邵长金，杨东杰，赵 利，杨振清，周广刚

(1.中国石油大学(北京) 理学院，北京 102249；2.北京润尼尔网络科技有限公司，北京 100088)

教育部对认定的虚拟仿真实验国家一流本科课程提出了明确要求，即持续改进、持续开放服务和持续监管。实验空间(http://www.ilab-x.com/)推出了人气指数、互动指数、好评指数、吸引力指数四个排行榜对平台上的项目进行评价，一些专家和学者也对虚拟仿真实验教学项目的持续改进问题给予了关注[1-5]。实验室开发的页岩气物理吸附解吸虚拟仿真实验获得国家首批一流本科课程，以虚拟仿真实验为例，对项目改进情况进行介绍。

1 项目内容及操作环节分解

页岩气物理吸附解吸虚拟仿真实验项目是以页岩气开发工程为背景，依托大学物理实验课程。主要是阐述页岩气开发工程中的物理吸附问题。从物理学角度看，不论是游离态还是吸附态的页岩气，其运动都受到分子间作用力(范德华力)的控制，可以用气体分子动理论来解释。项目只涉及物理吸附，突出的是物理概念。本项目包括对实物测试系统工作流程的仿真及物理吸附的分子动力学机理两个部分，如图1所示。

项目分三个单元，一是页岩气物理吸附解吸实验操作；二是页岩气物理吸附的微观机理解释；三是实验结果分析及报告。物理吸附实验操作部分能够进行360°全方位的展示，并搭配文字说明，让用户达到真实认知的效果吸附机理模拟模块，需要系统构建吸附模型，通过模拟样品气体吸附模型分子微观结构，展示范德华力在物理吸附中的作用，从而使学生探索页岩气吸附/解吸平衡的物理本质。

图1 物理吸附解吸虚拟仿真实验结构图

实验完全采用鼠标键盘操作。实验界面各模块一目了然，对提示点击内容采用高亮处理，方便学生操作。交互性操作步骤设计为17个。为了后期有针对性的改进项目，我们把整个操作环节进行了分解，如表1所示，为页岩气物理吸附虚拟仿真实验操作环节分解。

表1 页岩气物理吸附解吸虚拟仿真实验操作环节分解

从表1中可以看出，实验内容丰富，实验流程和操作环节多，对学生的要求比较高，这有利于物理实验技术的训练和提高。为了让学生把精力集中到物理虚拟仿真实验本身问题上，我们需要对各环节进行分析，不断地进行改进。

2 基于过程性数据的实验环节改进分析

2020年春季，由于新冠肺炎疫情的影响，很多学校采用了虚拟仿真实验的教学方法，为项目提供了800名学生的实验数据。按照实验项目的设计要求，虚拟仿真实验一般需要4个学时才能完成，考虑到实际虚拟仿真实验过程中，学生思考时并不需要操作动作，因此学生的操作动作时间累积，有可能在1～3 h左右，其余的时间可能是在思考。我们把获得的实验数据按照操作总时长进行筛选，对于操作动作时长在一小时以下的都过滤掉，只保留1～4 h的学生数据，共有664个，对这部分数据进行分析。由于学生在实验空间网站上是自由注册，并根据各自的时间分散地进行实验，因此学生样本具有随机性和代表性。

因篇幅限制，仅以第7步中的“关闭多通阀E2”操作为例进行说明。对664个样本的统计结果如图2所示。

(a)操作所用时长统计

(b)鼠标点击次数统计图2 关闭多通阀E2操作的数据统计

图2(a)为操作所用时长的统计直方图，最短用时0.42 s，最长用时88.8 s，平均用时5.7 s，标准误差为0.2 s，统计偏度值为7.0。大部分(594/664)同学的用时都在10 s内，20 s内的比例为649/664。图2(b)为操作过程鼠标点击次数的统计直方图，绝大部分(615/664)同学的点击次数都在5次以内，但也有一些同学点击超过20次，说明这部分同学没有找到操作按钮，在随意点击。根据项目的初始设计，只要使用者有一次鼠标点击正确，实验就会跳转到下一个操作环节，因此，鼠标点击次数的增加，意味着操作者的鼠标点击正确率会逐渐下降，多于一次的鼠标点击，意味着均出现了错误的操作。

“关闭多通阀E2”只是一个点击鼠标的简单操作，为什么有这么多同学花了很长时间却依然出错呢？和学生沟通发现实验原理中对多通阀E2的关闭操作描述及意义是明确的，问题可能出现在多通阀E2的仿真上。在实物多通阀中，操作者可以看到立体的阀门，E2阀门在多通阀的后面(图3a)，需要时可以绕到后面进行操作。但在虚拟仿真实验中，虽然在仿真时都是三维可视化的，但操作者往往不习惯场景的旋转，导致E2阀门操作容易出现错误。

(a)多通阀实物

(b)多通阀仿真图3 多通阀E2的仿真设置

按照相同的方法，我们对表1中的各个操作环节，均可以统计分析使用者的过程性数据，由此得到操作用时较长、出现错误较多的环节，为后续项目的改进提供了依据。

利用过程性数据的好处是：通过程序设计，可以针对实验的任何环节进行检测，给出的数据定量化程度高。但由于需要记录每一位用户的操作过程数据，因此，数据记录量非常庞大，这为后续的统计工作带来很大困难，我们在实际统计中就出现了溢出Excel表的情况，往往需要对用户分批次统计。

