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虚拟仿真实验:为现实教学所不能为、不敢为、不好为

2022-05-26 11:29:21
来源:科技日报 作者:张盖伦 评论:0

  这是一个神奇的平台,在这里,你可以进入“超净间”,进行超冷原子振荡跃迁实验;可以登上“火星”,了解火星星表探测系统控制技术;可以建一个“养鸡场”,找到合适的种鸡、挑选鸡蛋直到孵出小鸡……这是“实验空间”国家虚拟仿真实验教学课程共享平台,上面有3000余门实验课程,涵盖了农业工程、物理学、电气类等61个专业类别。

  在前不久举行的国务院联防联控机制新闻发布会上,教育部高等教育司一级巡视员宋毅表示,国家高等教育智慧教育平台计划于6月增设虚拟仿真实验板块,希望各地各高校积极用好虚拟仿真实验课资源,满足在线教学实验、实践的需要。

  虚拟仿真实验是高等教育信息化的重要内容和实验教学的重要组成部分。经过多年建设,它正在解决高校实践教育中的痛点。

  拓展实验教学的广度和深度

  宋毅介绍,教育部从2013年开始推动全国高校探索虚拟仿真实验教学资源建设;2018年上线了“实验空间”虚拟仿真实验教学平台,为全国高校提供了虚拟仿真课程开放共享服务;2020年,教育部认定了5118门课程为首批国家级一流本科课程,其中虚拟仿真实验教学一流课程728门。

  北京交通大学本科生院副院长景云告诉科技日报记者,虚拟仿真实验解决的是实验教学项目“不能做”“不敢做”“不好做”的问题。

  有些实验对象太过宏观或微观,学生难以理解,实验室也不能提供合适的实验条件;有些实验过程太危险,学校不敢让学生进行这样的实验;有些实验仪器与材料价格昂贵,实验室不好搭建这样的实验场景。而虚拟仿真实验,则可以摆脱物理现实的限制,拓展实验教学的广度和深度。

  景云表示,虚拟仿真实验按照项目难度可以分为3个层次:一是验证型实验,也就是纯粹验证老师课堂上讲述的理论知识;第二层是设计综合型实验,即设计若干实验步骤,由实验者动手进行操作,得出不同的实验结果,以此理解各步骤在整体实验中的意义;第三层是创新型实验,设计者提供若干实验模块,由学生自由组合,在实验中获得新的发现。“对实验设计者来说,需要将科研成果转化、应用于实验教学,设计综合性、创新性实验课程,满足学生对科技创新实验的需要;还要与大型生产企业紧密合作,获取生产现场的真实数据资料,与工程实践紧密结合,解决学生在校内无法开展实习实践的问题。”景云说。

  例如,北京交通大学交通运输专业的学生有一门课程叫《铁路行车组织》。学校设计的高速铁路网行车组织全过程管控一体化虚拟仿真实验中,构建了京沪杭高铁网“6线5所11站”的半实物沙盘。通过平台的虚拟仿真和实物模拟,实验系统可以验证运输计划、动车运用计划等多要素理论模型与算法研究结论,同时还能够承担多层次铁路专业应用实验内容。“在虚拟仿真实验中,学生能更直观地看到调度工作的成果,还能体验各工种的协同配合,这将有助于培养他们的整体思维。”景云介绍。

  “虚实结合”为教学服务

  教育部教育装备研究与发展中心的张敏和刘俊波曾撰文指出,虚拟仿真实验教学项目的建设模式主要有3种:由学校教师自主设计和开发;由学校教师提出建设需求,编写实验内容脚本,由企业提供技术支持;学校直接购买企业开发的虚拟仿真实验产品。

  例如,慧科集团就与多所高校合作开发过虚拟仿真实验项目。慧科集团数字内容事业部总经理张黎黎向记者表示,企业的角色,是帮助教师梳理思路、落实脚本、进行开发,并跟踪师生使用后的反馈。

  “一个好的虚拟仿真实验教学项目,绝对不是看起来多么酷炫,而是要实现教师的教学目标。”张黎黎强调,所有技术都只是手段,最终的目的是要提升教学效果。

  景云认为,一个好的虚拟仿真实验项目,应该具备四大特点:首先,是应具备网络化特点,在虚拟现实技术的支持下,虚拟实验室里的虚拟实验设备仪器与实际设备仪器功能和操作方法大致相同,用户可以通过网络,不受时间、空间的限制进行实验;其次,还应具备规模化特点,受众面越广、通用性越强,虚拟仿真实验就越容易发挥优势,解决主干课程的主干实验问题;再次,还应具备交互性特点,学生能获得较好的实验体验,并进行自学习;最后,应具备易用性特点,学生按照提示就能顺利完成实验。

  “值得注意的是,我们不要为了虚拟仿真而虚拟仿真。”景云表示。

  教育部文件中有明确规定,虚拟仿真实验重点解决真实实验项目条件不具备或实际运行困难,涉及高危或极端环境,高成本,高消耗,不可逆操作等难题。“我们应该‘能实不虚’‘虚实结合’。虚拟仿真实验开发技术的选择要以服务教学和培养学生为基本原则,切勿将完全可以线下开展的实验也进行虚拟仿真技术的‘包装’。”景云说。

  虚拟实验教学还有更多可能性

  其实,建设虚拟仿真实验项目,通常来说投资不小,项目建成后,还要进行维护升级。教师是设计者、应用者和管理者,开发和维护实验项目的工作量很大。景云坦言,这就需要有机制来激励、保障教师和学校对实验项目的持续投入,否则一些实验项目很可能在几年后就因为支持不足而成了摆设。

  在资源共享上,虚拟仿真实验目前也存在着一些困难。一方面,实验共享的激励机制还没有得到很好的解决;另一方面,相似层次的高校采纳其他学校项目的意愿和动力也不足,这也容易导致虚拟实验项目重复建设。景云建议,高校之间可以通过虚拟教研室的形式开展联合教研,针对一些课程的通用基础实验,共同开发虚拟仿真实验,各学校按照自身优势牵头不同的实验项目,完善实验资源共享机制。

  如今,不少学校已经开始将虚拟仿真实验教学项目融入学科实验教学体系之中,虚拟仿真实验正朝着规模化、体系化的方向发展。

  张黎黎表示,目前大多数高校的虚拟仿真实验为2个课时的课程。未来虚拟仿真实验可能会更加体系化,它不再是独立的实验内容,而会被嵌入整体课程当中,和课程中的多个实验、多个知识点互相关联。

  她表示,现在的虚拟仿真实验教学项目,大多还是以鼠标作为交互方式。未来随着头戴式显示器、触控手套成本的降低,交互方式也可以更加多样,学生在虚拟实验中能获取的感知维度也会越来越丰富。在实验形式上,目前的虚拟仿真实验都有特定的步骤,学生被引导着一步步做实验,结果无非是实验成功或者失败。“未来,在元宇宙的世界里,我们可以有更多选择。”张黎黎展望道,学生或许可以在元宇宙中自由探索,用各种工具、材料做他能想到的实验,甚至进行发明创造,实现低成本的创新。

  元宇宙与教育的结合究竟会带来什么,现在并无定论,但去拥抱新技术、探索新技术,是当下应该做的选择。“教师也要主动把新技术用起来。新的技术对老师来说不是挑战,而是工具。”张黎黎说。

(责任编辑:韩梦晨)

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