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虚拟仿真:真实教学无法做到的它能做

  ▲虚拟仿真实验教学论坛的高教仪器展现场,一名观众正在体验VR(虚拟现实)沉浸式建筑施工现场。记者李洪磊 摄

  体验者头戴VR(虚拟现实)眼镜,身穿动作捕捉设备,就可以十分真切地体验到脚手架倒塌、高层建筑失火、钢筋滑落等施工时的危险场景,并及时采取相应的处理措施。这是4月27日在安徽合肥举行的虚拟仿真技术与教学资源建设论坛现场,来自北京睿格致科技有限公司的渠道经理田源正在向一名体验者演示一套工程事故处理的虚拟仿真系统。

  “在现实中,肯定不能让建筑专业的学生去现场体验这些危险。”田源向《新华每日电讯》记者介绍说,“但是通过沉浸式的虚拟仿真系统,就可以让学生很直观地认识现实中的危险。”

  在日常生产中,诸如建筑工地钢筋滑落、森林火灾、化工厂爆炸等事故和危险并不罕见。但长期以来,相关专业学生对这些事故和危险的认知,大多停留在书本上和前辈的描述中。虽然在专业学习时,学生们已经了解甚至熟习了事故的处理流程,但由于缺乏实际经验,能否做到临危不惧,仍是一个极大的考验。

  现在,高校可以把这些危险和事故“搬进”实验室了——通过虚拟仿真实验技术,构建起极具现实感的虚拟场景,使学生能够在安全状况下了解危险,体验危险,处理危险。

  2016年,虚拟现实(VR)无疑是一个热词。而虚拟仿真实验技术——在VR基础上添加仿真技术,并结合专业理论——则有了更进一步的实践领域。教育部有关文件表明,虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术,构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象,能够实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。学生在虚拟环境中开展实验,达到教学大纲所要求的教学目的。

  在教育部高教司等教育主管部门的规划支持下,在高等学校国家级实验教学示范中心联席会(简称联席会)的协调推进下,我国高等学校的虚拟仿真实验教学建设初有成效。三年来,全国高校已经建立了300个国家级虚拟仿线多个学科类别。

  避免危险,或者安全地做现实中很危险的实验,是虚拟仿真实验技术在实验教学中最直接的价值体现。

  除了安全事故外,有一些实验本身就具有较强的危险性。联席会秘书长、北京大学生命科学学院教授许崇任向记者介绍说:在生物学研究领域,经常需要在生物体内对某些物质进行同位素标记,以研究这些物质在代谢过程中的途径和运动规律。但是,同位素是有危害的,对环境是有污染的,因此过去很多学校都避免同位素的实验。而虚拟仿真实验技术可以规避这种危险。

  放弃具有一定危险性和破坏性的实验项目,不仅影响学生学习和吸收理论知识,也严重影响对其专业实践能力和实用技能的培养。所以利用虚拟仿真技术,让学生安全地做曾经很危险的实验,对高校实验实践教学的价值不言而喻。

  节省实验成本、提高培养效率、增加学生实操经验,也是虚拟仿真实验的优势之一。

  北京欧倍尔软件技术开发有限公司山东分公司负责人樊友峰,向记者介绍了一个食品工程的例子。“食品工程专业的学生需要到企业进行实习,然而在现实中,由于食品生产线制造、保养和维护成本十分昂贵,企业一般不会让实习学生在生产线上直接操作。”樊友峰说,“三维工厂虚拟仿真则为高校提供了一条新思路。比如,奶粉生产虚拟仿真实验室可以逼真地模拟奶粉加工生产工艺的开车、停车、正常运行和各种事故状态。这种现代化的虚拟仿真培训,无需投料,没有危险性,节省了大量费用,也提高了培训效率。真正做到了把‘工厂’搬到学校,实现了教学与就业的零距离。其价值,远远超出学生到工厂观摩。”

  在医学专业教育领域,虚拟仿真实验也能为学生积累医疗经验助力。赵章红是河南恒茂创远科技股份有限公司的负责人。他向《新华每日电讯》记者介绍说,培养一名合格的医学毕业生,进而培养成合格的医生,需要长期规范化的培训和经验积累。在临床实习过程中,“准医生”们很难掌握足够多的病例和经验。如果在实验教学阶段就引入相关的虚拟仿真系统,分类别地让学生进行实验,反复模拟,对学生医疗经验的初期储备和增长大有益处。

  虚拟仿真实验技术在课堂教学中也有应用价值。山东建筑大学的陈清奎教授就向《新华每日电讯》记者在手机上演示了一门机械课程的3D教学。使用者在手机上安装与这门课程匹配的APP后,用手机摄像头扫描教材上的机械零件图片,就可以在手机上观看3D版本的零件图片,并可以对零件进行拆分和组装。

  作为“互联网+”时代的一项风靡的技术,虚拟仿真实验,对于年轻学生是有天然吸引力的。“现在的学生很适应互联网的东西,把实验教学基础的内容通过‘互联网化’的方式让学生学习,能够保持学生对专业学习的持久兴趣。”联席会工作委员会主任、北京大学实验室与设备管理部部长张新祥向《新华每日电讯》记者说,“我们要培养学生的创新意识,让学生了解为什么当初的科学家能够想到各种创新的理论和技术。这个创新思维过程,在实验室和实践过程中更容易也是更应该培养的。而虚拟仿真实验,就是在传统实验教学基础上搭建了一个新的平台,应该是大有可为的。”

