周长红 李玉华 廉 冠 付建胜

（1.桂林电子科技大学建筑与交通工程学院 广西·桂林 541004；2.大连理工大学交通运输学院 辽宁·大连 116023）

实验教学在高等教育中具有重要地位，特别是随着日益对提高学生综合素质、培养学生创新精神与动手能力的重视，实验教学成为不可替代的教学手段。因此，无论高等院校还是中职院校都把实验教学作为教学环节中的重中之重[1]。受社会发展需求、学生扩招规模和特殊社会形势的影响，实验教学有时面临着不少瓶颈问题，主要表现在：

（1）传统实验教学设施的不足。传统实验教学主要以指导教师演示和讲解为主，除了实验条件非常充足的高校能为每位学生提供独立动手的机会，大多数情况下，学生都会被分成实验小组，多位学生作为一个团队共同操作一项实验。这种情况下，不是所有的学生都能得到有效锻炼，实验教学的效果也就无法得到保证。

（2）实验教学在远程教育中的困难。远程教育是社会发展的必然趋势，很多无缘得到系统学习的人员会随着工作的深入而有强烈的提升自己的意愿。另外，远程教育也为无法耽误正常上班时间和无法亲自去往现场听课的学员提供了一种便利的机会。然而，实验作为一种必须亲自动手和现场体验的教学环节，在远程教学模式方面面临着较大的困难[2,3]。

（3）特殊的社会形势导致了长时间线上教学。课堂教学由于其教和学的环节比较灵活，教师和学生双方均能很快的转变传统的上课和听课的方式，从线下几乎无障碍的转移到线上来。然而，实践教学环节却很难做到。能够亲自体验实验的步骤和现象，而又不丧失动手能力的培养是对虚拟实验的重要需求。

本教研组自主开发了部分实验教学软件以改善当前面临的线上学习的问题，本文将以《道路建筑材料》为例，介绍交互式虚拟实验软件的开发方法和在学生成绩评定中的应用。

1 实验系统组建

虽然很多院校都花费大量经费组建了虚拟仿真实验室，但很多实验依然停留在简单的三维演示和视图控制方面，即使采用了VR虚拟技术，也只不过是使实验过程更加逼真而已，并不能提供真实的物理化学过程，操作者也没有办法按照自己的意愿体验到不同操作造成的不同效果，甚至是失败。为了快速开发一套能提供交互操作的实验系统，本文选用游戏引擎Unity3D为开发平台，采用C#和JavaScript脚本语言编制了部分沥青及沥青混合料的虚拟实验。使用的主要开发工具介绍如下：

（1）Unity3D。

Unity3D是由Unity Technologies公司开发的一个能让使用者轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具。Unity3D作为实验教学软件的主开发平台有其独特的优势[4]，主要表现在：（1）它是一种游戏开发引擎，基于该平台开发的虚拟实验无论在风格上还是在控制模式上均与常见游戏具有高度相似，比较适合现在学生的应用习惯；（2）基于该平台制作的虚拟实验软件可以方便的发布到多个平台，方便不同受众学生根据自己的设备情况开展实验操作，而无需更换设备；（3）该平台与Maya，3ds Max、Blender等3D建模软件高度兼容，方便建模操作；（4）该平台使用C#和Javascript脚本语言控制各种物体的相互关系和物理过程变化，能够方便地实现符合真实物理和化学过程的各种实验效果。

（2）Maya。

MAYA软件是Autodesk旗下的著名三维建模和动画软件，该软件可以做出逼真的实验实体模型和极其优秀的特效效果，给观众很大的视觉冲击力和视觉享受。Maya在本软件的开发中得到了大量应用。

制作完成的针入度实验的界面如图1所示。根据这种虚拟实验设计思路，共实现4个沥青性能实验和2个沥青混合料性能实验的交互式虚拟检测，包括沥青三大指标实验（针入度、软化点、延度）、沥青动力粘度实验、沥青混合料的马歇尔实验以及沥青混合料车辙实验。这几个实验都是目前道路工程专业必备的核心实验。

图1：针入度虚拟实验基本界面

2 实验系统的主要功能

虚拟实验系统主要能完成的功能包括：实验学习、练习操作等。实验时系统会为每个学生分配不同的指导老师，其间的交互对话多数采用幽默的语言，减少学习生在新学习模式下的陌生感和心理上的不适应。

在学习模式下，导师主要是带领大家认识所用到的实验仪器和各种装置，这一部分是通过导师提问的方式进行的。导师随机提问一些仪器名称，让学生在虚拟实验室中查找，并通过鼠标点击正确的仪器来作答。由于第一次接触该实验的学生并不了解每一个实验装置，因此，系统中会给出各种提示，比如鼠标滑过的地方，会显示该仪器的名称，以达到快速学习的目的。通常情况下，导师也会简单描述一下该仪器的作用。

在实验模式下，学生需要认真按照实验步骤，从头至尾地全部完成一遍。在操作过程中，所有的操作错误都会影响实验的成败。所以该部分需要学生在完全熟悉实验步骤的基础上进行。因为虚拟实验毕竟不同于现实实验，实验系统中也为学生准备了各种辅助工具，如灯源、放大镜、反光镜等，可以在视线受限的情况下借助辅助工具进行操作。每次的实验结果是按照学生的操作规范程度再加上材料参数的随机值模拟确定的。

3 实验成绩评定

由于该系统具有跨平台操作的优点，既可以通过PC机EXE程序运行，也可以通过Web平台、移动平台进行操作学习。

学生可以按照自己的意愿，通过任何一种自己方便的模式进行学习和操作。实验操作结束后，学生每次实验结果的数据均会保持在程序中，如果学生需要查看自己的实验报告，可以通过查看实验报告的按钮，自动生成实验报告。

如果想提交自己的实验报告，可以在系统中点击提交实验报告将数据上传系统，也可以拷贝生成的实验报告，通过其他师生学习群，如QQ或者微信群等方式进行提交。

需要注意的是，实验报告中需要人工输入自己的学号和姓名。随机编码是该实验系统自动生成的一串唯一识别码，该码记录了学生实验操作的时间、平台及硬件物理码等信息，用于还原学生的实验信息和防止学生通过互相拷贝或利用图像处理软件自己生成实验报告等作弊行为的发生。

教师可以通过两部分内容综合评价学生的成绩，其一是根据实验报告的随机编码，利用系统获得学生学习和实验操作的过程情况，反映学生的过程成绩；其二是根据实验报告的内容，评价学生实验结果的正确性和实验操作的标准性，反映学生的操作成绩。

4 结语

随着目前线上教学的大力发展，高校在线上实验教学和评价方面存在较大压力。特别是突发社会情况，对实验教学造成较大冲击。本文通过总结本校在交互式虚拟仿真实验中的教学中的部分经验，主要得到如今几点结论：

（1）线上实验教学是目前教育方法改变必然面临的一大趋势，既是一种挑战也是一种机会。只有不断的解决面临的卡脖子问题，才能更好的发挥网络教学的巨大优势。

（2）基于Unity3D开发的实验教学系统，不但适合于多平台使用，虚拟效果逼真，还能够反映真实的物理化学过程，而且其操作接近游戏风格，能够交互式操作，学生喜见乐学。经过多届学生的实际验证，对学生的动手能力培养效果明显。

（3）该系统能够自动记录操作数据和生成实验报告，可以大大减轻学生制作实验报告的负担。实验报告中包含有多项信息，不但可以帮助教师还原学生的操作过程还能反映其操作的标准化程度。