纯虚拟仿真太“理想化”，虚实结合才“有感觉”

本文转自：中国科学报

■本报记者 陈彬

作为一名工科生，大连理工大学信息与通信工程学院学生施泽哲的生活中少不了做实验。不过，在学校读书的这些年，他的一些实验却是在宿舍完成的。

具体实验流程并不复杂——找个自己的时间，打开电脑，在网上实验平台找到一台空闲的实验仪器，提交申请，通过后便可以在电脑上做实验了。

需要指出的是，此时施泽哲并不是在网络中进行一场虚拟实验。事实上，他在电脑上的每一步操作，都会被学校某个实验室里的实验设备忠实执行，而实验过程中产生的每一个数据，也会实时出现在施泽哲的电脑屏幕上。

在大连理工大学，这种实验方式被称作“虚实结合”实验教学。

线上、线下优点结合

在大连理工大学电工电子国家级实验教学示范中心，《中国科学报》记者看到了那个连接着学生普通电脑的实验设备—— 一个其貌不扬的“大箱子”。学生可以根据不同实验目的，在“箱子”上手动搭配各种实验组件，模拟不同的电路操作。在这个“箱子”内部还隐藏着另一套操作设备，线上的学生可以通过这套设备实现对仪器的远程真实控制，并可远程获得该仪器的各种真实实验数据。

“在学校，可以实现虚实结合操作的设备远不止这一种，大连理工大学是在国内最早进行相关探索的高校之一。”该示范中心主任王开宇说。

大连理工大学电工电子国家级实验教学示范中心获批于2007年、验收于2012年，但该校在虚实结合实验教学方面的探索却有近20年历史。

据大连理工大学教务处处长刘志军介绍，2004年该校与美国麻省理工学院（MIT）达成合作，双方实现了在课程以及某些教学资源上的共享。然而，课程资源可以共享，那些身处大洋彼岸的实验设备资源又如何能为中国学生所用呢？

“当时，正赶上MIT研发出一套可以远程操控实验设备的系统。于是，学校电信学院的老师们发挥专业特长，与MIT共同开发了四个MIT-iLab实验项目。在每个实验项目中，学生都可以在校园内远程操作MIT实验室中的设备。”刘志军说，在此过程中，大连理工大学的老师们逐渐意识到这套系统背后巨大的教学价值。

王开宇告诉《中国科学报》，在对学生的实验教学中，单纯的线下实验和线上虚拟仿真实验均具有一定局限性。例如，线下实操受时间、空间所限，学生能实际“上手”的机会并不多，效率难以提升；虚拟仿真实验难以真实仿真现场实验，尤其是难以产生真正合乎实际的数据，这使得实验教学效果大打折扣。

相比之下，“虚实结合”的方式却结合了线下与线上各自的优点。这种方式一方面克服了时空局限，极大提升了设备的利用效率；另一方面，由于其获得的均是实际产生的数据，真实性可以得到保证，而后者更加重要。

王开宇表示，实验教学必须立足于真实。比如，在实验操作中，两根导线是并排放在一起还是“搭”在一起，对于实验效果都会有影响，但这种差别在虚拟仿真中很难体现。一些数据更是很难通过虚拟计算获得。而在虚实结合的实验条件下，即便是在虚拟环境中，其所有数据也都是真实的，并且由于虚拟操作与实际操作一一对应，可以还原最真实的实验步骤。

正是基于这样的考虑，大连理工大学不但将MIT的这套系统引入校内，还进行了大量的本土化研发，在此基础上开发了覆盖校内多个学科专业的远程实验操作平台。“我们现在已经建立了一个学习自主、管理自主、地点开放、时间开放、内容开放的多自由度融合创新实践教育新生态。”刘志军说。

虚拟仿真要允许“犯错误”

目前，大连理工大学的虚拟仿真实验教学平台可以概括为“1+M+N”。其中，1即虚拟仿真平台的校园网出口端，由教务处统一规划管理；M即学校接入互联网的M个虚实结合或虚拟仿真实验教学中心；N即面向全校内外开放共享的N个实验项目，实现了理工科在线实验管理规范化、运行顺畅化、使用集约化和受益最大化。

