原创田晓丽清华青年
“王祥荣提到，虚拟仿真实验教学是教育信息化的一个有效手段，用在教学方面，可以补充实体教学的不足，节省成本。科研和教学相辅相成，在研制平台的过程中也会结合科研工作的需求，二者互相推动。在建设平台时融入国家的重大项目，而虚拟仿真实验教学的建设，也可以启发和补助科研的不足，提供创新思维。”
同济青年记者田晓丽主笔
同济青年记者姚泓旭报导
同济青年记者陆宁玥编辑
在水环境安全虚拟仿真实验中，老师讲解完实验目的、程序与知识点，中学生就可以按照班主任的指导和网上指令，操控着“虚拟人”或按实验步骤，选择从陆路或则乘船步入虚拟的试验地区，如河口或湖泊河流，进行取样、运输，之后回到“实验室”进行剖析、测试与估算，完成和递交在线实验报告。
在“模拟实验室”中操作时，发觉室外有一个容易引起火灾的可燃火点，中学生按照规范的操作程序采取防火灭火举措，并把这种步骤与过程同步记录在实验报告中……
据清华学院国家级环境科学虚拟仿真实验中心院长王祥荣介绍，以前颇受时空限制的课堂实验，现在中学生完成只须要一台笔记本：选择相关课程的中学生步入中学实验室，戴上VR墨镜，在声控条件良好的实验空间中就可以开始一场寓教于乐、寓教于行、“以虚补实”的虚拟仿真实验学习。
▲复旦学院环境科学水环境生态安全评估虚拟仿真教学实验系统页面。/图源：王祥荣
虚拟仿真，因“科”而异
提起“虚拟仿真实验”，许多朋友仍是一头雾水，甚至没有据说过。王祥荣介绍环境科学的虚拟仿真实验平台：“依托VR、AR、AI人工智能技术，借助3Dmax、计算机的虚拟仿真模型、相关语言等等，来建构一种教学或则是科研的平台。”
2015年，国务院统筹推动建设世界一流学院和一流学科，奏响了中国院校冲刺国际前列、打造世界顶级学府和顶级学科的“冲锋号”。2017年，国家即将公布世界一流学院和一流学科建设院校及建设学科名单。
2015年，国家教育部在全省内筛选批准100个国家级的虚拟仿真实验教学中心，我国虚拟仿真实验教学提上议题。同年，清华学院环境科学虚拟仿真实验教学中心创立，成为环境科学领域第一个获得国家批准的虚拟仿真实验教学中心。化学系也成功申请了国家级虚拟仿真实验教学中心。
2017年，国家调整新政，为各大院校的虚拟仿真实验建设提供支持项目。“双一流”建设与虚拟仿真实验教学建设这两条相仿起点出发的线络，互相交织，共同前行。清华学院响应国家呼吁，在国家新政的指引下，促使虚拟仿真实验教学有序展开，促使一流学科建设与学科交叉融合。
目前，我校的文理医工等多个系科都在不同程度上开办了虚拟仿真实验教学课程。在中学总的虚拟仿真实验平台（以下简称“ilab平台”）之下，设分多个子平台，交由各系分别建设，例如病理系、环境科学与工程系、物理系、核科学与技术系、公共卫生、电子信息等等。中学给与各院系资金支持、资源链接，落实专门的技术团队协助，解决在项目开发中的各类技术问题，维护和保障服务器的正常运转。
哪些样的实验会开办“虚拟仿真”实验课程呢？
“在操作过程中可能有危险，但又是十分必须的实验，这些很重要、但就目前条件来说难以在实验室里进行大规模举办的实验——比如资金不足或场地有限，都须要进行虚拟仿真。”基础医大学病理学副院长王漱阳解释说，“那些完全可以进行线下实验的课程，不须要进行此类虚拟仿真操作。”病理学的ilab平台从今年4月份开始建设，将素材加工并数字化，把得到的数据和3D标本等放在平台上。平台正好在疫情网课期间开始进行大规模的使用，边调试边改善，虚拟仿真运用到了目前专科生的病理学、实验教学中。
