虛擬仿真技術讓工科生在家照樣“做實驗”

　　受新冠肺炎疫情影響，春天的大學校園空空蕩蕩。而在天津大學機械工程教學實踐中心，工程圖學實驗室里卻是一番“人聲鼎沸”的景象：100多名學生正在試驗臺前“體驗”著《工程圖學》的實踐大課。

　　學生們一邊觀察機械結構和工作原理，一邊動手拆裝齒輪油泵零件。而大到教學樓，小到齒輪零件，都是通過虛擬仿真技術生成的，學生們人在家中，即可在線完成一系列實驗操作。

　　在這個特殊的“超長假期”，天津大學師生正依托虛擬仿真技術創新線上授課以及實驗教學方式，幫助學生“實驗不叫停，求知不掉線”。

　　虛擬仿真實驗教學項目被譽為具有跨時代意義的“金課”。顧名思義，就是依托虛擬現實技術——利用計算機技術生成一個逼真的、具有視、聽、觸等多種感知的“模擬實驗室”。教師和學生可以在3D空間里完成遠程無法完成的復雜實驗，體驗實驗室里難以實現的頗具危險性和破壞性的實驗，從而提高教學效果。如今，這項技術成為解決疫情期間工科生難以完成實驗等難題的“鑰匙”。

　　作為中國高校“新工科”建設的排頭兵，天津大學已經在大部分學院都開展了虛擬仿真教學項目，其中包括20個市級建設項目和5個國家級項目。如今，該校的4門“金課”入選國家虛擬仿真實驗教學項目，位居全國前列。

　　天津大學機械學院《工程圖學》授課教師徐健介紹，工程圖學是工科類專業學生的必修課。新冠肺炎疫情以來，全校有上千名學生選了這門課。這些學生分布在全國20多個省份及境外各地，如今只需一根網線，學生們無論在世界哪個角落，都能通過線上平臺操作實驗器材，完成規定的教學任務。

　　“虛擬仿真技術給課堂帶來了不可思議的變化。”徐健發現這種全新教學模式也在激發學生們的創造力和學習興趣。

　　在虛擬仿真課堂里，所有抽象的知識點都變得具象化，書本上的零件和儀器統統“活”了起來，甚至可以讓學生360度無死角地“把玩”。而課堂進度和隨堂測驗則變成了如同“游戲通關”一樣的小競賽。

　　有的富有想象力的學生，會順手將眼前的虛擬零件組裝成一個像模像樣的“燒烤機器人”，傳到朋友圈里炫耀一番。

　　在天津大學無障礙通用設計研究中心，一扇“神奇”的大門正在打開。

　　登錄電腦教學平臺，你會立刻走進一個車水馬龍的虛擬城市。小學門口的馬路，養老院大廳的扶梯，醫院的走廊……學生們要按照“游戲通關規則”，在逼真的生活場景中實驗對比，從“第一視角”出發，為老人、幼童和殘障人士設計引導標識，分析哪些圖案、顏色、尺度更醒目、更具有親和力。

　　“你不可能為了一個知識點，把所有學生領到醫院或者敬老院。”趙偉是《無障礙通用標識設計實驗虛擬仿真實驗》這門課程的主創教師之一。“以往，為了讓學生認識關鍵設計要素，我們要購買一大堆設備模擬不同環境下的人體障礙，而虛擬仿真技術在很大程度上克服了這些傳統教學方式的困難”。

　　天津大學2017級建筑學院本科生林雨辰則發現，以往書本上冷冰冰的知識點和數據，在體驗的過程中仿佛也有了溫度。

　　3月伊始，天津大學化工學院將《化工原理》系列等虛擬仿真實驗教學資源免費向全國開放。全國各地的學生均可登錄平臺，使用所有的教學資源，在家里就可以“做實驗”。

　　“我們面向全國高校開放自己的‘金課’，也是‘硬課’，這其中既有首批國家虛擬仿真實驗教學項目，也有天津市第一個化工類國家虛擬仿真實驗教學項目。”天津大學化工學院負責人介紹，學生可以在線完成全部化工原理單元操作實驗，還可以體驗在實際實驗室很難實現的操作，比如參與對有毒、有害、易燃易爆等物質等處置。

　　“我們正在把虛擬仿真實驗教學項目，作為實驗課程改革的著力點，正在成為‘新工科’建設和‘雙一流’建設中的利器。”天津大學副校長鞏金龍表示，下一步，該校要建設形成專業布局全覆蓋、教學效果優良、開放共享有效的信息化實驗教學體系，努力與全國高校攜手，共同推進“智能+教育”的新模式。