知识源于沉淀 文|中国科学报记者陈彬
大连理工大学信息与通信工程学院学生石泽哲作为一名工科生，一生都要做实验。然而，他在学校的几年里，他的一些实验都是在宿舍里完成的。
具体实验过程并不复杂——自己找时间，打开电脑，在网上实验平台找一个空免费实验仪器，提交申请，通过后就可以在电脑上做实验了。
需要指出的是，石泽哲此时并不是在网络中进行虚拟实验。事实上，他在电脑上的每一步操作，都会被学校某实验室的实验设备忠实执行，实验过程中产生的每一个数据，也会实时出现在石泽哲的电脑屏幕上。
在大连理工大学，这种实验方法被称为“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工程国家实验教学示范中心，《中国科学报》记者看到了连接在学生普通电脑上的实验设备——一个丑陋的“大箱子”。学生可以在“盒子”上手动搭配各种实验元件，根据不同的实验目的模拟不同的电路操作。这个“盒子”里面还藏着另一套操作设备，在线的同学可以通过它实现对仪器的远程真实控制，远程获取仪器的各种真实实验数据。
“在学校里，能实现虚实结合操作的设备远不止一种。大连理工大学是国内最早开展相关探索的高校之一。”王示范中心主任说。
大连理工大学电工电子国家实验教学示范中心于2007年获批，2012年通过验收。但学校在虚实结合实验教学方面的探索，已经有近20年的历史。
据大连理工大学教务处主任介绍，2004年，学校与美国麻省理工学院(MIT)达成合作，双方实现了课程和部分教学资源的共享。不过课程资源是可以共享的。位于大洋彼岸的实验设备资源如何为中国学生所用？
“当时我正赶上麻省理工学院开发一个可以远程控制实验设备的系统。因此，电信学院的教师与麻省理工学院一起开发了四个MIT-iLab实验项目。在每个实验项目中，学生可以远程操作校园内麻省理工学院实验室的设备。”说，在这个过程中，大连理工大学的老师们逐渐意识到这个体系背后的巨大教学价值。
王告诉《中国科学报》记者，在面向学生的实验教学中，无论是线下实验还是线上虚拟仿真实验都有一定的局限性。比如线下实践受时间和空限制，学生真正“入门”的机会不多，效率难以提高；虚拟仿真实验难以真实模拟现场实验，尤其难以产生真实数据，大大降低了实验教学效果。
相比之下，“虚实结合”法结合了线下和线上的优势。这种方法一方面克服了时间空的限制，大大提高了设备的利用效率；另一方面，因为获得的数据都是真实生成的，真实性是可以保证的，后者更重要。
王说，实验教学必须立足于实际。比如在实验操作中，两根导线是并排还是“绑”在一起都会对实验效果产生影响，但这种差异在虚拟仿真中很难体现出来。有些数据甚至更难通过虚拟计算获得。但在虚实结合的实验条件下，即使在虚拟环境下，所有的数据都是真实的，而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。
基于这种考虑，大连理工大学不仅将MIT系统引入校园，还进行了大量的本地化研发，并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自主学习、自主管理、开放地点、开放时间、开放内容的多自由度集成创新实践教育新生态。”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为虚拟仿真平台的校园网出口，由教务处规划管理；M是现实与现实相结合的M个实验教学中心或与互联网相连的虚拟仿真；n是全校内外开放共享的n个实验项目，实现了网上实验管理的规范化、运行的顺畅化、使用的集约化和理工科效益的最大化。
就在这个模拟实验教学平台日臻完善的时候，席卷全球的新冠肺炎疫情爆发了。
“设计的时候，我们没想到会出现这样的意外情况。但客观来说，这种虚实结合的实验体系，确实把疫情对实验课程的影响降到了最低。”王说，当学生恢复正常教学时，他们需要补“极少数”实验班。
尽管如此，王仍然强调，在实验教学的“虚”与“实”之间，要坚持“重在实，能做实”的原则，最大限度地给学生实践的机会和空。
“虽然‘虚拟’有很多含义，比如数据共享、克服时间空限制等，但它的存在是为了提高学生的实践能力。其本质仍然是对学生实践训练的补充，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原则。
在实际工作中，大连理工大学实验教师最关心的一个问题是虚拟实验步骤能否尽可能接近真实实验。
“很多学校经常把虚拟实验做成‘演示实验’，可以应用于理论课，服务于老师的课程，但作为实验课显然是不够的，也不是我们的初衷。“在采访中，有老师直言，作为一门实验课，必须让学生在实验过程中犯错，同时能够改正，这才是最重要的。
对此，石泽哲深有体会。
“我们不太喜欢纯虚拟仿真，因为太理想化了。”他告诉《中国科学》，他不习惯这种完全没有错误的感觉。“即使你测量的时候方法不对，或者实验本身存在一些bug(缺陷)，大部分模拟系统也看不出来。在这种环境下做实验有什么意义？”
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体系已经走出校园，在国内多所高校得到应用。
“既有省内高校，也有千里之外的省外高校。”据王介绍，通过该系统，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，一些学校甚至为学生开设了实践选修课或必修课。
然而，这并不是这个系统的“最终形式”。
比如，一直在思考，如何把这个体系和企业结合起来，为产教融合、科教融合提供新的解决方案。
“一个不容忽视的事实是，随着大学生规模的扩大和企业智能化生产、自动化程度的提高，很多学生的企业实习变成了‘走马观花’，学生很难亲自操作各种先进设备。\”他说，如果能够利用数字技术，将工厂设备的真实数据实时提供给学生，甚至让学生远程控制一些闲置的设备，无疑会大大增强学生的实习参与感和实践研究能力。
据记者了解，目前高校、科研院所和一线生产企业已经实现了相关数据的实时共享和传输，但在学生培养，尤其是本科培养中，这样的尝试还很少。
说，在传统观念中，培养学生做实验的目的是提高学生的动手操作能力，但现阶段这种观念需要改变——重要的是提高学生的创新思维和实验研究能力。毕竟，随着技术和自动化程度的提高，即使在实际工厂中，真正需要工人“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，即使是一线工作者，对自己运用实际数据分析问题、解决问题的能力要求也越来越高，这反过来也倒逼高校的实践教学更加贴近真实数据、真实工程设备。相比体验真实的生产场景，利用真实的生产数据和设备运行参数进行研究分析更为重要。学校更应该重视学生实验研究能力和素质的提高，但这显然不是学校自己的实验教学设备所能达到的。
“从这个角度来看，产教融合、科教融合的重要性日益凸显，但如何在校园、企业、科教平台之间搭建桥梁，更值得思考。这种虚实结合、远程控制的方式，或许是解决工科在线实验问题的好办法。”说。
