天津高职院校虚拟仿真实验室的建设思考
张爱鹏
（天津职业大学，天津）
摘 要： 随着虚拟现实技术的发展，高职院校虚拟仿真实验教学在教学实践过程中发挥着重要作用。但其无论是在实验条件，还是在实验安全性方面与国外院校相比都存在着一定差距。本文通过对国内外高校虚拟仿真实验室建设的现状进行比较，以南开大学虚拟仿真实验室安全教育培训系统为例，对天津高职院校虚拟仿真实验室的建设提出策略建议，进而积极推进天津高职院校实验教学的创新。
关键词： 高职院校；虚拟现实；虚拟仿真实验室；建设
随着科学技术（VR）的快速发展，虚拟仿真技术的应用越来越广泛，它可以完成许多传统实验室无法操作实施的教学实验。尤其是在教育领域，虚拟仿真的应用越来越受到高校的重视。教育部2013年出台诸多推动举措，积极开展高职院校虚拟仿真实验室的开发与建设。天津高职院校众多，专业丰富，虚拟仿真实验教学的使用频率也越来越高。
一 相关概念
（一） 虚拟现实的概念
虚拟现实(Virtual Reality，VR)是一种利用计算机技术创建模拟和体验虚拟世界的计算机系统。用户通过交互设备的相互作用使之沉浸在逼真的虚拟环境中，从而使得用户产生身临其境感的交互式视景仿真和信息交流。[1]
（二） 虚拟仿真的概念
虚拟仿真：也称为仿真技术或模拟技术。它是用一个虚拟系统模仿一个真实系统的技术，通过虚拟创建能够让人体验虚拟世界的计算机系统。这个系统可以再现真实现实世界，也可以是一个虚拟构想的世界。它可以让用户借助视听觉和触觉等多种感官与虚拟世界进行交互沟通，也就是说它是以仿真的方式给用户创造一个三维虚拟世界，并能够实时反映实体对象变化与相互作用。虚拟仿真可以通过头盔显示器（HMD）、数据手套等辅助传感设备，提供用户一个观测与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可直接以沉浸方式参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化。
（三） 虚拟实验室的概念
虚拟实验室是基于虚拟现实技术（VR）、网络技术（Web）和多媒体技术建构的真实模拟大型实验设备或场景的网络化虚拟实验教学系统，将现有的多种教学和实验设备以及实验室进行数字化和虚拟化。虚拟仿真实验教学目的是实现真实实验不具备或难以完成的教学情境。虚拟仿真实验室可以有效控制实验成本，提供实验条件，为使用人员提供可靠、安全和经济的实验项目。
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二 国内外虚拟仿真实验室现状及存在问题
（一） 国外虚拟仿真实验室的现状
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与国外相比，国内院校虚拟仿真实验室仍存在一定的差距。但由于教育部政策的支持，也都正如火如荼地兴建之中。比如北京大学利用沉浸式系统，构建了沉浸式虚拟现实展示交互实验室，它的原理就是结合 G-Motion 光学位置追踪系统而完成的。清华大学为进行应用材料的快速成型与虚拟制造的实验，而构建成型制造模拟仿真三维虚拟现实实验室，它就是通过搭建一面墙虚拟现实投影系统和多人异地协同设计而完成的。上海交通大学则建设集教学、实训、实践、科研相结合的大型虚拟教育实验中心。 [2]
表1 国外高校实验室开发主要类别和形式
（二） 国内虚拟仿真实验室的现状
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传统实验室的实验教学与虚拟实验室的实验教学存在一定的差异化，虚拟实验的“虚”实验对于部分年龄较大的教师群体难以适应，这就需要培养一支年轻的专业虚拟教师队伍。首先，既要制定实验室教师的岗位职责，又要合理制定有效的考评标准，通过设立实验技术奖项调动实验人员技术革新的积极性。只有加强管理实验教师队伍的绩效考核工作，才能保证教学资源的充分使用以及资源的共享。其次，鼓励多学科多专业的青年教师积极参与虚拟仿真实验项目的设计与制作。总之，一支过硬的虚拟仿真教学团队需要教师挖掘新的学习渠道，不断健全教学制度和规范。
