作為一名工科生，大連理工大學(xué)信息與通信工程學(xué)院學(xué)生施澤哲的生活中少不了做實驗。不過，在學(xué)校讀書的這些年，他的一些實驗卻是在宿舍完成的。

具體實驗流程并不復(fù)雜——找個自己的時間，打開電腦，在網(wǎng)上實驗平臺找到一臺空閑的實驗儀器，提交申請，通過后便可以在電腦上做實驗了。

需要指出的是，此時施澤哲并不是在網(wǎng)絡(luò)中進行一場虛擬實驗。事實上，他在電腦上的每一步操作，都會被學(xué)校某個實驗室里的實驗設(shè)備忠實執(zhí)行，而實驗過程中產(chǎn)生的每一個數(shù)據(jù)，也會實時出現(xiàn)在施澤哲的電腦屏幕上。

在大連理工大學(xué)，這種實驗方式被稱作“虛實結(jié)合”實驗教學(xué)。

線上、線下優(yōu)點結(jié)合

在大連理工大學(xué)電工電子國家級實驗教學(xué)示范中心，《中國科學(xué)報》記者看到了那個連接著學(xué)生普通電腦的實驗設(shè)備—— 一個其貌不揚的“大箱子”。學(xué)生可以根據(jù)不同實驗?zāi)康?，?ldquo;箱子”上手動搭配各種實驗組件，模擬不同的電路操作。在這個“箱子”內(nèi)部還隱藏著另一套操作設(shè)備，線上的學(xué)生可以通過這套設(shè)備實現(xiàn)對儀器的遠(yuǎn)程真實控制，并可遠(yuǎn)程獲得該儀器的各種真實實驗數(shù)據(jù)。

“在學(xué)校，可以實現(xiàn)虛實結(jié)合操作的設(shè)備遠(yuǎn)不止這一種，大連理工大學(xué)是在國內(nèi)最早進行相關(guān)探索的高校之一。”該示范中心主任王開宇說。

大連理工大學(xué)電工電子國家級實驗教學(xué)示范中心獲批于2007年、驗收于2012年，但該校在虛實結(jié)合實驗教學(xué)方面的探索卻有近20年歷史。

據(jù)大連理工大學(xué)教務(wù)處處長劉志軍介紹，2004年該校與美國麻省理工學(xué)院（MIT）達成合作，雙方實現(xiàn)了在課程以及某些教學(xué)資源上的共享。然而，課程資源可以共享，那些身處大洋彼岸的實驗設(shè)備資源又如何能為中國學(xué)生所用呢？

“當(dāng)時，正趕上MIT研發(fā)出一套可以遠(yuǎn)程操控實驗設(shè)備的系統(tǒng)。于是，學(xué)校電信學(xué)院的老師們發(fā)揮專業(yè)特長，與MIT共同開發(fā)了四個MIT-iLab實驗項目。在每個實驗項目中，學(xué)生都可以在校園內(nèi)遠(yuǎn)程操作MIT實驗室中的設(shè)備。”劉志軍說，在此過程中，大連理工大學(xué)的老師們逐漸意識到這套系統(tǒng)背后巨大的教學(xué)價值。

王開宇告訴《中國科學(xué)報》，在對學(xué)生的實驗教學(xué)中，單純的線下實驗和線上虛擬仿真實驗均具有一定局限性。例如，線下實操受時間、空間所限，學(xué)生能實際“上手”的機會并不多，效率難以提升；虛擬仿真實驗難以真實仿真現(xiàn)場實驗，尤其是難以產(chǎn)生真正合乎實際的數(shù)據(jù)，這使得實驗教學(xué)效果大打折扣。

相比之下，“虛實結(jié)合”的方式卻結(jié)合了線下與線上各自的優(yōu)點。這種方式一方面克服了時空局限，極大提升了設(shè)備的利用效率；另一方面，由于其獲得的均是實際產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，真實性可以得到保證，而后者更加重要。

王開宇表示，實驗教學(xué)必須立足于真實。比如，在實驗操作中，兩根導(dǎo)線是并排放在一起還是“搭”在一起，對于實驗效果都會有影響，但這種差別在虛擬仿真中很難體現(xiàn)。一些數(shù)據(jù)更是很難通過虛擬計算獲得。而在虛實結(jié)合的實驗條件下，即便是在虛擬環(huán)境中，其所有數(shù)據(jù)也都是真實的，并且由于虛擬操作與實際操作一一對應(yīng)，可以還原最真實的實驗步驟。

正是基于這樣的考慮，大連理工大學(xué)不但將MIT的這套系統(tǒng)引入校內(nèi)，還進行了大量的本土化研發(fā)，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了覆蓋校內(nèi)多個學(xué)科專業(yè)的遠(yuǎn)程實驗操作平臺。“我們現(xiàn)在已經(jīng)建立了一個學(xué)習(xí)自主、管理自主、地點開放、時間開放、內(nèi)容開放的多自由度融合創(chuàng)新實踐教育新生態(tài)。”劉志軍說。

虛擬仿真要允許“犯錯誤”

目前，大連理工大學(xué)的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺可以概括為“1+M+N”。其中，1即虛擬仿真平臺的校園網(wǎng)出口端，由教務(wù)處統(tǒng)一規(guī)劃管理；M即學(xué)校接入互聯(lián)網(wǎng)的M個虛實結(jié)合或虛擬仿真實驗教學(xué)中心；N即面向全校內(nèi)外開放共享的N個實驗項目，實現(xiàn)了理工科在線實驗管理規(guī)范化、運行順暢化、使用集約化和受益最大化。

