體驗者頭戴VR(虛擬現(xiàn)實)眼鏡,身穿動作捕捉設(shè)備,就可以十分真切地體驗到腳手架倒塌、高層建筑失火、鋼筋滑落等施工時的危險場景,并及時采取相應(yīng)的處理措施。這是4月27日在安徽合肥舉行的虛擬仿真技術(shù)與教學資源建設(shè)論壇現(xiàn)場,來自北京睿格致科技有限公司的渠道經(jīng)理田源正在向一名體驗者演示一套工程事故處理的虛擬仿真系統(tǒng)。
“在現(xiàn)實中,肯定不能讓建筑專業(yè)的學生去現(xiàn)場體驗這些危險。”田源向記者介紹說,“但是通過沉浸式的虛擬仿真系統(tǒng),就可以讓學生很直觀地認識現(xiàn)實中的危險�！�
虛擬仿真實驗教學論壇的高教儀器展現(xiàn)場,一名觀眾正在體驗VR(虛擬現(xiàn)實)沉浸式建筑施工現(xiàn)場
在日常生產(chǎn)中,諸如建筑工地鋼筋滑落、森林火災、化工廠爆炸等事故和危險并不罕見。但長期以來,相關(guān)專業(yè)學生對這些事故和危險的認知,大多停留在書本上和前輩的描述中。雖然在專業(yè)學習時,學生們已經(jīng)了解甚至熟習了事故的處理流程,但由于缺乏實際經(jīng)驗,能否做到臨危不懼,仍是一個極大的考驗。
現(xiàn)在,高校可以把這些危險和事故“搬進”實驗室了——通過虛擬仿真實驗技術(shù),構(gòu)建起極具現(xiàn)實感的虛擬場景,使學生能夠在安全狀況下了解危險,體驗危險,處理危險。
讓學生安全地體驗危險
2016年,虛擬現(xiàn)實(VR)無疑是一個熱詞。而虛擬仿真實驗技術(shù)——在VR基礎(chǔ)上添加仿真技術(shù),并結(jié)合專業(yè)理論——則有了更進一步的實踐領(lǐng)域。教育部有關(guān)文件表明,虛擬仿真實驗教學依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù),構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象,能夠?qū)崿F(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學功能。學生在虛擬環(huán)境中開展實驗,達到教學大綱所要求的教學目的。
在教育部高教司等教育主管部門的規(guī)劃支持下,在高等學校國家級實驗教學示范中心聯(lián)席會(簡稱聯(lián)席會)的協(xié)調(diào)推進下,我國高等學校的虛擬仿真實驗教學建設(shè)初有成效。三年來,全國高校已經(jīng)建立了300個國家級虛擬仿真實驗中心,覆蓋了27個省份,204所高校,涵蓋40多個學科類別。
避免危險,或者安全地做現(xiàn)實中很危險的實驗,是虛擬仿真實驗技術(shù)在實驗教學中最直接的價值體現(xiàn)。
除了安全事故外,有一些實驗本身就具有較強的危險性。聯(lián)席會秘書長、北京大學生命科學學院教授許崇任向記者介紹說:在生物學研究領(lǐng)域,經(jīng)常需要在生物體內(nèi)對某些物質(zhì)進行同位素標記,以研究這些物質(zhì)在代謝過程中的途徑和運動規(guī)律。但是,同位素是有危害的,對環(huán)境是有污染的,因此過去很多學校都避免同位素的實驗。而虛擬仿真實驗技術(shù)可以規(guī)避這種危險。
放棄具有一定危險性和破壞性的實驗項目,不僅影響學生學習和吸收理論知識,也嚴重影響對其專業(yè)實踐能力和實用技能的培養(yǎng)。所以利用虛擬仿真技術(shù),讓學生安全地做曾經(jīng)很危險的實驗,對高校實驗實踐教學的價值不言而喻。
把工廠、醫(yī)院和企業(yè)“搬到”課堂
節(jié)省實驗成本、提高培養(yǎng)效率、增加學生實操經(jīng)驗,也是虛擬仿真實驗的優(yōu)勢之一。
