原創(chuàng)田曉麗清華青年
“王祥榮提到，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教育信息化的一個(gè)有效手段，用在教學(xué)方面，可以補(bǔ)充實(shí)體教學(xué)的不足，節(jié)省成本。科研和教學(xué)相輔相成，在研制平臺的過程中也會結(jié)合科研工作的需求，二者互相推動(dòng)。在建設(shè)平臺時(shí)融入國家的重大項(xiàng)目，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)，也可以啟發(fā)和補(bǔ)助科研的不足，提供創(chuàng)新思維。”
同濟(jì)青年記者田曉麗主筆
同濟(jì)青年記者姚泓旭報(bào)導(dǎo)
同濟(jì)青年記者陸寧玥編輯
在水環(huán)境安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，老師講解完實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒊绦蚺c知識點(diǎn)，中學(xué)生就可以按照班主任的指導(dǎo)和網(wǎng)上指令，操控著“虛擬人”或按實(shí)驗(yàn)步驟，選擇從陸路或則乘船步入虛擬的試驗(yàn)地區(qū)，如河口或湖泊河流，進(jìn)行取樣、運(yùn)輸，之后回到“實(shí)驗(yàn)室”進(jìn)行剖析、測試與估算，完成和遞交在線實(shí)驗(yàn)報(bào)告。
在“模擬實(shí)驗(yàn)室”中操作時(shí)，發(fā)覺室外有一個(gè)容易引起火災(zāi)的可燃火點(diǎn)，中學(xué)生按照規(guī)范的操作程序采取防火滅火舉措，并把這種步驟與過程同步記錄在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中……
據(jù)清華學(xué)院國家級環(huán)境科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心院長王祥榮介紹，以前頗受時(shí)空限制的課堂實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在中學(xué)生完成只須要一臺筆記本：選擇相關(guān)課程的中學(xué)生步入中學(xué)實(shí)驗(yàn)室，戴上VR墨鏡，在聲控條件良好的實(shí)驗(yàn)空間中就可以開始一場寓教于樂、寓教于行、“以虛補(bǔ)實(shí)”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。
▲復(fù)旦學(xué)院環(huán)境科學(xué)水環(huán)境生態(tài)安全評估虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)頁面。/圖源：王祥榮
虛擬仿真，因“科”而異
提起“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”，許多朋友仍是一頭霧水，甚至沒有據(jù)說過。王祥榮介紹環(huán)境科學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺：“依托VR、AR、AI人工智能技術(shù)，借助3Dmax、計(jì)算機(jī)的虛擬仿真模型、相關(guān)語言等等，來建構(gòu)一種教學(xué)或則是科研的平臺。”
2015年，國務(wù)院統(tǒng)籌推動(dòng)建設(shè)世界一流學(xué)院和一流學(xué)科，奏響了中國院校沖刺國際前列、打造世界頂級學(xué)府和頂級學(xué)科的“沖鋒號”。2017年，國家即將公布世界一流學(xué)院和一流學(xué)科建設(shè)院校及建設(shè)學(xué)科名單。
2015年，國家教育部在全省內(nèi)篩選批準(zhǔn)100個(gè)國家級的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，我國虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提上議題。同年，清華學(xué)院環(huán)境科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心創(chuàng)立，成為環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域第一個(gè)獲得國家批準(zhǔn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。化學(xué)系也成功申請了國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。
2017年，國家調(diào)整新政，為各大院校的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)提供支持項(xiàng)目。“雙一流”建設(shè)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)這兩條相仿起點(diǎn)出發(fā)的線絡(luò)，互相交織，共同前行。清華學(xué)院響應(yīng)國家呼吁，在國家新政的指引下，促使虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)有序展開，促使一流學(xué)科建設(shè)與學(xué)科交叉融合。
