虛擬仿真實(shí)驗(yàn):為現(xiàn)實(shí)教學(xué)所不能為、不敢為、不好為
虛擬仿真實(shí)驗(yàn):為現(xiàn)實(shí)教學(xué)所不能為、不敢為、不好為
教育部從2013年開(kāi)始推動(dòng)全國(guó)高校探索虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè);2018年上線(xiàn)了“實(shí)驗(yàn)空間”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),為全國(guó)高校提供了虛擬仿真課程開(kāi)放共享服務(wù);2020年,教育部認(rèn)定了5118門(mén)課程為首批國(guó)家級(jí)一流本科課程,其中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程728門(mén)。
◎本報(bào)記者 張蓋倫
這是一個(gè)神奇的平臺(tái),在這里,你可以進(jìn)入“超凈間”,進(jìn)行超冷原子振蕩躍遷實(shí)驗(yàn);可以登上“火星”,了解火星星表探測(cè)系統(tǒng)控制技術(shù);可以建一個(gè)“養(yǎng)雞場(chǎng)”,找到合適的種雞、挑選雞蛋直到孵出小雞……這是“實(shí)驗(yàn)空間”國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái),上面有3000余門(mén)實(shí)驗(yàn)課程,涵蓋了農(nóng)業(yè)工程、物理學(xué)、電氣類(lèi)等61個(gè)專(zhuān)業(yè)類(lèi)別。
在前不久舉行的國(guó)務(wù)院聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制新聞發(fā)布會(huì)上,教育部高等教育司一級(jí)巡視員宋毅表示,國(guó)家高等教育智慧教育平臺(tái)計(jì)劃于6月增設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)板塊,希望各地各高校積極用好虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課資源,滿(mǎn)足在線(xiàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐的需要。
虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是高等教育信息化的重要內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分。經(jīng)過(guò)多年建設(shè),它正在解決高校實(shí)踐教育中的痛點(diǎn)。
拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度和深度
宋毅介紹,教育部從2013年開(kāi)始推動(dòng)全國(guó)高校探索虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè);2018年上線(xiàn)了“實(shí)驗(yàn)空間”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),為全國(guó)高校提供了虛擬仿真課程開(kāi)放共享服務(wù);2020年,教育部認(rèn)定了5118門(mén)課程為首批國(guó)家級(jí)一流本科課程,其中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程728門(mén)。
北京交通大學(xué)本科生院副院長(zhǎng)景云告訴科技日?qǐng)?bào)記者,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)解決的是實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目“不能做”“不敢做”“不好做”的問(wèn)題。
有些實(shí)驗(yàn)對(duì)象太過(guò)宏觀或微觀,學(xué)生難以理解,實(shí)驗(yàn)室也不能提供合適的實(shí)驗(yàn)條件;有些實(shí)驗(yàn)過(guò)程太危險(xiǎn),學(xué)校不敢讓學(xué)生進(jìn)行這樣的實(shí)驗(yàn);有些實(shí)驗(yàn)儀器與材料價(jià)格昂貴,實(shí)驗(yàn)室不好搭建這樣的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn),則可以擺脫物理現(xiàn)實(shí)的限制,拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度和深度。
景云表示,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)按照項(xiàng)目難度可以分為3個(gè)層次:一是驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn),也就是純粹驗(yàn)證老師課堂上講述的理論知識(shí);第二層是設(shè)計(jì)綜合型實(shí)驗(yàn),即設(shè)計(jì)若干實(shí)驗(yàn)步驟,由實(shí)驗(yàn)者動(dòng)手進(jìn)行操作,得出不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,以此理解各步驟在整體實(shí)驗(yàn)中的意義;第三層是創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì)者提供若干實(shí)驗(yàn)?zāi)K,由學(xué)生自由組合,在實(shí)驗(yàn)中獲得新的發(fā)現(xiàn)?!皩?duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō),需要將科研成果轉(zhuǎn)化、應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué),設(shè)計(jì)綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)課程,滿(mǎn)足學(xué)生對(duì)科技創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的需要;還要與大型生產(chǎn)企業(yè)緊密合作,獲取生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)數(shù)據(jù)資料,與工程實(shí)踐緊密結(jié)合,解決學(xué)生在校內(nèi)無(wú)法開(kāi)展實(shí)習(xí)實(shí)踐的問(wèn)題?!本霸普f(shuō)。
例如,北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸專(zhuān)業(yè)的學(xué)生有一門(mén)課程叫《鐵路行車(chē)組織》。學(xué)校設(shè)計(jì)的高速鐵路網(wǎng)行車(chē)組織全過(guò)程管控一體化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中,構(gòu)建了京滬杭高鐵網(wǎng)“6線(xiàn)5所11站”的半實(shí)物沙盤(pán)。通過(guò)平臺(tái)的虛擬仿真和實(shí)物模擬,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以驗(yàn)證運(yùn)輸計(jì)劃、動(dòng)車(chē)運(yùn)用計(jì)劃等多要素理論模型與算法研究結(jié)論,同時(shí)還能夠承擔(dān)多層次鐵路專(zhuān)業(yè)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)內(nèi)容?!霸谔摂M仿真實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生能更直觀地看到調(diào)度工作的成果,還能體驗(yàn)各工種的協(xié)同配合,這將有助于培養(yǎng)他們的整體思維?!本霸平榻B。
“虛實(shí)結(jié)合”為教學(xué)服務(wù)