3 基于眼动仪的实验环节改进分析

在2019年11月到2020年1月份期间，利用眼动仪对页岩气虚拟仿真实验项目进行了测试。在测试设计中，采用了背靠背的方式，由辅导员联系二十几位志愿测试者，以免对被测试人员产生潜在的引导和影响，以确保数据的客观性。

眼动仪是根据瞳孔和角膜反射原理追踪眼球关注点的设备。利用红外摄像头将眼球运动捕捉下来，和场景视频录像进行叠加，通过眼动追踪系统软件分析，可以实时计算出眼球的水平和垂直运动时间、位移、速度及瞳孔直径、注视位置等数值。由于眼动仪可反映视觉聚焦的情况，近几年被应用于教学评价，取得很好的效果[6-8]。我们选择表1中“实验仪器认知”的两个操作流程进行了眼动仪测试，16位测试者的平均结果列入表2中，热点追踪图如图4。

(a)

(b)图4 眼动仪追踪的热点图

表2 眼动仪测试结果

由表2可知，在两个阶段778.8秒的测试时间内，测试者的平均注视时间达到208.1 s，这一比例高于我们用相同设备在实物实验中所测的数值情况[9]，反映出测试者对虚拟仿真实验的兴趣较高，注意力更加集中。在样品制备仪器认知测试阶段，注视时间为103.5 s，占测试时长的28%，图4(a)也反映出在该阶段关注热点集中在烘箱上(图中显示为高亮的红点)。进一步的数据分析表明，这103.5 s的注视时间内，其中有41.87 s集中在热点区域(仪器热点占38.45 s，左下角的操作提示占3.42 s)，其余的关注时间都分散在画面的其他区域，说明烘箱、电子天平、粉碎机的布放位置较好、仿真度较高，能够充分吸引测试者的注意力。实验设备认知阶段，注视时间为104.6 s，占测试时长的26%，与前一测试阶段相比较，本阶段关注点较分散，表现在图4(b)中热点范围很大，没有突出的高亮点。通过分析，初步认为形成这种情况的原因在测试系统设备较多，而且每一件设备对于学习者来讲都是新鲜的，造成关注热点被平均化，这也从侧面提示我们：在后续改进中，应该在每一幅仿真画面中，集中突出2～3件设备，不要集中放在一起。

4 基于生理数据的实验环节改进分析

测试者进行虚拟仿真实验时，利用心率测试仪和血氧仪可以同时测量心跳和血氧情况，给出一些伴随性生理数据，它们从人体生理角度侧面反映了测试者的活动状态和剧烈程度，并用来反映人体的情感状态[10-12]。我们采用的测试方法为：选择右手倾向者作为被测试者，在左手佩戴指夹式脉搏血氧仪，不影响右手操作鼠标。在脉搏血氧仪记录的同时，对操作虚拟仿真实验的内容进行录像，以便将脉搏血氧仪记录数据和实验操作环节相对应。图5给出部分测试者的心率和血氧量数据，为了集中显示曲线形态，图中的纵坐标值依次进行了偏移(心率偏移值为60，血氧量偏移值为10)。

(a)心率变化

(b)血氧含量变化图5 心率和血氧量数据

由于条件限制，初期实验时采用了指夹式脉搏血氧仪，对简单的指夹式或腕式便携仪器，由于只能记录心率数值，无法提供波形图，因此，其特征参数只能用频率值来反映，在后续实验条件改进时，可用采样频率较高的心率检测仪器，则可以分析心率变异性数据。

从图5可以看出，由于测试者个体身体条件不同，个体间心率和血氧量变化差异较大；但对某个体而言，如将其心率和血氧量变化曲线画在一起，发现对应较好，一般心率升高(峰值)对应于血氧量下降(谷值)。将个体心率峰值和仿真实验环节对应起来，统计分析结果如表3。在测试的整个时间段内(6 201 s)，平均心率为72.7次/分钟，平均血氧量为96.9%，而在表3中的3个时间节点，心率均高于平均值，形成心率曲线上的极大值；血氧量均低于平均值，形成血氧量曲线上的极小值，初步认定测试者在这3个时间节点对应的操作环节上，生理活动强度出现极大值，反映这些环节的内容需要实验者投入较大，一方面可能是内容本身难度的问题，也可能是实验环节的设计不够合理，这同样为后续改进提供了参考。

需要指出的是，由于目前心率和血氧量技术的限制，心率/血氧量特征参数本身误差较大，因此，它们和实验环节的对应关系存在较大的不确定性，只能作为一种辅助参考。

表3 生理数据与实验环节的对应关系

5 结 论

把页岩气物理吸附解吸虚拟仿真实验项目进行了操作环节分解，通过664名学生实验操作数据分析，可以对仿真实验环节的各个部分给出是否合理的定量依据。眼动仪数据可以很好地反映测试者的兴趣热点和关注程度，给出具体的改进点。把实验过程中的生理数据与伴随性过程数据、眼动仪等相结合，完成虚拟仿真实验项目技术性改进点的评估，为后续构建以情绪、行为、能力等作为评价指标的虚拟仿真实验教学项目评价方法提供基础。