王慧　白红英　马丽

[摘 要] 作为高等教育信息化的重要组成部分，虚拟仿真实验室是多学科多专业与现代信息技术相互融合的必然产物。在其蓬勃发展的过程中，存在共享程度低、师资队伍薄弱、跨专业融合程度不足、实验教程未普及以及利用率较低等特点。对此，进一步提出了整改建议：组建虚拟仿真实验教学联盟实现资源共享，领头人牵头制定虚拟仿真实验教学系统及教程，鼓励建设综合性虚拟仿真实验室，组建监督队伍完善监督机制，制定政策、建立激励机制、促进队伍建设。

[关键词] 虚拟仿真实验室；示范；实验教学；资源共享

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 07. 089

[中图分类号] G647；TP391.9 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2019）07- 0216- 03

0 引 言

综合多媒体技术、大数据技术、人机交互、传感器技术、三维建模技术以及云计算等多种技术手段于一身的虚拟仿真实验室，在高校的教学实验过程中能达到以“虚”代“实”，学生由被动学习变主动学习的效果，实验教学效果也得到了显著地提高 [1]。以信息技术应用为本质特征的虚拟仿真实验教学，适应了信息时代高等教育开放办学、资源共享的变革要求，为学生开展探究性学习、自主实验和创新实践提供了先进手段、开放平台和优质资源，在提高人才培养质量的同时，也为实验教学改革和实验室建设增添了活力和动力[2]。虚拟仿真技术在实践教学中的应用，打破了传统实物实验室在时间和空间上的局限性，同时有效地解决了高校实验经费、设备、场地不足的问题，在提高高校实践教学质量、改进实践教学模式和增强学生自主学习意识方面具有重要的意义。虚拟仿真实验室的建设受到各大高校的高度重视，其发展也面临着一些新问题和新挑战。

1 高校虚拟仿真实验室的建设意义

虚拟仿真实验室，以多种现代技术为依托，通过仿真各种大型仪器设备，设计各种实验场景和实验步骤，使学生在虚拟场景中通过人机交互的方式按照各种步骤开展实验，达到教师指定的各种实验项目的目的。虚拟仿真实验室是虚拟仿真技术、计算机技术和其他多学科专业理论知识深度融合的结晶。

在国内，正兴起一股建设虚拟仿真实验室的热潮。北京大学利用沉浸式系统，结合G-Motion光学位置追踪系统，构建了沉浸式虚拟现实展示交互实验室。清华大学通过搭建一面墙虚拟现实投影系统和多人异地协同设计工具构建了成形制造模拟仿真三维虚拟现实实验室，应用于材料的快速成型与虚拟制造。上海交通大学建设的虚拟现实创新教育实验中心打造了集教学、实训、实践、科研于一体的大型创新教育实验中心。南京理工大学通过楼上实物实验室楼下虚拟实验室模式实现了 “虚实相结合”，虚拟仿真技术进入课堂、融入教材，提高学生的全数字化设计水平。

在高校，一个成功的虚拟仿真实验室能积极促進科研人员、教师以及学生廉价质优、团队合作、主动进行学习交流和创新开发，虚拟仿真实验室成为了大家获得知识技能的重要场所[3]。特别是在技术飞速发展的今天，虚拟仿真实验室的建设将推动高等院校教育教学改革、科研人员主动创新、学生自主实验的快速变化[4]。虚拟仿真实验室是学科专业与信息技术深度融合的产物，在高校，应用虚拟仿真技术建设实验室是实验室建设方面发展的趋势，是推动高校实验教学改革与创新的重要方向[5]。

虚拟实验室的建设解决了难以进行真实实验或者因资金缺乏不能建设实体实验室的情况，虚拟实验室解决了高危或极端环境作业、高投入高成本以及对操作成功率要求极高等问题。虚拟仿真实验具有较明显的教学效果，学生在实验过程中兴趣浓厚，自组织和实践能力显著增强；教师在授课过程中减少了重复介绍实验过程和步骤，而且在虚拟实验的设计和制作过程中一定程度上提高了其科研能力，受益面极广。

2 国内高校虚拟仿真实验室建设特点和存在问题

在中国制造2025重点领域技术路线图中，虚拟现实被列为智能制造核心信息设备的关键技术之一[6]。虚拟现实技术在实验室中的成功应用产生了各种虚拟仿真实验室，如模拟机械加工虚拟仿真实验室、全国景区旅游虚拟仿真实验室、医学内科手术仿真实验室等，这些实验室极大地提升了全国高校实验教学水平。通过大量调研和实地考察，有些院校的虚拟仿真实验室正如火如荼地蓬勃发展着，学生和老师的参与程度达到了80%以上，但有些高校的虚拟仿真实验室实际利用率非常低。本文总结了全国高校的虚拟仿真实验室普遍存在的问题。