就在這套仿真實驗教學(xué)平臺搭建日趨完善的時候，席卷全球的新冠疫情暴發(fā)了。

“當(dāng)初進行設(shè)計時，我們沒有預(yù)料到這樣的突發(fā)情況。但從客觀上說，這套虛實結(jié)合的實驗系統(tǒng)的確使疫情對實驗課程的影響降到了最低。”王開宇說，當(dāng)學(xué)生們回歸正常教學(xué)后，學(xué)生們需要補的實驗課“非常少”。

盡管如此，王開宇依然強調(diào)，在實驗教學(xué)的“虛”與“實”之間，還是要秉持“以實為主、能實盡實”的原則，最大程度給予學(xué)生實際動手的機會和空間。

“雖然‘虛’的意義有很多，比如數(shù)據(jù)共享、克服時空限制等，但終究是為提升學(xué)生實際動手能力而存在的。其本質(zhì)依然是對學(xué)生實踐訓(xùn)練的一種補充，需要服務(wù)于課程本身。”在他看來，這也是虛擬仿真技術(shù)和數(shù)字技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用中需要遵循的共同準(zhǔn)則。

在實際工作中，大連理工大學(xué)的實驗老師們最看重的一個問題是——虛擬實驗步驟能不能做到與真實實驗盡可能貼近？

“很多學(xué)校往往會把虛擬實驗做成‘演示實驗’，這種實驗可以應(yīng)用于理論課，服務(wù)于老師的課程講授，但作為實驗課顯然是不夠的，也不是我們的初衷。”受訪時，有教師直言，作為實驗課，一定要允許學(xué)生在實驗過程中犯錯誤，同時還能夠改正錯誤，這是最重要的。

對此，施澤哲深有體會。

“我們不太喜歡純的虛擬仿真，就是因為它太理想化了。”他告訴《中國科學(xué)報》，他很不適應(yīng)一點兒誤差都沒有的感覺。“你在測量時即便方法有誤，或者實驗本身有一些bug（缺陷），大部分仿真系統(tǒng)也看不出來。在這種環(huán)境下做實驗的意義有多大呢？”

在校園和企業(yè)、科教平臺之間架起一座橋

經(jīng)過多年的發(fā)展，大連理工大學(xué)的虛實結(jié)合實驗教學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)走出校園，在國內(nèi)多所高校得到應(yīng)用。

“既有省內(nèi)高校，也有遠(yuǎn)在千里之外的省外高校。”據(jù)王開宇介紹，通過這套系統(tǒng)，其他高校的師生可以遠(yuǎn)程使用大連理工大學(xué)的實驗設(shè)備和數(shù)據(jù)信息，一些學(xué)校甚至以此為基礎(chǔ)，針對本校學(xué)生開設(shè)了實踐選修課程或必修課程。

然而，這并不是這套系統(tǒng)的“最終形態(tài)”。

比如，劉志軍就一直在思考，如何將這套系統(tǒng)與企業(yè)結(jié)合，為產(chǎn)教融合、科教融合提供一個新的解決方案。

“一個不容忽視的事實是，隨著高校學(xué)生規(guī)模的擴大以及企業(yè)智能生產(chǎn)和自動化程度的提升，很多學(xué)生的企業(yè)實習(xí)已經(jīng)變成了‘走馬觀花’，學(xué)生很難親自操作各種先進設(shè)備。”他說，如果可以運用數(shù)字技術(shù)，將工廠設(shè)備的真實數(shù)據(jù)實時提供給學(xué)生，甚至允許學(xué)生遠(yuǎn)程操控某些處于空閑狀態(tài)的設(shè)備，無疑將大大提升學(xué)生的實習(xí)參與感，以及實踐研究能力。

據(jù)記者了解，目前已經(jīng)有高校、科研院所與一線的生產(chǎn)企業(yè)實現(xiàn)了相關(guān)數(shù)據(jù)的實時共享傳輸，但在學(xué)生培養(yǎng)，特別是本科生培養(yǎng)上，還鮮有這樣的嘗試。

劉志軍表示，在傳統(tǒng)觀念中，培養(yǎng)學(xué)生做實驗的目的是要提升其動手操作能力，但現(xiàn)階段這一觀念需要有所轉(zhuǎn)變——提升動手能力固然重要，但同時也要提升學(xué)生的創(chuàng)新思維和實驗研究能力，畢竟隨著技術(shù)進步和自動化程度的提升，即便是在實際工廠中，真正需要工人動手“擰閥門、調(diào)設(shè)備”的工作也越來越少。

在他看來，在數(shù)字化背景下，即便是一線工人，對于其利用實際數(shù)據(jù)分析問題、解決問題的能力要求也越來越高，這反向倒逼高校的實踐教學(xué)要更加貼近真實數(shù)據(jù)和真實的工程設(shè)備。相對于體驗真實的生產(chǎn)場景，利用真實的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和裝備的運行參數(shù)進行研究和分析更加重要。學(xué)校應(yīng)更重視學(xué)生實驗研究能力和素質(zhì)的提升，但這顯然不是單靠學(xué)校自身的實驗教學(xué)設(shè)備就能實現(xiàn)的。

“從這個角度說，產(chǎn)教融合、科教融合協(xié)同育人的重要性日益凸顯，但如何在校園和企業(yè)、科教平臺之間架起一座橋梁更值得思考。這種虛實結(jié)合、遠(yuǎn)程操控的方式也許就是解決工科在線實驗問題的一條不錯的道路。”劉志軍說。