原創田曉麗清華青年
“王祥榮提到，虛擬仿真實驗教學是教育信息化的一個有效手段，用在教學方面，可以補充實體教學的不足，節省成本。科研和教學相輔相成，在研制平臺的過程中也會結合科研工作的需求，二者互相推動。在建設平臺時融入國家的重大項目，而虛擬仿真實驗教學的建設，也可以啟發和補助科研的不足，提供創新思維。”
同濟青年記者田曉麗主筆
同濟青年記者姚泓旭報導
同濟青年記者陸寧玥編輯
在水環境安全虛擬仿真實驗中，老師講解完實驗目的、程序與知識點，中學生就可以按照班主任的指導和網上指令，操控著“虛擬人”或按實驗步驟，選擇從陸路或則乘船步入虛擬的試驗地區，如河口或湖泊河流，進行取樣、運輸，之后回到“實驗室”進行剖析、測試與估算，完成和遞交在線實驗報告。
在“模擬實驗室”中操作時，發覺室外有一個容易引起火災的可燃火點，中學生按照規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驗報告中……
據清華學院國家級環境科學虛擬仿真實驗中心院長王祥榮介紹，以前頗受時空限制的課堂實驗，現在中學生完成只須要一臺筆記本：選擇相關課程的中學生步入中學實驗室，戴上VR墨鏡，在聲控條件良好的實驗空間中就可以開始一場寓教于樂、寓教于行、“以虛補實”的虛擬仿真實驗學習。
▲復旦學院環境科學水環境生態安全評估虛擬仿真教學實驗系統頁面。/圖源：王祥榮
虛擬仿真，因“科”而異
提起“虛擬仿真實驗”，許多朋友仍是一頭霧水，甚至沒有據說過。王祥榮介紹環境科學的虛擬仿真實驗平臺：“依托VR、AR、AI人工智能技術，借助3Dmax、計算機的虛擬仿真模型、相關語言等等，來建構一種教學或則是科研的平臺。”
2015年，國務院統籌推動建設世界一流學院和一流學科，奏響了中國院校沖刺國際前列、打造世界頂級學府和頂級學科的“沖鋒號”。2017年，國家即將公布世界一流學院和一流學科建設院校及建設學科名單。
2015年，國家教育部在全省內篩選批準100個國家級的虛擬仿真實驗教學中心，我國虛擬仿真實驗教學提上議題。同年，清華學院環境科學虛擬仿真實驗教學中心創立，成為環境科學領域第一個獲得國家批準的虛擬仿真實驗教學中心。化學系也成功申請了國家級虛擬仿真實驗教學中心。
2017年，國家調整新政，為各大院校的虛擬仿真實驗建設提供支持項目。“雙一流”建設與虛擬仿真實驗教學建設這兩條相仿起點出發的線絡，互相交織，共同前行。清華學院響應國家呼吁，在國家新政的指引下，促使虛擬仿真實驗教學有序展開，促使一流學科建設與學科交叉融合。
目前，我校的文理醫工等多個系科都在不同程度上開辦了虛擬仿真實驗教學課程。在中學總的虛擬仿真實驗平臺（以下簡稱“ilab平臺”）之下，設分多個子平臺，交由各系分別建設，例如病理系、環境科學與工程系、物理系、核科學與技術系、公共衛生、電子信息等等。中學給與各院系資金支持、資源鏈接，落實專門的技術團隊協助，解決在項目開發中的各類技術問題，維護和保障服務器的正常運轉。
哪些樣的實驗會開辦“虛擬仿真”實驗課程呢？
“在操作過程中可能有危險，但又是十分必須的實驗，這些很重要、但就目前條件來說難以在實驗室里進行大規模舉辦的實驗——比如資金不足或場地有限，都須要進行虛擬仿真。”基礎醫大學病理學副院長王漱陽解釋說，“那些完全可以進行線下實驗的課程，不須要進行此類虛擬仿真操作。”病理學的ilab平臺從今年4月份開始建設，將素材加工并數字化，把得到的數據和3D標本等放在平臺上。平臺正好在疫情網課期間開始進行大規模的使用，邊調試邊改善，虛擬仿真運用到了目前專科生的病理學、實驗教學中。
