體驗者頭戴VR(虛擬現實)眼鏡,身穿動作捕捉設備,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與教學資源建設論壇現場,來自北京睿格致科技有限公司的渠道經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。
“在現實中,肯定不能讓建筑專業的學生去現場體驗這些危險。”田源向記者介紹說,“但是通過沉浸式的虛擬仿真系統,就可以讓學生很直觀地認識現實中的危險。”
虛擬仿真實驗教學論壇的高教儀器展現場,一名觀眾正在體驗VR(虛擬現實)沉浸式建筑施工現場
在日常生產中,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,相關專業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。雖然在專業學習時,學生們已經了解甚至熟習了事故的處理流程,但由于缺乏實際經驗,能否做到臨危不懼,仍是一個極大的考驗。
現在,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,構建起極具現實感的虛擬場景,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,虛擬現實(VR)無疑是一個熱詞。而虛擬仿真實驗技術——在VR基礎上添加仿真技術,并結合專業理論——則有了更進一步的實踐領域。教育部有關文件表明,虛擬仿真實驗教學依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術,構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象,能夠實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能。學生在虛擬環境中開展實驗,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劃支持下,在高等學校國家級實驗教學示范中心聯席會(簡稱聯席會)的協調推進下,我國高等學校的虛擬仿真實驗教學建設初有成效。三年來,全國高校已經建立了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,或者安全地做現實中很危險的實驗,是虛擬仿真實驗技術在實驗教學中最直接的價值體現。
除了安全事故外,有一些實驗本身就具有較強的危險性。聯席會秘書長、北京大學生命科學學院教授許崇任向記者介紹說:在生物學研究領域,經常需要在生物體內對某些物質進行同位素標記,以研究這些物質在代謝過程中的途徑和運動規律。但是,同位素是有危害的,對環境是有污染的,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可以規避這種危險。
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實踐能力和實用技能的培養。所以利用虛擬仿真技術,讓學生安全地做曾經很危險的實驗,對高校實驗實踐教學的價值不言而喻。
把工廠、醫院和企業“搬到”課堂
節省實驗成本、提高培養效率、增加學生實操經驗,也是虛擬仿真實驗的優勢之一。
北京歐倍爾軟件技術開發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。“食品工程專業的學生需要到企業進行實習,然而在現實中,由于食品生產線制造、保養和維護成本十分昂貴,企業一般不會讓實習學生在生產線上直接操作。”樊友峰說,“三維工廠虛擬仿真則為高校提供了一條新思路。比如,奶粉生產虛擬仿真實驗室可以逼真地模擬奶粉加工生產工藝的開車、停車、正常運行和各種事故狀態。這種現代化的虛擬仿真培訓,無需投料,沒有危險性,節省了大量費用,也提高了培訓效率。真正做到了把‘工廠’搬到學校,實現了教學與就業的零距離。其價值,遠遠超出學生到工廠觀摩。”
在醫學專業教育領域,虛擬仿真實驗也能為學生積累醫療經驗助力。趙章紅是河南恒茂創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,培養一名合格的醫學畢業生,進而培養成合格的醫生,需要長期規范化的培訓和經驗積累。在臨床實習過程中,“準醫生”們很難掌握足夠多的病例和經驗。如果在實驗教學階段就引入相關的虛擬仿真系統,分類別地讓學生進行實驗,反復模擬,對學生醫療經驗的初期儲備和增長大有益處。
虛擬仿真實驗技術在課堂教學中也有應用價值。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“互聯網+”時代的一項風靡的技術,虛擬仿真實驗,對于年輕學生是有天然吸引力的。“現在的學生很適應互聯網的東西,把實驗教學基礎的內容通過‘互聯網化’的方式讓學生學習,能夠保持學生對專業學習的持久興趣。”聯席會工作委員會主任、北京大學實驗室與設備管理部部長張新祥向《新華每日電訊》記者說,“我們要培養學生的創新意識,讓學生了解為什么當初的科學家能夠想到各種創新的理論和技術。這個創新思維過程,在實驗室和實踐過程中更容易也是更應該培養的。而虛擬仿真實驗,就是在傳統實驗教學基礎上搭建了一個新的平臺,應該是大有可為的。”
做虛擬仿真實驗,只是理工科的事情。
真的嗎?
北京潤尼爾網絡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中的知識架構和實驗體系,我們可以發現,文科不僅可以做虛擬仿真實驗,而且很有趣。
潤尼爾公司去年協助建設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的必修課,最好的實驗基地就是考古現場。但是,我國現在考古基地的數量難以滿足需求。再比如,修復珍貴文物時,全國就幾位老專家能夠接觸實物,別說考古專業的學生了,連考古系教師都很難有機會。這些在考古傳統教學領域難以實現的內容,現在都可以通過虛擬仿真實驗實現。
除了考古,法學類、金融類、經濟管理類和物流類等文科專業也可以采用虛擬仿真實驗技術。
高開東是新道科技股份有限公司的一名院校業務顧問。他向記者介紹了一套商業環境虛擬仿真系統。“在這套系統里,我們根據經管類、會計類等專業的學科要求,虛擬仿真了真實公司的實際運作,為學生設計了經理、會計等角色。學生既可以了解每個角色的實際工作,也可以應用課本理論教學內容。”
校企對接怎樣才能不脫節
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,“作為技術提供商的企業,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計源頭來看,高校教師應該處于主導地位。“各個知識點怎樣去講、用什么樣的資源去講、什么樣的方式去講,高校教師是最有發言權的。因此,在虛擬仿真實驗的設計、制作和應用中,他們才是導演、編劇和制片。”陳清奎向記者說。
但高校教師在虛擬仿真實驗建設中仍有缺位。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。而且,虛擬仿真實驗涉及虛擬現實、交互、編程、建模、動畫等內容,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論文上,而對虛擬仿真實驗技術的發展關注較少,不了解企業能夠提供什么東西。
從企業角度看,目前還多只是提供技術,尚未深入到各學科理論知識體系和實驗架構內部。“某個學科的實驗需求可能是小眾的,企業可能看不到,或者看到了理解不了。”張新祥說,“這也是聯席會組織虛擬仿真技術與教學資源建設論壇的原因,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,也出現了一些亂象。由于相關企業多是各自為戰,有時候,很多企業都在做同一個虛擬仿真系統,既造成資源浪費和重復,企業之間也很容易陷入惡性競爭。同時還擔任濟南科明數碼技術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為例。通過這個系統,學導游的學生可以直觀認識全國幾百個景點。但是,有的企業在研發和銷售過程中,卻惡性競爭,大打價格戰,技術又粗糙。這樣,很容易把這個新興產業弄濫弄砸,需要相關部門做好引導。”
教學要“虛實結合,能實不虛”
學者普遍認為,虛擬仿真實驗盡管有很多優點,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,應該根據不同學科的特點,決定虛擬仿真實驗的采用力度。“學農科的學生,怎么能不下地呢?這雖然是一句玩笑話,但也說明,在農業學科領域,很多真實實驗是不能用虛擬仿真實驗代替的。”山東農業大學農業生物學實驗教學中心的李濱教授說。
此外,當前也出現了個別高校“為評而評”的現象。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——實驗場所關閉,實驗設備閑置,達不到應有的效果。
事實上,教育主管部門在推動虛擬仿真實驗教學中心建設之初,就已經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應充分體現“虛實結合、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。”許崇任說。