目前，我校的文理醫(yī)工等多個(gè)系科都在不同程度上開辦了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程。在中學(xué)總的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺（以下簡稱“ilab平臺”）之下，設(shè)分多個(gè)子平臺，交由各系分別建設(shè)，例如病理系、環(huán)境科學(xué)與工程系、物理系、核科學(xué)與技術(shù)系、公共衛(wèi)生、電子信息等等。中學(xué)給與各院系資金支持、資源鏈接，落實(shí)專門的技術(shù)團(tuán)隊(duì)協(xié)助，解決在項(xiàng)目開發(fā)中的各類技術(shù)問題，維護(hù)和保障服務(wù)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
哪些樣的實(shí)驗(yàn)會開辦“虛擬仿真”實(shí)驗(yàn)課程呢？
“在操作過程中可能有危險(xiǎn)，但又是十分必須的實(shí)驗(yàn)，這些很重要、但就目前條件來說難以在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行大規(guī)模舉辦的實(shí)驗(yàn)——比如資金不足或場地有限，都須要進(jìn)行虛擬仿真。”基礎(chǔ)醫(yī)大學(xué)病理學(xué)副院長王漱陽解釋說，“那些完全可以進(jìn)行線下實(shí)驗(yàn)的課程，不須要進(jìn)行此類虛擬仿真操作。”病理學(xué)的ilab平臺從今年4月份開始建設(shè)，將素材加工并數(shù)字化，把得到的數(shù)據(jù)和3D標(biāo)本等放在平臺上。平臺正好在疫情網(wǎng)課期間開始進(jìn)行大規(guī)模的使用，邊調(diào)試邊改善，虛擬仿真運(yùn)用到了目前專科生的病理學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。
化學(xué)系的虛擬仿真有些“特別”。化學(xué)實(shí)驗(yàn)中心院長樂金華院長將數(shù)學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)分為“場景模擬仿真”和“物理場模擬仿真”兩大類，“前者如立體影片，給你一個(gè)仿真的體驗(yàn)，而這類仿真能輸出的內(nèi)容是預(yù)先設(shè)好的，不會超出‘預(yù)設(shè)的空間’——就如影片沒有拍攝到的區(qū)域和事情，是不會有的。化學(xué)場仿真則是基于真實(shí)的數(shù)學(xué)公式得到結(jié)果，只要構(gòu)造的多項(xiàng)式對體系的描述足夠建立和確切，實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的所有事情，都能在仿真軟件里‘?dāng)?shù)字化’體現(xiàn)下來，是更真實(shí)的全參數(shù)空間的模擬仿真。”簡單來說，一個(gè)在模擬實(shí)驗(yàn)操作輸出既定結(jié)果，一個(gè)是通過模型在模擬現(xiàn)實(shí)情況。樂金華說，她們?nèi)匀慌ψ屩袑W(xué)生做“物理場模擬仿真”，包括用已有的軟件平臺，或自己寫軟件。今年，樂金華率領(lǐng)專科在生化學(xué)樓一樓的成果展示室自主完成了氫原子波函數(shù)展示的虛擬現(xiàn)實(shí)互動(dòng)系統(tǒng)，這一學(xué)期，化學(xué)系又進(jìn)行了掃描電子顯微鏡（SEM）和俄歇電子能譜（AES）兩種“高端儀器”剖析的仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)。
“蠻好玩倒是真的，在模擬過程中，可以常常聽到某個(gè)數(shù)據(jù)有很小的變化，但整體結(jié)果會天差地別。”2018級化學(xué)系專科生孫雯思評價(jià)道。她目前用的是像Zemax、之類的模擬化學(xué)場的軟件，這類軟件不重視實(shí)驗(yàn)過程，只須要輸入邊界條件等等數(shù)據(jù)就可以估算上場分布。“物理實(shí)驗(yàn)確實(shí)很須要模擬，我們之前做中國學(xué)院生化學(xué)學(xué)術(shù)大賽（China，簡稱CUPT）課題的時(shí)侯都用了模擬大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺廠家，尤其流體相關(guān)的實(shí)驗(yàn)都用了模擬。”她常常用模擬化學(xué)場的結(jié)果和實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，驗(yàn)證理論的正確性。
▲Zemax軟件模擬偵測器后輸出的內(nèi)容。/圖源：高任飛
以虛補(bǔ)實(shí)，虛實(shí)結(jié)合
虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為實(shí)體實(shí)驗(yàn)的輔助，可以挺好地補(bǔ)充實(shí)體實(shí)驗(yàn)。樂金華覺得，“理工科的中學(xué)生不僅僅是來實(shí)驗(yàn)室做過實(shí)驗(yàn)，而是著力讓實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練成為’人才培養(yǎng)’的有力的第二個(gè)支撐的重要作用，與理論課學(xué)習(xí)相輔相成”。實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)當(dāng)綜合實(shí)驗(yàn)室訓(xùn)練和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練各自的優(yōu)勢，構(gòu)建實(shí)踐訓(xùn)練更深入、更完整、更全面的有機(jī)整體。