教育部教育裝備研究與發(fā)展中心的張敏和劉俊波曾撰文指出,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)模式主要有3種:由學(xué)校教師自主設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā);由學(xué)校教師提出建設(shè)需求,編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容腳本,由企業(yè)提供技術(shù)支持;學(xué)校直接購(gòu)買(mǎi)企業(yè)開(kāi)發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品。
例如,慧科集團(tuán)就與多所高校合作開(kāi)發(fā)過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?;劭萍瘓F(tuán)數(shù)字內(nèi)容事業(yè)部總經(jīng)理張黎黎向記者表示,企業(yè)的角色,是幫助教師梳理思路、落實(shí)腳本、進(jìn)行開(kāi)發(fā),并跟蹤師生使用后的反饋。
“一個(gè)好的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目,絕對(duì)不是看起來(lái)多么酷炫,而是要實(shí)現(xiàn)教師的教學(xué)目標(biāo)?!睆埨枥鑿?qiáng)調(diào),所有技術(shù)都只是手段,最終的目的是要提升教學(xué)效果。
景云認(rèn)為,一個(gè)好的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,應(yīng)該具備四大特點(diǎn):首先,是應(yīng)具備網(wǎng)絡(luò)化特點(diǎn),在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支持下,虛擬實(shí)驗(yàn)室里的虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器與實(shí)際設(shè)備儀器功能和操作方法大致相同,用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò),不受時(shí)間、空間的限制進(jìn)行實(shí)驗(yàn);其次,還應(yīng)具備規(guī)?;攸c(diǎn),受眾面越廣、通用性越強(qiáng),虛擬仿真實(shí)驗(yàn)就越容易發(fā)揮優(yōu)勢(shì),解決主干課程的主干實(shí)驗(yàn)問(wèn)題;再次,還應(yīng)具備交互性特點(diǎn),學(xué)生能獲得較好的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn),并進(jìn)行自學(xué)習(xí);最后,應(yīng)具備易用性特點(diǎn),學(xué)生按照提示就能順利完成實(shí)驗(yàn)。
“值得注意的是,我們不要為了虛擬仿真而虛擬仿真?!本霸票硎?。
教育部文件中有明確規(guī)定,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)解決真實(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目條件不具備或?qū)嶋H運(yùn)行困難,涉及高?;驑O端環(huán)境,高成本,高消耗,不可逆操作等難題?!拔覀儜?yīng)該‘能實(shí)不虛’‘虛實(shí)結(jié)合’。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)技術(shù)的選擇要以服務(wù)教學(xué)和培養(yǎng)學(xué)生為基本原則,切勿將完全可以線(xiàn)下開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)也進(jìn)行虛擬仿真技術(shù)的‘包裝’?!本霸普f(shuō)。
虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)還有更多可能性
其實(shí),建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,通常來(lái)說(shuō)投資不小,項(xiàng)目建成后,還要進(jìn)行維護(hù)升級(jí)。教師是設(shè)計(jì)者、應(yīng)用者和管理者,開(kāi)發(fā)和維護(hù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的工作量很大。景云坦言,這就需要有機(jī)制來(lái)激勵(lì)、保障教師和學(xué)校對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的持續(xù)投入,否則一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目很可能在幾年后就因?yàn)橹С植蛔愣闪藬[設(shè)。
在資源共享上,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)壳耙泊嬖谥恍├щy。一方面,實(shí)驗(yàn)共享的激勵(lì)機(jī)制還沒(méi)有得到很好的解決;另一方面,相似層次的高校采納其他學(xué)校項(xiàng)目的意愿和動(dòng)力也不足,這也容易導(dǎo)致虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目重復(fù)建設(shè)。景云建議,高校之間可以通過(guò)虛擬教研室的形式開(kāi)展聯(lián)合教研,針對(duì)一些課程的通用基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),共同開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn),各學(xué)校按照自身優(yōu)勢(shì)牽頭不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,完善實(shí)驗(yàn)資源共享機(jī)制。
如今,不少學(xué)校已經(jīng)開(kāi)始將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目融入學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系之中,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)正朝著規(guī)?;?、體系化的方向發(fā)展。
張黎黎表示,目前大多數(shù)高校的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為2個(gè)課時(shí)的課程。未來(lái)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可能會(huì)更加體系化,它不再是獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,而會(huì)被嵌入整體課程當(dāng)中,和課程中的多個(gè)實(shí)驗(yàn)、多個(gè)知識(shí)點(diǎn)互相關(guān)聯(lián)。
她表示,現(xiàn)在的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目,大多還是以鼠標(biāo)作為交互方式。未來(lái)隨著頭戴式顯示器、觸控手套成本的降低,交互方式也可以更加多樣,學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)中能獲取的感知維度也會(huì)越來(lái)越豐富。在實(shí)驗(yàn)形式上,目前的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)都有特定的步驟,學(xué)生被引導(dǎo)著一步步做實(shí)驗(yàn),結(jié)果無(wú)非是實(shí)驗(yàn)成功或者失敗?!拔磥?lái),在元宇宙的世界里,我們可以有更多選擇?!睆埨枥枵雇?,學(xué)生或許可以在元宇宙中自由探索,用各種工具、材料做他能想到的實(shí)驗(yàn),甚至進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造,實(shí)現(xiàn)低成本的創(chuàng)新。
元宇宙與教育的結(jié)合究竟會(huì)帶來(lái)什么,現(xiàn)在并無(wú)定論,但去擁抱新技術(shù)、探索新技術(shù),是當(dāng)下應(yīng)該做的選擇?!敖處熞惨鲃?dòng)把新技術(shù)用起來(lái)。新的技術(shù)對(duì)老師來(lái)說(shuō)不是挑戰(zhàn),而是工具?!睆埨枥枵f(shuō)。
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