  北京润尼尔网络科技有限公司的营销副总罗浩刚向《新华每日电讯》记者介绍说,在传统教育理念里,与理工科相比,文科是不需要做实验的,何况是虚拟仿真实验。但是,如果梳理一下一些文科专业中的知识架构和实验体系,我们可以发现,文科不仅可以做虚拟仿真实验,而且很有趣。

  润尼尔公司去年协助建设了北京大学考古虚拟仿真实验教学中心。罗浩刚说,田野考古是考古专业的必修课,最好的实验基地就是考古现场。但是,我国现在考古基地的数量难以满足需求。再比如,修复珍贵文物时,全国就几位老专家能够接触实物,别说考古专业的学生了,连考古系教师都很难有机会。这些在考古传统教学领域难以实现的内容,现在都可以通过虚拟仿真实验实现。

  除了考古,法学类、金融类、经济管理类和物流类等文科专业也可以采用虚拟仿真实验技术。

  高开东是新道科技股份有限公司的一名院校业务顾问。他向记者介绍了一套商业环境虚拟仿真系统。“在这套系统里,我们根据经管类、会计类等专业的学科要求,虚拟仿真了真实公司的实际运作,为学生设计了经理、会计等角色。学生既可以了解每个角色的实际工作,也可以应用课本理论教学内容。”

  虚拟仿真实验作为真实实验的有益补充,越来越得到认可。但目前看来,“作为技术提供商的企业,与作为资源提供者的高校之间,在对接上还存在一些问题。”张新祥说。

  从一项虚拟仿真实验的设计源头来看,高校教师应该处于主导地位。“各个知识点怎样去讲、用什么样的资源去讲、什么样的方式去讲,高校教师是最有发言权的。因此,在虚拟仿真实验的设计、制作和应用中,他们才是导演、编剧和制片。”陈清奎向记者说。

  但高校教师在虚拟仿真实验建设中仍有缺位。在陈清奎看来,原因是多方面的。首先,虚拟仿真实验对于教师来讲也是一个全新的东西,需要花时间适应。而且,虚拟仿真实验涉及虚拟现实、交互、编程、建模、动画等内容,不可能指望一个教师能掌握如此多的知识。此外,很多教师把时间和精力放在评职称和发论文上,而对虚拟仿真实验技术的发展关注较少,不了解企业能够提供什么东西。

  从企业角度看,目前还多只是提供技术,尚未深入到各学科理论知识体系和实验架构内部。“某个学科的实验需求可能是小众的,企业可能看不到,或者看到了理解不了。”张新祥说,“这也是联席会组织虚拟仿真技术与教学资源建设论坛的原因,就是希望为双方搭建一个合作平台。”

  除了校企对接不畅外,在虚拟仿真实验教学软硬件市场中,也出现了一些乱象。由于相关企业多是各自为战,有时候,很多企业都在做同一个虚拟仿真系统,既造成资源浪费和重复,企业之间也很容易陷入恶性竞争。同时还担任济南科明数码技术股份有限公司的主要负责人的陈清奎教授,就向记者举了一个例子。“以旅游景点的导游仿真教学系统为例。通过这个系统,学导游的学生可以直观认识全国几百个景点。但是,有的企业在研发和销售过程中,却恶性竞争,大打价格战,技术又粗糙。这样,很容易把这个新兴产业弄滥弄砸,需要相关部门做好引导。”

  学者普遍认为,虚拟仿真实验尽管有很多优点,但也只能处于补充和辅助教学的地位。来自中国石油大学的几位学者在一篇文章中指出,“如果完全用仿真实验来进行教学,会弱化学生对仪器设备的真实感受,不利于学生对基本实验操作技能的学习和掌握。”

  因此,很多高校教师向记者表示,应该根据不同学科的特点,决定虚拟仿真实验的采用力度。“学农科的学生,怎么能不下地呢?这虽然是一句玩笑话,但也说明,在农业学科领域,很多真实实验是不能用虚拟仿真实验代替的。”山东农业大学农业生物学实验教学中心的李滨教授说。

  此外,当前也出现了个别高校“为评而评”的现象。如果某高校虚拟仿真实验教学中心获评为国家级,就可能获得更多的课题经费、知名度等收益。因此,很多学校都在努力申报。但申报成功后,一些虚拟中心却陷入了“僵尸”状态——实验场所关闭,实验设备闲置,达不到应有的效果。

  事实上,教育主管部门在推动虚拟仿真实验教学中心建设之初,就已经明确了一系列的准入门槛和指导原则,制定了包含近30项标准的国家级虚拟仿真实验教学中心遴选要求,基本涵盖了可能遇到的问题。教育部要求,虚拟仿真实验教学中心建设应充分体现“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则——即虚拟仿真实验和真实实验要有机结合,能够做真实实验的就不采用虚拟仿真。这个原则所表明的,正是“要避免一窝蜂地脱离真实实验。”许崇任说。(记者李洪磊)

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