北京歐倍爾軟件技術(shù)開發(fā)有限公司山東分公司負責人樊友峰,向記者介紹了一個食品工程的例子�！笆称饭こ虒I(yè)的學生需要到企業(yè)進行實習,然而在現(xiàn)實中,由于食品生產(chǎn)線制造、保養(yǎng)和維護成本十分昂貴,企業(yè)一般不會讓實習學生在生產(chǎn)線上直接操作�！狈逊逭f,“三維工廠虛擬仿真則為高校提供了一條新思路。比如,奶粉生產(chǎn)虛擬仿真實驗室可以逼真地模擬奶粉加工生產(chǎn)工藝的開車、停車、正常運行和各種事故狀態(tài)。這種現(xiàn)代化的虛擬仿真培訓,無需投料,沒有危險性,節(jié)省了大量費用,也提高了培訓效率。真正做到了把‘工廠’搬到學校,實現(xiàn)了教學與就業(yè)的零距離。其價值,遠遠超出學生到工廠觀摩�！�
在醫(yī)學專業(yè)教育領(lǐng)域,虛擬仿真實驗也能為學生積累醫(yī)療經(jīng)驗助力。趙章紅是河南恒茂創(chuàng)遠科技股份有限公司的負責人。他向《新華每日電訊》記者介紹說,培養(yǎng)一名合格的醫(yī)學畢業(yè)生,進而培養(yǎng)成合格的醫(yī)生,需要長期規(guī)范化的培訓和經(jīng)驗積累。在臨床實習過程中,“準醫(yī)生”們很難掌握足夠多的病例和經(jīng)驗。如果在實驗教學階段就引入相關(guān)的虛擬仿真系統(tǒng),分類別地讓學生進行實驗,反復模擬,對學生醫(yī)療經(jīng)驗的初期儲備和增長大有益處。
虛擬仿真實驗技術(shù)在課堂教學中也有應(yīng)用價值。山東建筑大學的陳清奎教授就向《新華每日電訊》記者在手機上演示了一門機械課程的3D教學。使用者在手機上安裝與這門課程匹配的APP后,用手機攝像頭掃描教材上的機械零件圖片,就可以在手機上觀看3D版本的零件圖片,并可以對零件進行拆分和組裝。
作為“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的一項風靡的技術(shù),虛擬仿真實驗,對于年輕學生是有天然吸引力的�！艾F(xiàn)在的學生很適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)的東西,把實驗教學基礎(chǔ)的內(nèi)容通過‘互聯(lián)網(wǎng)化’的方式讓學生學習,能夠保持學生對專業(yè)學習的持久興趣�！甭�(lián)席會工作委員會主任、北京大學實驗室與設(shè)備管理部部長張新祥向《新華每日電訊》記者說,“我們要培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識,讓學生了解為什么當初的科學家能夠想到各種創(chuàng)新的理論和技術(shù)。這個創(chuàng)新思維過程,在實驗室和實踐過程中更容易也是更應(yīng)該培養(yǎng)的。而虛擬仿真實驗,就是在傳統(tǒng)實驗教學基礎(chǔ)上搭建了一個新的平臺,應(yīng)該是大有可為的�！�
做虛擬仿真實驗,只是理工科的事情。
真的嗎?
北京潤尼爾網(wǎng)絡(luò)科技有限公司的營銷副總羅浩剛向《新華每日電訊》記者介紹說,在傳統(tǒng)教育理念里,與理工科相比,文科是不需要做實驗的,何況是虛擬仿真實驗。但是,如果梳理一下一些文科專業(yè)中的知識架構(gòu)和實驗體系,我們可以發(fā)現(xiàn),文科不僅可以做虛擬仿真實驗,而且很有趣。
潤尼爾公司去年協(xié)助建設(shè)了北京大學考古虛擬仿真實驗教學中心。羅浩剛說,田野考古是考古專業(yè)的必修課,最好的實驗基地就是考古現(xiàn)場。但是,我國現(xiàn)在考古基地的數(shù)量難以滿足需求。再比如,修復珍貴文物時,全國就幾位老專家能夠接觸實物,別說考古專業(yè)的學生了,連考古系教師都很難有機會。這些在考古傳統(tǒng)教學領(lǐng)域難以實現(xiàn)的內(nèi)容,現(xiàn)在都可以通過虛擬仿真實驗實現(xiàn)。
除了考古,法學類、金融類、經(jīng)濟管理類和物流類等文科專業(yè)也可以采用虛擬仿真實驗技術(shù)。
高開東是新道科技股份有限公司的一名院校業(yè)務(wù)顧問。他向記者介紹了一套商業(yè)環(huán)境虛擬仿真系統(tǒng)�！霸谶@套系統(tǒng)里,我們根據(jù)經(jīng)管類、會計類等專業(yè)的學科要求,虛擬仿真了真實公司的實際運作,為學生設(shè)計了經(jīng)理、會計等角色。學生既可以了解每個角色的實際工作,也可以應(yīng)用課本理論教學內(nèi)容。”
