虚拟仿真技术在本科实验教学中的应用展望

马雄德，杨红斌，赵 艳

（1.长安大学水利与环境学院 陕西 西安 710054；2.旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室 陕西 西安 710054；3.长安大学社会合作处 陕西 西安 710054）

随着科学技术的日益发展，尤其是信息科技的不断深化和应用，传统的高校实验教学方式正面临着必要的转型和升级。在这一背景下，虚拟仿真技术成为了教育领域的重要创新应用。它以高效、安全、灵活和可控等优势，为学生提供了一个更具互动性和真实感的实验环境，从而深化了学生的理解力和操作技能，提高了教学效果。

作为一种新型的教学方式，虚拟仿真实验教学不仅在理论学习方面为学生提供了全新的学习视角和手段，同时也在实践能力的培养上展现出了显著的优势。尤其是在传统实验资源稀缺，实验操作危险，实验结果难以复现等问题日益突出的现实情况下，虚拟仿真实验教学的重要性越发凸显。它通过模拟真实的实验环境和过程，让学生在理论与实践间建立桥梁，从而深化理论知识，熟练掌握实验技能。

在这一过程中，虚拟仿真实验教学的优点也逐渐得到了显现。例如，它无须考虑实际实验的场地、设备限制，能够极大地节省教学资源。同时，它避免了传统实验教学中的安全风险，提升了实验教学的安全性；而且它能够随时保存和复原实验进度，使实验教学更具灵活性。此外，通过虚拟仿真实验教学，教师可以实时监控学生的学习进度，及时调整教学策略，提高教学效果。因此，虚拟仿真实验教学已经成为高校实验教学改革的重要方向，且在实践型人才的培养上已经展现出了巨大的潜力和价值[1-2]。

1 虚拟仿真实验教学现状

虚拟仿真实验教学借助现代计算机技术和相关软件，模拟实验操作过程和实验现象，为学生提供一个接近真实的探究性学习环境。其主要通过虚拟实验平台，以复杂教学案例、实验过程演示、离线数据分析等方式，实现教学资源和手段的有效整合与优化。

近年来，这一教学方式在高等教育领域得到了广泛应用[3-4]。国外的高校和企业开始借助虚拟仿真技术来改善和优化实验教学模式。丹麦虚拟实验室和互动科学平台Labster 是一家提供在线科学实验室模拟的公司。它能够为用户提供广泛的实验选项，包括生物学、物理学、化学、工程及普通科学实验等，并且每个模拟实验都设计得十分详细，让学生可以在虚拟环境中尽可能地体验真实实验。PraxiLabs 实验平台提供了一套在线的虚拟实验室，学生可以在其中进行各种生物学、化学和物理实验。BioInteractive Virtual Labs实验平台提供一系列生物学虚拟实验，其实验设计得非常详细，可以帮助学生理解复杂的生物学概念。麻省理工学院的开放式课程网络（MIT OCW）为全球学生提供了免费的课程资源，其中包括大量虚拟实验和仿真实验，课程质量非常高，而且覆盖了多种科学领域。英属哥伦比亚大学的虚拟土壤学学习资源（University of British Columbia's Virtual Soil Science Learning Resources）提供了土壤科学虚拟实验资源，学生可以在此进行虚拟实验和仿真实验。虽然专注于土壤科学，但这个网站为此领域的学习提供了极大的便利，虚拟实验设计得细致且有深度，能帮助学生理解复杂的概念。美国国家科学基金会在其虚拟仿真教学实验计划中已经拨出了大笔经费，鼓励更多的高校采用这种教学方式，以提高学生的学习效率和实验能力。

同时，国内一些重点高校也开始积极引进和应用虚拟仿真实验教学设备，推动课程教学的创新和改革。我国在2021 年7 月启动了虚拟教研室试点工作，首批439 个虚拟教研室获批试点建设。清华大学、北京大学的在线实验平台提供了大量的虚拟实验教学资源，包括物理、化学、生物等多个领域。这个平台不仅为学生提供了丰富的学习资源，还通过模拟实验的形式增强了学生的实践操作能力。类似的还有中国科学技术大学、电子科技大学、南京大学、西安交通大学等高校建成的虚拟实验室基于不同学科优势提供了丰富的仿真实验资源。

总的来看，虚拟仿真实验教学在国内外的应用非常广泛，其在实验内容的丰富性、实验效果的优越性以及实验安全性方面的优势，相较于传统实验教学，都有了显著的提升[5]。其优越性得到了广泛的认知，应用范畴也在逐渐扩大。

2 虚拟仿真实验教学的步骤

2.1 实验前准备

这是教学过程中至关重要的一步，教师需要提前准备好虚拟仿真实验的相关教学资源和工具。教师应设计或选择适合课程内容和学生水平的实验，并制作详细的实验指导书，包括实验目标、操作步骤、预期结果和实验报告的撰写要求等。此外，教师还需要在实验开始之前测试和调试虚拟仿真系统，确保所有设备和软件的正常运行。

