和追求新鲜知识的过程，在此过程中有时会碰到自己不会操作或者无法解决的问题，甚至是一个简单的误操作而导致整个实验无法进行下去的窘境。这需要借助于虚拟实验仿真平台的在线指导功能，可以在线寻求老师和同学的帮助，指导老师也可以通过线上直播课程讲解实验的流程和注意事项。

虚拟仿真实验平台是一个运行和维护成本均较低的平台。实验室建设投资是学校教学投资的重要组成部分，为了兼顾实验室的成本和学生的实验机会，虚拟仿真实验平台通过虚拟出实际实验过程相同的实验环境，使得实验效果和现实中设备实验效果一样，在这样的平台上实验时操作错误只会有适当的提示，而不会损坏设备造成增加实验成本。

当然，虚拟仿真实验教学也存在一些不足的地方，比如：虚拟仿真实验毕竟不是在实际的实物实验平台进行操作，所以会降低学生对实物的感性认识，对于实验过程涉及的元器件性能及⑹的了解也不如实物实验来得那么深入，在培养学生的实际动手能力和实验误差分析能力方面也是一个弱项。

二、虚拟仿真实验室在实验教学中的作用

打造良好的虚拟实验平台，有助提高实验教学水平。传统的教学过程中，理论课程教学与课程涉及实验的教学是分开进行的，上理论课的时候没有实验演示。借助虚拟实验平台，就可以一边进行课程的讲授一边进行实验。教师在上课的过程中，碰到可以通过实验验证的理论，借助虚拟仿真实验技术，通过实验辅助理论的教学，使得学生更容易理解所学的知识。

通过建立虚拟实验室，既是完成教学信息化的一个重要环节，又能使得实验教学有一个本质的提升，跟上国际化的发展步伐，使得学科的优势能得到充分发挥。虚拟仿真实验可以提供开放式实验环境，真真正正实现实验室向学生长时期开放。学生可以不用受到时间和空间的约束，随时随地进行实验，这样能较好地培养学生自主创新能力，对学生的学习兴趣能起到正面的激发作用。

面对复杂的实验系统，虚拟实验室方便搭建规模宏大的实验平台。有的课程的实验会比较复杂，搭建整个实验平台需要耗费较长的时间。而在传统给学生开设的实验课程中，由于学生人数一般比较多，给每个学生安排的实验时间都比较有限，在这有限的时间内要完成大型实验台的搭建是一件不可能完成的事情，这带来的后果是大型实验往往开展起来非常困难。如复杂电路的设计实验，一般学生进行这样的实验需要花费2～3天的时间。学校一般无法给予学生这么长的时间完成一个实验，迫使取消这样的实验或者改为简单的对结果进行验证的实验。针对这样一个问题，虚拟实验平台能给出完美的解决方案，为学生进行大型实验提供条件，只要学生实时保存搭建实验过程的实验流程，该实验流程可在其他地方打开继续进行实验。

三、虚拟仿真实验教学与创新人才培养

给予学生无限的实验环境，拓宽学生的知识视野。科学技术的进步带来各个学科的飞速发展，新技术产品、设备和器件飞速迭代，传统的实验室很难跟上科学技术发展的节奏，不可能为所有新鲜的东西提供实验，而虚拟仿真实验在一定程度上可以弥补此缺陷。随着仿真技术和软件的连续更新发展，仿真系统可以加入一些新的设备和元件。因此虚拟仿真实验可以方便对实验系统进行更新迭代，快速适应高新技术的发展，使得学生能随时追踪新技术和新设备，对学生的知识视野开阔起到了非常积极的作用，同时还节省了实验的经费。

创新实验教学方法，培养优秀创新人才。传统实验教学的实验内容一般较为单一，且一般都为验证性实验，学生不需要考虑实验台的搭建，只要按照实验的操作步骤完成实验，缺乏对学生创造力的培养。通过建立虚拟实验平台，可以增加学生自行设计实验的内容，使得学生能够依据实验目的，设计实验实施方案，分析实验结果。由此可见，通过建立虚拟仿真实验室，不仅可以锻炼学生的独立工作能力和创造性思维，而且有利于激发学生的学习兴趣，对于培养创新和实践能力出众的人才非常有帮助。

通过虚拟仿真实验平台自行设计实验项目，进行科学研究的实验探索。实验在教学活动中的作用不容忽视，理论教学和实验环节相辅相成，实验可以对理论进行验证和扩展应用，使得学生对抽象的理论有深入的理解，同时有利于培养学生严谨求实和创新的学习态度。但是，有的传统实验时间和资金成本均较高，而且有时还有破坏性、毒性和不可再现性等缺点。虚拟仿真实验平台可以解决这方面的问题。因此，应该鼓励学生通过虚拟实验平台进行实验研究，引导学生通过发散性思维进行科学问题的探索。

四、结语

专业课的理论教学存在一些共性的问题，有些理论非常抽象，现实世界很难找到一些实例来进行演示。专业课中有一类理论体系非常缜密，知识点错综复杂，学生一般缺乏对知识体系整体架构能力，会产生一种“乱花渐欲迷人眼”的感觉。还有一类课程的理论教学的实验演示系统成本非常高，操作起来较为困难，不具备让学生进行实的条件。为解决理论教学过程中的这些问题，需要对实验教学的内容进行拓展，实现理论教学和实验教学的无缝衔接，并且尽可能在课堂上同步进行。采用虚拟仿真实验教学平台，呈现具有操作性好、真实感强和直观精确的实验场景，对高校进行创新性实验教学起到至关重要的作用。

参考文献：

[1]陈小红.虚拟实验室的研究现状及其发展趋势[J].中国现代教育装备，2010，（17）：107-109.

[2]彭小建.高等教育新常态下虚拟仿真实验教学中心建设探索[J].实验技术与管理，2016，（10）：237-240.

[3]杜玉宝，孙淑强，亓文涛.虚拟仿真实验教学信息化平台的建设与思考[J].中国现代教育装备，2016，（17）：26-28.

[4]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）[Z].2010，7.

[5]李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，（11）：5-8.

[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）：5-8.

Research on Innovation Experiment Teaching Reform Based on Virtual Simulation Laboratory

ZHANG Ren-ping

（School of Materials Science and Engineering，Jingdezhen Ceramic Institute，Jingdezhen，Jiangxi 333403，China）

Abstract：In view of some characteristics of experiment and engineering，through the establishment of a virtual laboratory to carry out innovative experimental teaching. The article analyses the advantages and limitations of virtual simulation experiment teaching，points out the role of virtual simulation laboratory in experimental teaching. The virtual simulation of the relationship between teaching and the cultivation of innovative talents.

Key words：experimental teaching；virtual；simulation；teaching reform