校企對接怎樣才能不脫節(jié)
虛擬仿真實驗作為真實實驗的有益補充,越來越得到認可。但目前看來,“作為技術(shù)提供商的企業(yè),與作為資源提供者的高校之間,在對接上還存在一些問題。”張新祥說。
從一項虛擬仿真實驗的設(shè)計源頭來看,高校教師應(yīng)該處于主導地位�！案鱾�知識點怎樣去講、用什么樣的資源去講、什么樣的方式去講,高校教師是最有發(fā)言權(quán)的。因此,在虛擬仿真實驗的設(shè)計、制作和應(yīng)用中,他們才是導演、編劇和制片�！标惽蹇蛴浾哒f。
但高校教師在虛擬仿真實驗建設(shè)中仍有缺位。在陳清奎看來,原因是多方面的。首先,虛擬仿真實驗對于教師來講也是一個全新的東西,需要花時間適應(yīng)。而且,虛擬仿真實驗涉及虛擬現(xiàn)實、交互、編程、建模、動畫等內(nèi)容,不可能指望一個教師能掌握如此多的知識。此外,很多教師把時間和精力放在評職稱和發(fā)論文上,而對虛擬仿真實驗技術(shù)的發(fā)展關(guān)注較少,不了解企業(yè)能夠提供什么東西。
從企業(yè)角度看,目前還多只是提供技術(shù),尚未深入到各學科理論知識體系和實驗架構(gòu)內(nèi)部。“某個學科的實驗需求可能是小眾的,企業(yè)可能看不到,或者看到了理解不了�！睆埿孪檎f,“這也是聯(lián)席會組織虛擬仿真技術(shù)與教學資源建設(shè)論壇的原因,就是希望為雙方搭建一個合作平臺。”
除了校企對接不暢外,在虛擬仿真實驗教學軟硬件市場中,也出現(xiàn)了一些亂象。由于相關(guān)企業(yè)多是各自為戰(zhàn),有時候,很多企業(yè)都在做同一個虛擬仿真系統(tǒng),既造成資源浪費和重復,企業(yè)之間也很容易陷入惡性競爭。同時還擔任濟南科明數(shù)碼技術(shù)股份有限公司的主要負責人的陳清奎教授,就向記者舉了一個例子。“以旅游景點的導游仿真教學系統(tǒng)為例。通過這個系統(tǒng),學導游的學生可以直觀認識全國幾百個景點。但是,有的企業(yè)在研發(fā)和銷售過程中,卻惡性競爭,大打價格戰(zhàn),技術(shù)又粗糙。這樣,很容易把這個新興產(chǎn)業(yè)弄濫弄砸,需要相關(guān)部門做好引導�！�
教學要“虛實結(jié)合,能實不虛”
學者普遍認為,虛擬仿真實驗盡管有很多優(yōu)點,但也只能處于補充和輔助教學的地位。來自中國石油大學的幾位學者在一篇文章中指出,“如果完全用仿真實驗來進行教學,會弱化學生對儀器設(shè)備的真實感受,不利于學生對基本實驗操作技能的學習和掌握�！�
因此,很多高校教師向記者表示,應(yīng)該根據(jù)不同學科的特點,決定虛擬仿真實驗的采用力度。“學農(nóng)科的學生,怎么能不下地呢?這雖然是一句玩笑話,但也說明,在農(nóng)業(yè)學科領(lǐng)域,很多真實實驗是不能用虛擬仿真實驗代替的。”山東農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)生物學實驗教學中心的李濱教授說。
此外,當前也出現(xiàn)了個別高�！盀樵u而評”的現(xiàn)象。如果某高校虛擬仿真實驗教學中心獲評為國家級,就可能獲得更多的課題經(jīng)費、知名度等收益。因此,很多學校都在努力申報。但申報成功后,一些虛擬中心卻陷入了“僵尸”狀態(tài)——實驗場所關(guān)閉,實驗設(shè)備閑置,達不到應(yīng)有的效果。
事實上,教育主管部門在推動虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)之初,就已經(jīng)明確了一系列的準入門檻和指導原則,制定了包含近30項標準的國家級虛擬仿真實驗教學中心遴選要求,基本涵蓋了可能遇到的問題。教育部要求,虛擬仿真實驗教學中心建設(shè)應(yīng)充分體現(xiàn)“虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛”的原則——即虛擬仿真實驗和真實實驗要有機結(jié)合,能夠做真實實驗的就不采用虛擬仿真。這個原則所表明的,正是“要避免一窩蜂地脫離真實實驗�！痹S崇任說。