2.2 学生实验操作

在实验过程中，学生需要按照实验指导书的指示进行操作。教师应监督学生的操作，并在必要时给予指导和帮助。在实验过程中，学生应充分利用虚拟仿真的特性，如可重复性和灵活性，多次进行实验，通过不断的尝试，掌握实验技能和理解实验原理。

2.3 学生进行实验数据分析

在实验结束后，学生需要收集并分析实验数据。教师应教授学生如何使用数据分析工具，如何理解和解释实验结果。此外，教师还应鼓励学生提出自己的观点和解释，并对其进行批判性思考。

2.4 实验报告撰写

在实验完成之后，学生需要撰写实验报告。实验报告应包括实验的目标、方法、结果和结论等部分。教师应给予学生撰写报告的指导和帮助，包括如何组织和表达思想，如何有效地使用图表和数据等。

2.5 教师考核与评价

在学生提交实验报告后，教师需要对学生的实验操作和实验报告进行评估。教师应给予学生及时和具体的反馈，指出他们在实验操作和报告撰写中的优点和不足，并给予改进的建议。通过这种方式，教师可以鼓励学生进行自我反思和持续改进，从而促进他们的学习和发展。

3 虚拟仿真实验的开展模式

虚拟仿真实验教学已经成为一种新型的教学模式，这种模式可以为学生提供更加可靠和安全的虚拟实验环境。然而，在虚拟仿真实验教学模式中，由于其是基于计算机模拟的实验，可能无法完全替代线下实际操作，因此将虚拟仿真实验教学与线下实际操作相融合可以发挥更大的优势[6-7]。结合现有研究，虚拟仿真教学和线下实操有3 种组合模式：

3.1 前置虚拟实验模式

虚拟实验在线下实验之前进行，学生可以通过虚拟实验先行了解和掌握实验的原理和步骤，然后再进行线下实验。这种模式可以帮助学生减少线下实验中可能出现的错误，提高实验效率。

3.2 后置虚拟实验模式

线下实验在虚拟实验之前进行，学生可以先通过线下实验感受真实的实验环境和操作过程，然后通过虚拟实验对实验进行复习和深化理解。这种模式可以帮助学生巩固实验知识，提高实验能力。

3.3 并行虚拟实验模式

虚拟实验和线下实验同时进行，学生可以根据需要在两种实验之间自由切换，比较和体验两种实验的不同。这种模式可以给学生提供更加丰富和灵活的学习体验。

4 虚拟仿真实验存在的问题

4.1 硬件和软件限制

虚拟仿真实验所需的硬件配置较高，需要有足够的计算能力和储存能力，但不是所有的学校或个人都能承受相应的硬件和软件成本。此外，虚拟仿真实验所用的软件平台的建设和维护需要大量的专业知识和技术，这对教育机构来说也是一大挑战。

4.2 无法完全模拟真实实验

虚拟仿真实验虽然可以模拟真实实验环境，但仍然无法完全代替真实实验。由于物理世界的复杂性，有些实验现象和结果很难用计算机模型来准确模拟。这使得虚拟仿真实验在培养学生的实践操作能力和解决实际问题的能力方面存在一定的局限性。

4.3 用户体验和交互性问题

虽然虚拟仿真实验可以提供视觉和听觉等多模态的感官体验，但仍然无法提供触觉和嗅觉等体验，这使得用户在进行虚拟仿真实验时可能无法得到完整的实验感受。此外，虚拟仿真实验的交互性也有待提高，用户在进行实验操作时可能会感到不自然或者存在困难。

4.4 教学资源和方法问题

虚拟仿真实验需要大量的教学资源，如实验内容、实验步骤和实验数据等。然而，目前虚拟仿真实验的教学资源还相对匮乏，教师和学生可能很难找到适合自己需要的教学资源。此外，虚拟仿真实验的教学方法也需要进一步研究和开发，如何有效地利用虚拟仿真实验来提高教学效果和学生的学习成效仍然是一个重要的课题。

5 展望

拟仿真实验教学模式是现代教育发展的重要组成部分，随着未来科技的迅速发展，虚拟仿真实验教学模式也在不断地改进与完善，以满足不同领域、不同层次的教育需求[8-10]。在未来，虚拟仿真实验教学模式将会迎来更大的发展机遇和挑战，在人工智能时代虚拟仿真实验教学模式也应该围绕以下重点方向发展：

①将云计算和物联网应用于虚拟仿真实验教学。随着云计算和物联网技术的日益成熟，教学方式也正在进行改变。利用这些技术，我们可以构建一个更加稳定和高效的教学环境，为学生提供更加实时和准确的数据分析。

②利用3D 技术提升虚拟仿真实验教学的真实性。3D技术可以使学生在虚拟环境中获得更加真实的体验，这将极大地提高他们的学习兴趣和动力。

③发展虚拟仿真实验教学的智能化和个性化。借助大数据和人工智能技术，我们可以根据每个学生的学习情况和需求提供个性化的教学服务，使教学更加贴近每个学生的实际需求。

④加强虚拟仿真实验教学的互动性和合作性。网络技术可以让学生在虚拟环境中进行团队合作，提高他们的团队协作能力，同时，教师也可以实时参与到学生的学习过程中，为他们提供及时的指导和反馈。