原标题:虚拟仿真实验:不可能,不敢,对真实教学不好。
从2013年开始,教育部在全国高校推广虚拟仿真实验教学资源的探索;2018年,“实验空间”虚拟仿真实验教学平台上线,面向全国高校提供虚拟仿真课程开放共享服务;2020年,教育部认定5118门课程为首批国家一级本科课程,其中虚拟仿真实验教学一级课程728门。
这是一个神奇的平台,你可以进入“超净室”,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的控制技术;你可以建立一个“养鸡场”,找到合适的种鸡,选择鸡蛋,直到小鸡孵化.这是“实验空间”国家级虚拟仿真实验教学课程共享平台,3000多门实验课程,涵盖农业工程、物理、电气等61个专业类别。
在近日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轶表示,国家高等教育智慧教育平台计划于6月新增虚拟仿真实验板块,希望各地高校积极利用好虚拟仿真实验课程资源,满足网络教学实验和实践需求。
虚拟实验是高等教育信息化的重要内容,是实验教学的重要组成部分。经过多年的建设,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。
宋轶介绍,2013年以来,教育部在全国高校推进虚拟仿真实验教学资源建设;2018年,“实验空间”虚拟仿真实验教学平台上线,面向全国高校提供虚拟仿真课程开放共享服务;2020年,教育部认定5118门课程为首批国家一级本科课程,其中虚拟仿真实验教学一级课程728门。
北京交通大学本科学院副院长景云告诉科技日报记者,虚拟仿真实验解决了实验教学项目不能做、不会做、不好做的问题。
有些实验对象过于宏观或微观,学生无法理解,实验室也无法提供合适的实验条件。有些实验过程太危险,学校不允许学生进行这样的实验;有些实验仪器和材料价格昂贵,实验室很难搭建这样的实验场景。虚拟仿真实验可以摆脱物理现实的限制,拓展实验教学的广度和深度。
景云说,虚拟仿真实验根据项目的难易程度可以分为三个层次:一是验证性实验,即对老师在课堂上讲的理论知识进行纯验证;第二层是设计综合实验,即设计多个实验步骤,由实验者操作,得到不同的实验结果,从而了解每个步骤在整个实验中的意义;第三个层次是创新实验。设计师提供几个实验模块,学生自由组合,在实验中有新的发现。“对于实验设计者来说,要将科研成果转化应用到实验教学中,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求;还需要与大型生产企业紧密合作,获取生产现场的真实数据,并与工程实践紧密结合,解决学生无法在校内开展实习实践的问题。”静云说道。
比如北京交通大学交通运输专业的学生,有一门课叫《铁路行车组织》。在高速铁路网络交通组织设计全过程管控一体化虚拟仿真实验中
教育部教育装备研发中心张敏、刘军波曾撰文指出,虚拟仿真实验教学项目的建设模式主要有三种:由学校教师自主设计开发;学校老师提出建设需求,编写实验内容脚本,企业提供技术支持;学校直接购买企业开发的虚拟仿真产品。
例如,慧科集团与多所大学合作开发虚拟仿真实验项目。慧科集团数字内容事业部总经理张丽丽告诉记者,企业的作用是帮助老师整理思路、执行脚本、开发,并跟踪老师和学生使用后的反馈。
“一个好的虚拟仿真实验教学项目,绝对不是看起来有多酷,而是要达到老师的教学目标。“张丽丽强调,一切技术都只是手段,最终目的是提高教学效果。
景云认为,一个好的虚拟仿真实验项目应该具备四个特点:一是应该具备网络化的特点。在虚拟现实技术的支持下,虚拟实验室中的虚拟实验设备的功能和操作方法与实际设备大致相同,用户可以不受时间和空间的限制,通过网络进行实验;其次,还应该具有规模化、受众更广、普适性更强、虚拟仿真实验等特点。
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。(记者 张盖伦)