化学系的虚拟仿真有些“特别”。化学实验中心院长乐金华院长将数学的虚拟仿真实验分为“场景模拟仿真”和“物理场模拟仿真”两大类，“前者如立体影片，给你一个仿真的体验，而这类仿真能输出的内容是预先设好的，不会超出‘预设的空间’——就如影片没有拍摄到的区域和事情，是不会有的。化学场仿真则是基于真实的数学公式得到结果，只要构造的多项式对体系的描述足够建立和确切，实验中发生的所有事情，都能在仿真软件里‘数字化’体现下来，是更真实的全参数空间的模拟仿真。”简单来说，一个在模拟实验操作输出既定结果，一个是通过模型在模拟现实情况。乐金华说，她们仍然努力让中学生做“物理场模拟仿真”，包括用已有的软件平台，或自己写软件。今年，乐金华率领专科在生化学楼一楼的成果展示室自主完成了氢原子波函数展示的虚拟现实互动系统，这一学期，化学系又进行了扫描电子显微镜（SEM）和俄歇电子能谱（AES）两种“高端仪器”剖析的仿真实验项目建设。
“蛮好玩倒是真的，在模拟过程中，可以常常听到某个数据有很小的变化，但整体结果会天差地别。”2018级化学系专科生孙雯思评价道。她目前用的是像Zemax、之类的模拟化学场的软件，这类软件不重视实验过程，只须要输入边界条件等等数据就可以估算上场分布。“物理实验确实很须要模拟，我们之前做中国学院生化学学术大赛（China，简称CUPT）课题的时侯都用了模拟大学物理虚拟仿真实验平台厂家，尤其流体相关的实验都用了模拟。”她常常用模拟化学场的结果和实际实验结果对比，验证理论的正确性。
▲Zemax软件模拟侦测器后输出的内容。/图源：高任飞
以虚补实，虚实结合
虚拟仿真实验作为实体实验的辅助，可以挺好地补充实体实验。乐金华觉得，“理工科的中学生不仅仅是来实验室做过实验，而是着力让实验训练成为’人才培养’的有力的第二个支撑的重要作用，与理论课学习相辅相成”。实验教学应当综合实验室训练和虚拟仿真实验训练各自的优势，构建实践训练更深入、更完整、更全面的有机整体。
在病理学的ilab平台上，老师会对中学生的错误操作提出改正意见，对中学生的实验报告结果进行批改和反馈。王漱阳提及一个有趣的现象，“平台不光光是老师在设计，朋友也是参与到设计中的。”她介绍，平台将肿瘤的特点部位的标明、描述和解释开放给朋友，老师会选定一些实验完成质量高的中学生成为切块的标明员，而这种标明可以继续留给下一届的朋友去看，“参与我们的实验平台的建设，一方面是让朋友有参与感、荣誉感，另外一方面也是更好地推动她们对知识的运用和把握”。
王祥荣曾兼任过国外一些院校包括医学、土木工程类虚拟仿真项目的评审，他介绍，医大学的中学生要了解一个人体的各类系统各类脏器，但不可能都去做实体，借助虚拟仿真的软件则可以十分精细地去学习了解，甚至详尽到毛细血管、循环系统、血液系统的末梢。通过虚拟仿真进行知识储备，就有了真实场景下学习与操作的基础，达到事半功倍、节约时间、节约投资、减少风险的疗效。相较于线下实验，虚拟仿真实验更为便捷，中学生可以随时访问平台，进行预习备考，寻思、消化、拓展。
“所谓的以虚补实，就是用这些虚拟的环境来补充我们实体环境研究的不足。”王祥荣说，对于环境科学来说，好多现实中的风波发生之后不可重复，或则是危险系数很高，如北京物理港爆燃，森林火灾、海平面上升、洪涝、地震、海啸、飓风、泥石流、卫生防疫等。在研究的过程中也有好多时空的限制，例如研究全球气候变化带来的海平面上升，导致对城市防汛排涝方面的胁迫。在他看来，借助虚拟仿真实验可以达到事半功倍的疗效，借助VR技术虚拟仿真才能比较真实地重现原先的环境。
王祥荣提到，虚拟仿真实验教学是教育信息化的一个有效手段，用在教学方面，可以补充实体教学的不足，节省成本。科研和教学相辅相成，在研制平台的过程中也会结合科研工作的需求，二者互相推动。在建设平台时融入国家的重大项目，而虚拟仿真实验教学的建设大学物理虚拟仿真实验平台厂家，也可以启发和补贴科研的不足，提供创新思维。
资源共享，面向国际
环境科学虚拟仿真实验中心的实验课程对外开放，非环境专业的朋友也可以必修该课程。同时，王祥荣介绍，平台也对与相关合作的单位开放，产生资源共享，目前她们自主研制的几款虚拟仿真教学软件开放后访问量已近10万人次。王漱阳也提及，病理系的虚拟仿真实验平台也可能会继续扩大使用范围，包括所有医学生、留中学生班、非医学专业的中学生都可以适当的进行开放。