三 高职院校虚拟仿真实验室建设的必要性
虚拟仿真实验室是有效结合虚拟仿真技术、计算机技术和多种学科专业知识相融合的产物。其建设的必要性主要体现在以下几个方面：
（一） 有效缓解高职院校实验室使用不足的问题
随着国家高校不断扩招，频现学生人数增速过快与传统实验室使用不足之间的矛盾，并且这种矛盾日益突出。尤其是一些专业实验室的实验设备价格较高，实验环境要求严格的，如反射性实验等受到实验空间、实验时间、实验内容等现实条件的限制，很多常规实验无法操作实施。通过运用虚拟仿真实验室模拟真实的大型实验仪器设备和实验场景，能使学生在虚拟环境下进行实验操作，以达到实验的目的。
（二） 提升高职院校实验室的开放共享程度
高职院校虚拟仿真实验室建设与持续发展离不开严谨的科学管理制度。建立健全合理机制能够有效推进实验室的持续发展。高职院校虚拟仿真实验室在管理模式上可以采用两级管理，即校长统一领导，各主管院长或实验室主任负责。实验室在管理原则上要坚持以学生为本，有效规范机构设置、信息化管理、经费保障制度。因此，组件虚拟仿真实验室建设要有详细的监督机制，也有定期开展考核工作。比如在虚拟仿真实验室利用率，实验内容的制作与更新等方面进行考核监督，给“门面工程型”虚拟仿真实验室施加压力，促使“僵尸型”虚拟仿真实验室发挥应有的功能。
（三） 加强高职院校多学科跨专业交叉融合
供应商是根据使用单位的意见和安全工器具厂家的宣传来确定的，在安全工器具的采购过程中，经常会出现对生产厂家了解不彻底，对工器具的质量没有仔细的进行检查就购进的问题，使得安全工器具的质量得不到保证，在使用很容易出现质量问题；还有就是安全工器具在使用过程中使用不当，不按照安全工器具的要求进行使用，例如不系安全带、不戴安全帽等现象很容易出现伤亡事故。
四 天津高职院校虚拟仿真实验室建设系统
（一） 拟定相关虚拟仿真实验室的管理制度
院校通过面向全校师生对虚拟仿真实验室实行合理有效的开放运行机制，既服务实验教学计划项目，又服务师生自主设计的创新性实验项目，甚至加大与周边院校的合作共享。比如在天津海河教育园的多所高职院校中可实现虚拟实验室的资源共享，可避免不必要的重复实验过程，实现优势互补。首先是对教师科研工作的开放：在确保本科教学的前提下由管理人员统一协调安排实验场地和仪器设备供科研教师使用，大大提升实验室的使用效率，为教师科研项目提供必要的实验需求。其次是对于毕业生开放：在学生毕业设计环节期间，针对学生适时开放，为学生毕业论文撰写提供必要的实验需求，有效提高学生毕业作品和论文质量。
国外具有代表性的有美国耶鲁大学的虚拟实验室，它侧重于虚拟实验室的可移动性和及时性，尤其是在分子生物学和细胞生物学等专业上利用PAD的移动应用程序对相关数据进行记录和分析并完成相关实验，也可具备存档其图像和资料的功能。英国 Open University 的开放科学实验室可以通过遥控仪器实现远程实验，利用网络应用和虚拟现实技术在线共享虚拟仪器设备，最为难得的是虚拟显微镜在该实验室中的有效使用，避免了购买昂贵显微镜和切片标本制作费用，并能提供现今世界各地博物馆和研究机构存放的地质标本。西班牙 IE 学院关注研究的是教育游戏类软件，学生可以在该软件中担任英国首相等各个重要部门领导，虚拟制定关乎国家经济和政治的重大议题，也可以虚拟组成“议会”制定政策。
加强高职院校多学科跨专业交叉融合，提高受益面的广泛性。虚拟仿真技术融合多学科多专业知识，可以应用到多个专业学科，也将得到较好的广泛使用。比如在计算机领域、机械工程领域、旅游管理领域以及艺术设计、电影艺术、心理治疗和医学康复训练等领域都可以得到很好的综合利用。[3]天津各个高职院校都在积极打造特色专业，但大部分只是针对单个专业进行建设，并侧重于理工类虚拟仿真实验室，而文科类得到的重视不够，实验室的建设少之又少，甚至有些院校建立多个理工学科的虚拟仿真实验室，不利于多个信息技术的整合以至于造成软硬件的资源浪费。[4]