就在这套仿真实验教学平台搭建日趋完善的时候，席卷全球的新冠疫情暴发了。

“当初进行设计时，我们没有预料到这样的突发情况。但从客观上说，这套虚实结合的实验系统的确使疫情对实验课程的影响降到了最低。”王开宇说，当学生们回归正常教学后，学生们需要补的实验课“非常少”。

尽管如此，王开宇依然强调，在实验教学的“虚”与“实”之间，还是要秉持“以实为主、能实尽实”的原则，最大程度给予学生实际动手的机会和空间。

“虽然‘虚’的意义有很多，比如数据共享、克服时空限制等，但终究是为提升学生实际动手能力而存在的。其本质依然是对学生实践训练的一种补充，需要服务于课程本身。”在他看来，这也是虚拟仿真技术和数字技术在教学应用中需要遵循的共同准则。

在实际工作中，大连理工大学的实验老师们最看重的一个问题是——虚拟实验步骤能不能做到与真实实验尽可能贴近？

“很多学校往往会把虚拟实验做成‘演示实验’，这种实验可以应用于理论课，服务于老师的课程讲授，但作为实验课显然是不够的，也不是我们的初衷。”受访时，有教师直言，作为实验课，一定要允许学生在实验过程中犯错误，同时还能够改正错误，这是最重要的。

对此，施泽哲深有体会。

“我们不太喜欢纯的虚拟仿真，就是因为它太理想化了。”他告诉《中国科学报》，他很不适应一点儿误差都没有的感觉。“你在测量时即便方法有误，或者实验本身有一些bug（缺陷），大部分仿真系统也看不出来。在这种环境下做实验的意义有多大呢？”

在校园和企业、科教平台之间架起一座桥

经过多年的发展，大连理工大学的虚实结合实验教学系统已经走出校园，在国内多所高校得到应用。

“既有省内高校，也有远在千里之外的省外高校。”据王开宇介绍，通过这套系统，其他高校的师生可以远程使用大连理工大学的实验设备和数据信息，一些学校甚至以此为基础，针对本校学生开设了实践选修课程或必修课程。

然而，这并不是这套系统的“最终形态”。

比如，刘志军就一直在思考，如何将这套系统与企业结合，为产教融合、科教融合提供一个新的解决方案。

“一个不容忽视的事实是，随着高校学生规模的扩大以及企业智能生产和自动化程度的提升，很多学生的企业实习已经变成了‘走马观花’，学生很难亲自操作各种先进设备。”他说，如果可以运用数字技术，将工厂设备的真实数据实时提供给学生，甚至允许学生远程操控某些处于空闲状态的设备，无疑将大大提升学生的实习参与感，以及实践研究能力。

据记者了解，目前已经有高校、科研院所与一线的生产企业实现了相关数据的实时共享传输，但在学生培养，特别是本科生培养上，还鲜有这样的尝试。

刘志军表示，在传统观念中，培养学生做实验的目的是要提升其动手操作能力，但现阶段这一观念需要有所转变——提升动手能力固然重要，但同时也要提升学生的创新思维和实验研究能力，毕竟随着技术进步和自动化程度的提升，即便是在实际工厂中，真正需要工人动手“拧阀门、调设备”的工作也越来越少。

在他看来，在数字化背景下，即便是一线工人，对于其利用实际数据分析问题、解决问题的能力要求也越来越高，这反向倒逼高校的实践教学要更加贴近真实数据和真实的工程设备。相对于体验真实的生产场景，利用真实的生产数据和装备的运行参数进行研究和分析更加重要。学校应更重视学生实验研究能力和素质的提升，但这显然不是单靠学校自身的实验教学设备就能实现的。

“从这个角度说，产教融合、科教融合协同育人的重要性日益凸显，但如何在校园和企业、科教平台之间架起一座桥梁更值得思考。这种虚实结合、远程操控的方式也许就是解决工科在线实验问题的一条不错的道路。”刘志军说。