在病理學(xué)的ilab平臺上，老師會對中學(xué)生的錯(cuò)誤操作提出改正意見，對中學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告結(jié)果進(jìn)行批改和反饋。王漱陽提及一個(gè)有趣的現(xiàn)象，“平臺不光光是老師在設(shè)計(jì)，朋友也是參與到設(shè)計(jì)中的。”她介紹，平臺將腫瘤的特點(diǎn)部位的標(biāo)明、描述和解釋開放給朋友，老師會選定一些實(shí)驗(yàn)完成質(zhì)量高的中學(xué)生成為切塊的標(biāo)明員，而這種標(biāo)明可以繼續(xù)留給下一屆的朋友去看，“參與我們的實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)，一方面是讓朋友有參與感、榮譽(yù)感，另外一方面也是更好地推動(dòng)她們對知識的運(yùn)用和把握”。
王祥榮曾兼任過國外一些院校包括醫(yī)學(xué)、土木工程類虛擬仿真項(xiàng)目的評審，他介紹，醫(yī)大學(xué)的中學(xué)生要了解一個(gè)人體的各類系統(tǒng)各類臟器，但不可能都去做實(shí)體，借助虛擬仿真的軟件則可以十分精細(xì)地去學(xué)習(xí)了解，甚至詳盡到毛細(xì)血管、循環(huán)系統(tǒng)、血液系統(tǒng)的末梢。通過虛擬仿真進(jìn)行知識儲備，就有了真實(shí)場景下學(xué)習(xí)與操作的基礎(chǔ)，達(dá)到事半功倍、節(jié)約時(shí)間、節(jié)約投資、減少風(fēng)險(xiǎn)的療效。相較于線下實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)更為便捷，中學(xué)生可以隨時(shí)訪問平臺，進(jìn)行預(yù)習(xí)備考，尋思、消化、拓展。
“所謂的以虛補(bǔ)實(shí)，就是用這些虛擬的環(huán)境來補(bǔ)充我們實(shí)體環(huán)境研究的不足。”王祥榮說，對于環(huán)境科學(xué)來說，好多現(xiàn)實(shí)中的風(fēng)波發(fā)生之后不可重復(fù)，或則是危險(xiǎn)系數(shù)很高，如北京物理港爆燃，森林火災(zāi)、海平面上升、洪澇、地震、海嘯、颶風(fēng)、泥石流、衛(wèi)生防疫等。在研究的過程中也有好多時(shí)空的限制，例如研究全球氣候變化帶來的海平面上升，導(dǎo)致對城市防汛排澇方面的脅迫。在他看來，借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以達(dá)到事半功倍的療效，借助VR技術(shù)虛擬仿真才能比較真實(shí)地重現(xiàn)原先的環(huán)境。
王祥榮提到，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教育信息化的一個(gè)有效手段，用在教學(xué)方面，可以補(bǔ)充實(shí)體教學(xué)的不足，節(jié)省成本。科研和教學(xué)相輔相成，在研制平臺的過程中也會結(jié)合科研工作的需求，二者互相推動(dòng)。在建設(shè)平臺時(shí)融入國家的重大項(xiàng)目，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺廠家，也可以啟發(fā)和補(bǔ)貼科研的不足，提供創(chuàng)新思維。
資源共享，面向國際
環(huán)境科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的實(shí)驗(yàn)課程對外開放，非環(huán)境專業(yè)的朋友也可以必修該課程。同時(shí)，王祥榮介紹，平臺也對與相關(guān)合作的單位開放，產(chǎn)生資源共享，目前她們自主研制的幾款虛擬仿真教學(xué)軟件開放后訪問量已近10萬人次。王漱陽也提及，病理系的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺也可能會繼續(xù)擴(kuò)大使用范圍，包括所有醫(yī)學(xué)生、留中學(xué)生班、非醫(yī)學(xué)專業(yè)的中學(xué)生都可以適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行開放。
有些虛擬仿真項(xiàng)目也向社會開放服務(wù)。流行病學(xué)研究室為相關(guān)課程設(shè)計(jì)了“不明緣由疾患暴發(fā)調(diào)查與處置”虛擬仿真課堂，遇見疫情，本學(xué)期趁勢舉辦在線教學(xué)，臨床專業(yè)的中學(xué)生去防治醫(yī)學(xué)教研室實(shí)習(xí)，也可借助該項(xiàng)目模擬實(shí)踐。在疫情期間，由于正好涉及到疾患爆發(fā)調(diào)查與處置的內(nèi)容，應(yīng)北京市教育部要求，該項(xiàng)目已對外開放共享。
▲復(fù)旦學(xué)院公共衛(wèi)生大學(xué)“不明緣由疾患暴發(fā)調(diào)查與處理”虛擬仿真項(xiàng)目。/圖源：熊海燕