2.1 各大院校虚拟仿真实验室的教学资源整合与开放共享程度普遍较低

当前各大高校越来越注重实践教育在本科教学中的重要地位，尤其是教育部发布本科高校向应用型转变的指导意见以来，各个高校纷纷开始增建实验室，加大对学生实验教育的培养，虚拟仿真实验室应运而生。然而目前大部分高校的虚拟仿真实验室彼此封闭、烟囱式的发展。对软硬件供应商的依赖程度较大，与周边院校的合作共享开放程度较低。在相同专业领域中，各个院校针对自己的专业所创作的虚拟仿真实验项目整体内容一致。如果能形成一种开放共享资源模式，则可避免不必要的重复劳动，还可以实现优势互补。

2.2 虚拟仿真实验室开展实验所使用教材的普及程度较低

目前，在虚拟仿真实验教程这块儿没有国家统编的教程。大多高校以虚拟仿真实验软件供应商所提供的设备手册作为实验指导书[7]。然而，设备手册不能完全满足实验教学的需求，学校应根据所设专业的特点，组织编写更实用的虚拟仿真实验指导书。指导书中，对于软件供应商提供的实验项目，要结合自己的实际授课背景，进行相应的增删改，优化实验步骤，扩展实验项目。重点在实验的教学体系、实验基本原理、实验方法以及大型设备的构造原理和注意事项方面进行详细的描述。

2.3 虚拟仿真实验室跨专业融合程度较低

虚拟仿真技术集多学科知识于一身，在各个学科都能得到很好的利用。例如在计算机领域、机械工程领域、旅游管理领域以及现在开始应用的手术培训、导航、心理治疗和康复训练等领域都可以得到很好的综合利用[8]。目前大部分院校为了打造特色专业，虚拟仿真实验室的建设只是针对单点专业进行的。据统计，全国现有理工类的虚拟仿真实验室大约占比为70%，文科类的则应没有得到重视而少之又少[9]。甚至有些院校由于资金实力雄厚，为多个重点理工学科分别建设虚拟仿真实验室，造成了软硬件资源的浪费，也不利于多种信息技术的整合。

2.4 虚拟仿真实验室的利用率情况

一些高校的虚拟仿真实验室前期投入了大量的建设经费，但是落成后资源利用率并不高，形成了严重的资源浪费。有调查显示，年使用在600学时以上的虚拟仿真实验室仅占27%，随着新技术的更新迭代，相应的软硬件设施的折旧率很高，从而造成了资源的浪费[5]。通过走访调研，发现有一类虚拟仿真实验室在建设初期的目标制定得比较高，但是在实际运行过程中，由于各种原因导致老师们对实验室教学的期望值逐渐降低，甚至有些实验室逐渐变成了鸡肋，形成“僵尸型”实验室。还有些院校，由于得到政府有关部门的大力支持，虚拟仿真实验室的建设成为了“门面工程”，有的甚至成为政府有关部门召开会议的专用场所，而实际在教学中的利用率并不高。

2.5 师资队伍建设问题

由于受传统教学实验方式的影响，利用虚拟仿真技术进行的“虚”实验在年龄较大的教师群体中并未得到认可。需要在各个高校形成一支以年轻人为主的跨学科多专业融合的虚拟仿真实验师资队伍。

3 高校虚拟仿真实验室建设改革建议

教育部根据《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》在“十二五”期间开展了国家级虚拟仿真实验教学中心的建设工作，随后在教高厅〔2017〕4号文件中提出了在2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知，旨在推进信息技术与高等教育實验教学的深度融合，不断加强高等教育实验教学优质资源建设与应用[10]。对于现存的高校虚拟仿真实验室建设和应用中的诸多问题，本文提出了以下的一些建议。

3.1 组建联盟实现虚拟仿真实验室资源开放与共享

全国高校的虚拟仿真实验室组成一个联盟，建立统一的交流机制。建立平台门户系统，科技部、高教部是平台的宏观管理部门，负责制定平台发展规划、管理政策和标准规范，并组织开展平台运行服务评价考核工作。提出积极的鼓励政策，打破院校保护主义，鼓励各个院校将虚拟仿真实验室的教学资源在平台上实现共享，优势互补，实现全国各省各自治区虚拟仿真实验教学水平均衡发展，提高我国虚拟现实技术在高等教育中的整体发展水平。