化學系的虛擬仿真有些“特別”。化學實驗中心院長樂金華院長將數學的虛擬仿真實驗分為“場景模擬仿真”和“物理場模擬仿真”兩大類，“前者如立體影片，給你一個仿真的體驗，而這類仿真能輸出的內容是預先設好的，不會超出‘預設的空間’——就如影片沒有拍攝到的區域和事情，是不會有的。化學場仿真則是基于真實的數學公式得到結果，只要構造的多項式對體系的描述足夠建立和確切，實驗中發生的所有事情，都能在仿真軟件里‘數字化’體現下來，是更真實的全參數空間的模擬仿真。”簡單來說，一個在模擬實驗操作輸出既定結果，一個是通過模型在模擬現實情況。樂金華說，她們仍然努力讓中學生做“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，樂金華率領專科在生化學樓一樓的成果展示室自主完成了氫原子波函數展示的虛擬現實互動系統，這一學期，化學系又進行了掃描電子顯微鏡（SEM）和俄歇電子能譜（AES）兩種“高端儀器”剖析的仿真實驗項目建設。
“蠻好玩倒是真的，在模擬過程中，可以常常聽到某個數據有很小的變化，但整體結果會天差地別。”2018級化學系專科生孫雯思評價道。她目前用的是像Zemax、之類的模擬化學場的軟件，這類軟件不重視實驗過程，只須要輸入邊界條件等等數據就可以估算上場分布。“物理實驗確實很須要模擬，我們之前做中國學院生化學學術大賽（China，簡稱CUPT）課題的時侯都用了模擬大學物理虛擬仿真實驗平臺廠家，尤其流體相關的實驗都用了模擬。”她常常用模擬化學場的結果和實際實驗結果對比，驗證理論的正確性。
▲Zemax軟件模擬偵測器后輸出的內容。/圖源：高任飛
以虛補實，虛實結合
虛擬仿真實驗作為實體實驗的輔助，可以挺好地補充實體實驗。樂金華覺得，“理工科的中學生不僅僅是來實驗室做過實驗，而是著力讓實驗訓練成為’人才培養’的有力的第二個支撐的重要作用，與理論課學習相輔相成”。實驗教學應當綜合實驗室訓練和虛擬仿真實驗訓練各自的優勢，構建實踐訓練更深入、更完整、更全面的有機整體。
在病理學的ilab平臺上，老師會對中學生的錯誤操作提出改正意見，對中學生的實驗報告結果進行批改和反饋。王漱陽提及一個有趣的現象，“平臺不光光是老師在設計，朋友也是參與到設計中的。”她介紹，平臺將腫瘤的特點部位的標明、描述和解釋開放給朋友，老師會選定一些實驗完成質量高的中學生成為切塊的標明員，而這種標明可以繼續留給下一屆的朋友去看，“參與我們的實驗平臺的建設，一方面是讓朋友有參與感、榮譽感，另外一方面也是更好地推動她們對知識的運用和把握”。
王祥榮曾兼任過國外一些院校包括醫學、土木工程類虛擬仿真項目的評審，他介紹，醫大學的中學生要了解一個人體的各類系統各類臟器，但不可能都去做實體，借助虛擬仿真的軟件則可以十分精細地去學習了解，甚至詳盡到毛細血管、循環系統、血液系統的末梢。通過虛擬仿真進行知識儲備，就有了真實場景下學習與操作的基礎，達到事半功倍、節約時間、節約投資、減少風險的療效。相較于線下實驗，虛擬仿真實驗更為便捷，中學生可以隨時訪問平臺，進行預習備考，尋思、消化、拓展。
“所謂的以虛補實，就是用這些虛擬的環境來補充我們實體環境研究的不足。”王祥榮說，對于環境科學來說，好多現實中的風波發生之后不可重復，或則是危險系數很高，如北京物理港爆燃，森林火災、海平面上升、洪澇、地震、海嘯、颶風、泥石流、衛生防疫等。在研究的過程中也有好多時空的限制，例如研究全球氣候變化帶來的海平面上升，導致對城市防汛排澇方面的脅迫。在他看來，借助虛擬仿真實驗可以達到事半功倍的療效，借助VR技術虛擬仿真才能比較真實地重現原先的環境。
王祥榮提到，虛擬仿真實驗教學是教育信息化的一個有效手段，用在教學方面，可以補充實體教學的不足，節省成本。科研和教學相輔相成，在研制平臺的過程中也會結合科研工作的需求，二者互相推動。在建設平臺時融入國家的重大項目，而虛擬仿真實驗教學的建設大學物理虛擬仿真實驗平臺廠家，也可以啟發和補貼科研的不足，提供創新思維。
資源共享，面向國際
環境科學虛擬仿真實驗中心的實驗課程對外開放，非環境專業的朋友也可以必修該課程。同時，王祥榮介紹，平臺也對與相關合作的單位開放，產生資源共享，目前她們自主研制的幾款虛擬仿真教學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驗平臺也可能會繼續擴大使用范圍，包括所有醫學生、留中學生班、非醫學專業的中學生都可以適當的進行開放。
