突如其来的疫情打乱了不少高校的教学计划。对于“新工科”人才培养而言，实验教学是其中的重要一环，在学生无法到校的情况下，虚拟仿真实验教学更彰显了用武之地，进一步推动了线上线下教学的互补融合。近日，北京理工大学能源与动力专业的老师们紧急动员，利用最先进的虚拟仿真技术，将《传感与测试技术》的实验课——“内燃机性能测试实验”搬到云端，使分布在全国各地的近百名同学在家就能轻松做实验。
助力云端教学：体验不同，收获不减
“当老师宣布我们的第一堂实验课要采用虚拟仿真的方式在家进行，我很是期待——虚拟仿真到底会是什么样？”北理工机械与车辆学院能源与动力专业大三本科生覃咏淳回忆，自己期待已久的虚拟仿真实验像在玩CS游戏，以第一人称视角在实验室中移动、完成各种任务，“好像实验室被自己一个人承包了”。
▲“内燃机性能测试”虚拟仿真实验效果图。
疫情期间，学生无法返校，理论教学可以通过线上完成，但实验教学却面临很大挑战。为了保障教学工作有序开展，北理工能源与动力专业的老师经过近两个月的准备，将国家级虚拟仿真教学项目——“内燃机性能测试”引入《传感与测试技术》课程，通过虚拟仿真技术，包括覃咏淳在内的诸多学生在家就可以身临其境地进入实验室，亲手搭建实验系统，近距离观察设备运行，认知不同传感器，并熟悉实验流程。这一虚拟实验在基本操作上参考了射击动作类游戏的操控模式，而且高度再现实验现场环境，如配置了内燃机运转立体声效，符合安全要求进入“设备间”后，离内燃机越近，声音也越响——专业性与趣味性相结合的设计很大提高了学生们的实验兴趣。
“在疫情爆发的特殊时期，这样一种线上虚拟仿真实验让我们能轻松、准确、快捷地完成原来必须在专业实验室才能进行的实验，确实是一种新奇的体验。” 北理工机械与车辆学院能源与动力专业大三本科生朱佳曦说道，“这种实验方式，一方面克服了实验仪器和规格上的限制，避免了出现安全事故、损坏仪器等不利因素；另一方面使得实验不受时间及空间的限制，从而让我们更自由地结合理论知识和自身学习程度，去完成并理解实验，甚至自主探索设计一些实验内容。”
▲ 北理工机械与车辆学院能源与动力专业本科生在家进行“内燃机性能测试”虚拟仿真实验。
对传统教学的延伸与拓展
与传统实验教学相比，虚拟仿真实验教学不仅能让学生足不出户做实验，最大限度降低疫情的影响，还凭借其可视化、生动性、交互性等优势对传统教学起到了延伸、拓展。早在2018年，教育部发文《教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》，要求着力构建基于信息技术的新型教育教学模式，推进现代信息技术融入实验教学项目。近些年来，虚拟仿真实验在国内高校得到比较快的发展与普及，已在人才培养及实验教学方面起到了重要的作用。
▲ 北理工机械与车辆学院能源与动力专业本科生在家进行“内燃机性能测试”虚拟仿真实验。
以“内燃机性能测试实验”为例，传统的内燃机实验教学有着难以独立操作、无法近距离观察、难以开展极限条件下的实验等难题，虚拟现实技术则为解决上述难题提供了有力技术手段。据北理工副教授、博导、《传感与测试技术》主讲教师、内燃机虚拟仿真国家级教学项目技术负责人何旭介绍，这种新型的沉浸式深度体验教学，将传统理论教学中的相关知识与实验过程紧密有机结合，在此基础上，学生还可以自己设计实验方案，探索内燃机在“高温、高寒、高原”极端恶劣条件的工作过程，培养学生的自主创新能力。此外，虚拟仿真实验可以自动记录学生操作过程和完成情况，并形成个性化评价，有助于学生发现自身不足，有针对性地做改善提高。
北理工一直在倡导“以学生为中心”的教学模式改革，此次疫情加速了这种转变。“虚拟仿真项目是为了弥补真实实验的某些不足，然而，在疫情爆发的特殊时期，却成了实验教学的首选。” 北理工教授、博导、“内燃机性能测试”国家级虚拟仿真项目负责人张卫正说道，“当我们放下‘实践能力、动手能力、实验研究能力只能由真实实验来锻炼、来提高’的观念，就会发现虚拟仿真实验不仅能培养使用者进行规范化实验的能力、进行创新实验研究的能力，还能培养使用者的实验研究的素养和对实验研究的兴趣。这也是该虚拟仿真项目的一个巨大收获。”
据悉，目前该虚拟仿真实验教学项目除了用于北理工日常教学外，已向社会开放共享，为其他兄弟院校、培训机构和厂矿企业提供虚拟仿真实验支持，满足社会多元化需求。同时正在制作英文版，以期在将来的“一带一路”教育文化交流合作中发挥作用。