国家级示范性虚拟仿真实验室应辐射周边地区及其他偏远地区院校，起到带头引领作用，并实现资源共享。例如北京、上海、南京等城市的软硬件资源和人力技术资源相对较为集中，实验室的师资力量也是较为雄厚的，开展的虚拟实验项目较多。而内蒙古自治区目前没有一所国家级示范性虚拟仿真实验室，在今年内蒙古医科大学才着手开始申报工作。如果全国高校的虚拟仿真实验室在示范性实验室的带领下能结成一个联盟，实现资源共享，并辐射其他地区院校，则会整体提高我国高校在虚拟仿真实验室这方面的发展水平。

3.2 规划制定虚拟仿真实验室教学教材

由国家级示范性虚拟仿真实验室做牵头人，制定统一的实验教学体系，撰写统一的实验教材或指导书，形成统一的要求，进一步普及所使用的教材。各个院校可以根据实际授课情况进行部分内容的修改，但是整体教学体系保持不变。

虚拟仿真实验室实验内容保障参差不齐，国家级示范性虚拟仿真实验室带头人应带领其他院校的相关实验室管理人员根据所属学科专业制定统一的实验教学体系，撰写统一的实验教材或指导书，形成统一的要求，进一步普及所使用的教材。形成统一的实验资料有助于扬长避短，进一步发挥专业特长，提高实验效果。

3.3 融合多个学科构建综合性虚拟仿真实验室

鼓励高校提高信息技术整合力度，搭建综合性的虚拟仿真实验室，避免虚拟仿真实验室结构单一，功能单一，利用率较低情况的发生。鼓励教师将人工智能技术、大数据等技术创新性融合于虚拟仿真实验室中，实现虚拟现实技术由现在的“3I”变为“4I” （第4I是指“智能”）， 提高虚拟仿真实验室的创新力度。

各个高校虚拟仿真实验室应实现跨专业融合，形成多个学科共用综合性虚拟仿真实验室，节约资源，避免重复建设，合理制定开放手段，提高实验室利用率。

3.4 建立持续有效地虚拟仿真实验室的监督机制

组建虚拟仿真实验室建设以及应用监督队伍，制定详细的监督机制。对已建成的虚拟仿真实验室和正在规划筹建的虚拟仿真实验室展开定期考核工作。主要针对的有：虚拟仿真实验室利用率情况；虚拟仿真实验开设情况；虚拟仿真实验的内容制作及实验内容更新情况。

建立虚拟仿真实验室监督队伍，完善监督机制，形成定期考核制度，督促“僵尸型”虚拟仿真实验室的改革创新，给“门面工程型”虚拟仿真实验室的建设施加压力。

3.5 建设敬业而且专业的虚拟教学队伍

制定政策、建立激励机制，促进队伍建设。设立实验技术成果奖，调动实验人员技术创新的积极性，鼓励实验技术的研究和开发；摆脱虚拟仿真实验内容制作完全依赖购买状况，鼓励虚拟仿真实验教学内容自制、实验内容升级改造或者实验内容的延伸拓展，设立各种奖项激励学生和教师对虚拟仿真实验室的兴趣，激发学生和教师在这方面的创造性发挥。

重视实验教学队伍建设，围绕虚拟仿真实验教学项目建设运行，鼓励多学科各个专业的青年教师主动参与，鼓励理论知识丰富能力过硬的教师积极从事虚拟仿真实验项目的设计与制作。建立完整的虚拟仿真实验教学队伍考核监督机制，奖励利用虚拟仿真实验室进行研发和实践教学实验的教师，最终促进形成一支敬业专业的虚拟仿真教学团队。

4 结 语

随着信息技术在虚拟仿真实验室中的不断深入，虚拟仿真实验室的建设进入了白热化阶段。建立制度健全的监督考核机制有助于消除“僵尸型”和“门面型”虚拟仿真实验室。建立虚拟仿真实验室教学资源共享平台能够充分发挥示范性虚拟仿真实验室的带头作用，引领全国高校高质量发展虚拟仿真实验教学。完善教学体制，制定统一的虚拟仿真实验教学指导用书，编制相关实验教程，形成标准的考核机制。采取激励措施，建设一支高水平的虚拟仿真实验教学人员，为虚拟仿真实验室的长期发展奠定坚实的基础。

主要参考文献

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