在國際上，環(huán)境科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心和日本方面有一些合作。王祥榮提到，前期與法國的合作主要以交流虛擬仿真教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)感受和舉辦講堂為主，還有一些學(xué)術(shù)大會上的經(jīng)驗(yàn)交流，下一步擬聯(lián)合培養(yǎng)研究生、開展科研合作。印度西南學(xué)院牽頭的全球硬度城市聯(lián)盟（注：硬度城市指經(jīng)濟(jì)和財(cái)富表現(xiàn)在過去六年中明顯提高，未來六年將繼續(xù)下降并步入全球20強(qiáng)的城市），約請清華學(xué)院加入，形成全球硬度研究網(wǎng)路（GRRN）。王祥榮介紹：“在這兒可以進(jìn)一步發(fā)揮我們虛擬仿真的作用，真實(shí)重現(xiàn)，以虛補(bǔ)實(shí)，促使我們的教學(xué)和科研方面的合作。目前日本、荷蘭、法國、英國等國家，都見到海平面上升帶來的一些環(huán)境的問題、生態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)，我們希望通過國際合作的平臺，進(jìn)一步的來強(qiáng)化我們VR技術(shù)的應(yīng)用，發(fā)揮它的作用。”
多重挑戰(zhàn)，任重道遠(yuǎn)
虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以促進(jìn)資源移動(dòng)共享、培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才、提升科學(xué)研究水平、推進(jìn)研究成果轉(zhuǎn)化等方面發(fā)展。王祥榮覺得，進(jìn)一步推動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)對于我們建設(shè)“雙一流”來說有極大的推動(dòng)的作用，從國外外的情況來看，知名的院校研究機(jī)構(gòu)，包括政府，對虛擬仿真運(yùn)用都非常注重。對中國各大院校而言，強(qiáng)化虛擬仿真教學(xué)，實(shí)際上是極大的促進(jìn)了校際資源的共享，有助于相應(yīng)學(xué)科和院校的建設(shè)。
然而，目前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)正處在起步發(fā)展時(shí)期，須要改進(jìn)和提高，也存在許多問題，面臨發(fā)展的困局。
18級大氣與海洋科學(xué)系專科生高任飛使用過虛擬仿真平臺后認(rèn)為，虛擬仿真還是未能取代實(shí)際實(shí)驗(yàn)，它在給人的實(shí)驗(yàn)覺得和實(shí)際達(dá)到的實(shí)驗(yàn)療效里面都還有好多缺乏。在實(shí)體實(shí)驗(yàn)中，老師可十分直觀地看見中學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)則存在空間的隔離。諸如在平臺上操作時(shí)，中學(xué)生可能找不到貼片和標(biāo)本特點(diǎn)性的腫瘤部位，但相對于線下實(shí)驗(yàn)而言，難以直接向老師反饋。對于類似問題，王漱陽說，網(wǎng)課期間，老師會通過陌陌答疑的方式進(jìn)行線上解疑，回校后，答疑的環(huán)節(jié)將會轉(zhuǎn)移到線下。
疫情促使病理學(xué)ilab平臺升級受限，網(wǎng)速成為一個(gè)重要的阻礙誘因。環(huán)境科學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)目前也遇見了困局——缺乏實(shí)驗(yàn)的場地和空間場所。似乎某種程度上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本，而且平臺本身的建設(shè)也須要大量的資金。
目前我校院系的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)尚無專職人員。王漱陽提到，整個(gè)病理系的老師，甚至包括中學(xué)生，都是建設(shè)病理系ilab的團(tuán)隊(duì)成員。環(huán)境科學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)也是老師們在兼職。考慮到老師本身自己的科研教學(xué)任務(wù)比較忙碌緊張，所以在保證項(xiàng)目持續(xù)穩(wěn)定開放上也存在一定挑戰(zhàn)，王祥榮說，“期待中學(xué)給與全方位的大力支持。”
樂金華強(qiáng)調(diào)，如今，美國的數(shù)學(xué)模擬軟件的功能越來越強(qiáng)悍，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，作為對比，我們國家自主開發(fā)的軟件，漸漸長成“參天小樹”的案例還比較少，“我們還須要大力投入仿真軟件或工具的自主研制。”之前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)幾乎都是各個(gè)院系老師的“單打獨(dú)斗”，如今，在中學(xué)層面構(gòu)建統(tǒng)一的校級平臺，效率更優(yōu)。雖然各院系有自身特性，建設(shè)ilab平臺的公路不盡相同，但彼此間交流建設(shè)運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，互相協(xié)調(diào)合作，不失為一種發(fā)展之道。
▲復(fù)旦學(xué)院病理系虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，同事對切塊的標(biāo)明。/圖源：王漱陽
▲復(fù)旦學(xué)院環(huán)境科學(xué)部份科研成果轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。/圖源：王祥榮
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