有些虛擬仿真項目也向社會開放服務。流行病學研究室為相關課程設計了“不明緣由疾患暴發調查與處置”虛擬仿真課堂，遇見疫情，本學期趁勢舉辦在線教學，臨床專業的中學生去防治醫學教研室實習，也可借助該項目模擬實踐。在疫情期間，由于正好涉及到疾患爆發調查與處置的內容，應北京市教育部要求，該項目已對外開放共享。
▲復旦學院公共衛生大學“不明緣由疾患暴發調查與處理”虛擬仿真項目。/圖源：熊海燕
在國際上，環境科學虛擬仿真實驗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的經驗感受和舉辦講堂為主，還有一些學術大會上的經驗交流，下一步擬聯合培養研究生、開展科研合作。印度西南學院牽頭的全球硬度城市聯盟（注：硬度城市指經濟和財富表現在過去六年中明顯提高，未來六年將繼續下降并步入全球20強的城市），約請清華學院加入，形成全球硬度研究網路（GRRN）。王祥榮介紹：“在這兒可以進一步發揮我們虛擬仿真的作用，真實重現，以虛補實，促使我們的教學和科研方面的合作。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境的問題、生態的風險，我們希望通過國際合作的平臺，進一步的來強化我們VR技術的應用，發揮它的作用。”
多重挑戰，任重道遠
虛擬仿真實驗教學可以促進資源移動共享、培養拔尖創新人才、提升科學研究水平、推進研究成果轉化等方面發展。王祥榮覺得，進一步推動虛擬仿真實驗教學對于我們建設“雙一流”來說有極大的推動的作用，從國外外的情況來看，知名的院校研究機構，包括政府，對虛擬仿真運用都非常注重。對中國各大院校而言，強化虛擬仿真教學，實際上是極大的促進了校際資源的共享，有助于相應學科和院校的建設。
然而，目前虛擬仿真實驗正處在起步發展時期，須要改進和提高，也存在許多問題，面臨發展的困局。
18級大氣與海洋科學系專科生高任飛使用過虛擬仿真平臺后認為，虛擬仿真還是未能取代實際實驗，它在給人的實驗覺得和實際達到的實驗療效里面都還有好多缺乏。在實體實驗中，老師可十分直觀地看見中學生的實驗情況，而虛擬仿真實驗則存在空間的隔離。諸如在平臺上操作時，中學生可能找不到貼片和標本特點性的腫瘤部位，但相對于線下實驗而言，難以直接向老師反饋。對于類似問題，王漱陽說，網課期間，老師會通過陌陌答疑的方式進行線上解疑，回校后，答疑的環節將會轉移到線下。
疫情促使病理學ilab平臺升級受限，網速成為一個重要的阻礙誘因。環境科學的虛擬仿真實驗建設目前也遇見了困局——缺乏實驗的場地和空間場所。似乎某種程度上虛擬仿真實驗可以節省實驗成本，而且平臺本身的建設也須要大量的資金。
目前我校院系的虛擬仿真實驗平臺建設尚無專職人員。王漱陽提到，整個病理系的老師，甚至包括中學生，都是建設病理系ilab的團隊成員。環境科學虛擬仿真實驗的建設也是老師們在兼職。考慮到老師本身自己的科研教學任務比較忙碌緊張，所以在保證項目持續穩定開放上也存在一定挑戰，王祥榮說，“期待中學給與全方位的大力支持。”
樂金華強調，如今，美國的數學模擬軟件的功能越來越強悍，在各個領域的應用也越來越廣泛，作為對比，我們國家自主開發的軟件，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。”之前虛擬仿真實驗項目的建設幾乎都是各個院系老師的“單打獨斗”，如今，在中學層面構建統一的校級平臺，效率更優。雖然各院系有自身特性，建設ilab平臺的公路不盡相同，但彼此間交流建設運行的經驗，互相協調合作，不失為一種發展之道。
▲復旦學院病理系虛擬仿真實驗教學中，同事對切塊的標明。/圖源：王漱陽
▲復旦學院環境科學部份科研成果轉化為虛擬仿真實驗教學內容。/圖源：王祥榮
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