（二） 加强虚拟仿真实验室的师资队伍建设
综合上述可见：随着网络技术和虚拟仿真技术的快速发展，虚拟教学手段可以改善教学过程中的教学效果，但仍存在一定不足之处：第一，大部分虚拟仿真实验室是在本科院校建设的较多，在高职院校中建设的少之又少。第二，部分院校也有实验室计算机硬件设备陈旧老化，软件网络资源欠缺而导致虚拟平台运行速度缓慢的问题；第三，虚拟仿真实训平台使用率不高，甚至是无法充分利用平台资源。以上都是未来高职院校虚拟实验室建设中需要重视的重点问题。
（三） 联盟开放虚拟仿真实验室的资源共享
第一，天津高职院校虚拟仿真实验可以建立一个联盟交流机制，建立资源共享平台系统。天津教委职教处可以作为平台的宏观管理部门，首要任务是合理制定平台的发展规划、管理政策和标准规范，并组织开展平台运行服务评价考核工作。同时，各所高职打破院校保护主义，由平台管理部门提出相应的鼓励政策，鼓励各个院校在平台上实现共享自身的虚拟仿真实验室的教学资源，形成优势互补，最终实现天津市的虚拟仿真实验教学水平均衡发展。
高潮听“诗的妾”讲述她老公那些风花雪月的故事，不知何故，心里竟悄然腾起一丝酸溜溜的滋味。高潮忍不住敲出了一句疑问，发了过去：你真有一位这样的老公？不会和我一样，都是虚拟世界里的角色吧？
第二，具有示范性的虚拟仿真实验室在天津高职院校中具有一定的引领示范作用，并能较好地发挥其功能性，并能辐射周边地区及偏远地区院校，并实现虚拟仿真实验资源的有效共享。例如天津的实验室的实验资源和师资力量与对口的甘肃、西藏等地区结成一个联盟，实现资源共享，则会提高全国高职院校在虚拟真实验室的整体发展水平。
以南开大学的高校安全实验室为例（图1），该实验室以虚拟现实VR技术创新科技，开了安全宣教新模式，利用VR技术还原事故现场，比起增强现实的形式更具沉浸感，通过身临其境的临场感和现场感，让使用者亲身体验真实的事故过程和现场情景，从思想上高度认识事故危害。如果将这个虚拟实验室的实验资源通过共享，可以应用天津或偏远地区的其它院校就可以有效提高虚拟实验室的利用率。
图1 南开大学的高校安全虚拟仿真实验室系统培训项目
五 总结
虚拟仿真实验室是高校实验室未来建设的重点发展方向，它具备传统实验室所未有的优势，可以作为传统实验室的补充，但无法取代传统实验室。它的建设维护成本低，平台扩展性好，利用率较高等优势，可以与传统实验室做到“虚实结合，相辅相成。因此，天津高职院校虚拟仿真实验室的建设将会推进虚拟仿真实验教学的有序提升。
参考文献
[1] 冯珊珊. 国内外虚拟实验室建设的比较研究[J]. 新校园(阅读),2016(5).
[2] 王慧,白红英,马丽.高校虚拟仿真实验室的建设与改革研究[J]教育教学研究，2019（22）：216.
[3] 段夏川,白鹏.建设开放式虚拟仿真实验平台，探索创新人才培养模式[J].信息与电脑，2017，(17):238-240.
[4] 孙淳.国家级虚拟仿真实验教学中心分布特点与立项建议[J/OL].实验科学与技术，[2018-04-10].
[5] 郭鹏.浅析虚拟仿真摄影实验室的设计与实现[J].教育现代化,2019,6(28):115-117.
本文引用格式： 张爱鹏.天津高职院校虚拟仿真实验室的建设思考[J]. 教育现代化，2019，6（57）：115-117.
DOI： 10.16541/j.cnki.2095-8420.2019.57.038
基金项目： 本文系天津市科委“天津市企业科技特派员项目”的研究成果。（合同编号:18JCTPJC58600）。
作者简介： 张爱鹏，男，天津人，天津职业大学艺术工程学院 副教授，硕士研究生。研究方向：视觉传达设计应用。