有些虚拟仿真项目也向社会开放服务。流行病学研究室为相关课程设计了“不明缘由疾患暴发调查与处置”虚拟仿真课堂，遇见疫情，本学期趁势举办在线教学，临床专业的中学生去防治医学教研室实习，也可借助该项目模拟实践。在疫情期间，由于正好涉及到疾患爆发调查与处置的内容，应北京市教育部要求，该项目已对外开放共享。
▲复旦学院公共卫生大学“不明缘由疾患暴发调查与处理”虚拟仿真项目。/图源：熊海燕
在国际上，环境科学虚拟仿真实验中心和日本方面有一些合作。王祥荣提到，前期与法国的合作主要以交流虚拟仿真教学的经验感受和举办讲堂为主，还有一些学术大会上的经验交流，下一步拟联合培养研究生、开展科研合作。印度西南学院牵头的全球硬度城市联盟（注：硬度城市指经济和财富表现在过去六年中明显提高，未来六年将继续下降并步入全球20强的城市），约请清华学院加入，形成全球硬度研究网路（GRRN）。王祥荣介绍：“在这儿可以进一步发挥我们虚拟仿真的作用，真实重现，以虚补实，促使我们的教学和科研方面的合作。目前日本、荷兰、法国、英国等国家，都见到海平面上升带来的一些环境的问题、生态的风险，我们希望通过国际合作的平台，进一步的来强化我们VR技术的应用，发挥它的作用。”
多重挑战，任重道远
虚拟仿真实验教学可以促进资源移动共享、培养拔尖创新人才、提升科学研究水平、推进研究成果转化等方面发展。王祥荣觉得，进一步推动虚拟仿真实验教学对于我们建设“双一流”来说有极大的推动的作用，从国外外的情况来看，知名的院校研究机构，包括政府，对虚拟仿真运用都非常注重。对中国各大院校而言，强化虚拟仿真教学，实际上是极大的促进了校际资源的共享，有助于相应学科和院校的建设。
然而，目前虚拟仿真实验正处在起步发展时期，须要改进和提高，也存在许多问题，面临发展的困局。
18级大气与海洋科学系专科生高任飞使用过虚拟仿真平台后认为，虚拟仿真还是未能取代实际实验，它在给人的实验觉得和实际达到的实验疗效里面都还有好多缺乏。在实体实验中，老师可十分直观地看见中学生的实验情况，而虚拟仿真实验则存在空间的隔离。诸如在平台上操作时，中学生可能找不到贴片和标本特点性的肿瘤部位，但相对于线下实验而言，难以直接向老师反馈。对于类似问题，王漱阳说，网课期间，老师会通过陌陌答疑的方式进行线上解疑，回校后，答疑的环节将会转移到线下。
疫情促使病理学ilab平台升级受限，网速成为一个重要的阻碍诱因。环境科学的虚拟仿真实验建设目前也遇见了困局——缺乏实验的场地和空间场所。似乎某种程度上虚拟仿真实验可以节省实验成本，而且平台本身的建设也须要大量的资金。
目前我校院系的虚拟仿真实验平台建设尚无专职人员。王漱阳提到，整个病理系的老师，甚至包括中学生，都是建设病理系ilab的团队成员。环境科学虚拟仿真实验的建设也是老师们在兼职。考虑到老师本身自己的科研教学任务比较忙碌紧张，所以在保证项目持续稳定开放上也存在一定挑战，王祥荣说，“期待中学给与全方位的大力支持。”
乐金华强调，如今，美国的数学模拟软件的功能越来越强悍，在各个领域的应用也越来越广泛，作为对比，我们国家自主开发的软件，渐渐长成“参天小树”的案例还比较少，“我们还须要大力投入仿真软件或工具的自主研制。”之前虚拟仿真实验项目的建设几乎都是各个院系老师的“单打独斗”，如今，在中学层面构建统一的校级平台，效率更优。虽然各院系有自身特性，建设ilab平台的公路不尽相同，但彼此间交流建设运行的经验，互相协调合作，不失为一种发展之道。
▲复旦学院病理系虚拟仿真实验教学中，同事对切块的标明。/图源：王漱阳
▲复旦学院环境科学部份科研成果转化为虚拟仿真实验教学内容。/图源：王祥荣
陌陌编辑|秦思晶