什么是仿真实验？仿真实验是一种新兴的虚拟实验技术，没有普通意义上的实验器材，而是在计算机上用仿真软件通过一定的程序设计来模拟现实实验的效果。学生可以在仿真平台中操作化工设备、挖掘矿井、培养微生物等等，例如，图1所示极端条件下可控制备多维石墨烯虚拟仿真实验。实验人员只需要登陆一台计算机，就可以在任意时间地点进行复杂的实验，不受气候、物资、审批等因素的制约，不会产生真正的实验废弃物和污染物，也节约了实体实验室所需的大量经费。

图1 极端条件下可控制备多维石墨烯虚拟仿真实验

近年来，仿真实验平台迅速走入各大高校，用来代替一些成本较高的真实实验，或作为实践教学的补充，为学生提供更便捷的实验机会。随着技术和设计理念的发展，仿真实验平台的构建并不仅局限于传统的理工实验，也可以是对一座历史博物馆或实地教学基地的模拟，让学生足不出户即可进行模拟的实地游览学习。

在享受仿真实验平台带来的便利的同时，我们必须注意到，目前绝大多数仿真实验平台都有操作的局限性，实验流程基本固定，操作者与模拟场景的互动性有限，缺少智能化互动等缺点，学生在虚拟场景中无法充分发挥能动性，只能按照既定动作和流程进行“正确的”操作，否则系统将无法做出反应。这一方面证明仿真实验技术还没有得到充分的开发、没有完全模拟现实实验具有的优点，另一方面也意味着仿真实验平台拥有宽广的可优化空间，其虚拟性所具有的潜在优势是巨大的。如果优化程序，仿真实验技术将会具有更加广阔的应用前景。

仿真实验平台在实验室安全教育方面的应用前景

实验室安全教育是所有实验相关人员的必修课。频频发生的实验室或工厂、工地安全事故，都在提醒着所有的实践教学参与者，尤其是经验少的学生，应当充分强化安全意识，培养处理突发事件的能力。“隐患险于明火，防范胜于救灾”，实验室安全教育就是为了通过规范实验操作、阐明潜在风险、传授处置方法，来培养学生的防范意识和处突能力。然而，按照传统实验室安全教育的方法，仅靠几段视频演示、一张操作规范，并不能使学生很好地形成对危险的直观印象，难以让他们意识到实验事故可能造成的严重后果，进而也难以真正端正其防范意识、培训其处突能力。

俗话说“一朝被蛇咬，十年怕井绳”，想让学生真正意识到事故的严重性、真正磨练操作能力，最好的方法便是让他们感受一次事故的后果，并且靠自己的能力保护自己、生存下来。然而，任何教育或培训机构都不可能真正让学生承受“被蛇咬”的代价，而仿真实验技术的出现，恰为这一难题提供了解决方案。通过对仿真实验平台进行良好的程序设计，改变以往只允许学生进行“正确”操作的弊端，进一步允许学生进行“错误”的操作，教育者就可以利用仿真实验的虚拟性，在虚拟空间中模拟出许多在真实实验中无法承受的危险情况，让学生沉浸式体验实验室危险，并利用近乎无限的试错机会，通过自主探索的方式，发挥主观能动性，牢固地记忆危险情况、其产生原因及其应对方法，了解各种药品、设备的性质和安全隐患，真正成为合格的安全操作者。在学生的操作过程中，模拟环境能够提供纸面考试所不能还原的现场感、时间感、心理压力等隐形影响因素，通过平台的数字化记录，能实现精准、真实的便捷考核，让准入资格更能反映真实情况。

仿真实验的一种设计思路

应用在实验室安全教育上的仿真实验平台，其程序的设计思路和具体编程可以在成熟领域的模拟器软件基础上，强调最终的学习教育性、错误操作强化性和准入考核真实性。

1.目标主体

对实验基本操作和实验室组成有一定了解，但实践经验很少的大学生。

2.目标客体

一些操作技巧要求高，潜在危险多，真实试错成本大的实验课程。

3.程序设计

核心思想是充分发挥学生的主观能动性，尽量少给提示，少做限制，但是进行的操作都有评分记录，并最终生成结果。学生登陆平台，系统会提示本次实验目的和基本方法，学生随即进入仿真实验室；首先进入准备区，其中放置着各种学生可能用到的物品，学生需要根据对实验方法和目的的认识，自由选择要带进实验室的装备，系统会记录学生进行的选择并给出该步骤的分数。这一步选择的装备对后续操作产生的影响，计入下一个环节。然后，学生进入操作区域，进行对应的操作。

图2 污水处理单元虚拟现实教学实验中学生操作的人物形象

本系统不同于传统仿真实验系统的地方就在于其自由度高，学生控制的角色如同真人一样，例如，图2所示，可以被掌握的只有操作方向、操作方式和操作程度。对于一个待完成的操作，学生需要凭借自己对实验的理解，先检查环境，再进行操作方向和操作方式的选择，并在操作时把控其程度。如果学生对任意环节操作不当，遗漏或误操作，系统会模拟出对应的事故结果，学生又要对这一事故状况进行补救操作，系统记录并用于最终评分。在操作模拟结束后，系统根据全部操作记录和事故状况，对学生操纵的角色形象进行身体伤害仿真，或按照设备药品损失要求角色支付虚拟货币。最后系统讲解学生是哪里出了问题被扣分，讲解涉及到的事物的性质和标准操作，学生学习后重新开始，直到最后完全规范完成，即可获得准入资格。

4.实践

将上述思路引入微生物实验。学生打开系统，系统提示：“本次实验内容是倒平板培养基，你的操作方法、配方和剂量如下……”学生阅读后，进入仿真。首先进入准备室，其中有若干实验服，橡胶手套，隔热手套，护目镜，不同尺寸的量筒和锥形瓶，玻璃棒等基本用品。系统后台设定学生应选其中的一些（如前三项，不选则减分），可选其中的另一些（如护目镜，选了不扣分），不可选无关的干扰项（如尺寸不恰当的量筒和锥形瓶，选了则扣分）。在后面的模拟中，例如“将仍有余热的琼脂液体培养基倒入培养皿”这一步，如果学生之前没有选择携带隔热手套，操作角色用手直接接触滚烫的锥形瓶，角色会发出痛苦的喊叫，造成深刻的视听印象，系统会记录这一问题。最终评分时，系统会在角色形象上生成一只红色的烫出水泡的手，并告知学生错误在于没有选择隔热手套。如果学生没有很好地控制角色倾倒液体的力度，滚烫的液体会洒出来，造成不同程度的损害，比如污损了超净台，学生就需要进行清理，在清理时又要保证其他部分免遭二次污染。最后得到一个低分结果，系统告知不足在于倾倒力度过大，或溅到了衣物上（这也对应了实验服的选择），最后生成一个衣服脏兮兮的人物形象，系统告知不足在于没选择实验服，以及倾倒力度没有控制在合适区间。当学生不断重复这一实验模拟，最终取得一个高分结果和一个完好无损的角色形象，系统即可评定其获得了本实验的安全准入资格。

仿真实验平台在其他领域中的应用情况

在高校的实验教学领域，目前已有面向煤矿、化工、建筑领域的虚拟安全教育平台，但可以发现，这些平台大多仍不具有“试错-模拟伤害-加深印象”这一学习原理，仍是采用“游览观光”式的学习模式和循规蹈矩的操作模式，没有真正发挥出虚拟实验的核心优势。

仿真平台模拟真实生活所不能发生的危险，考验和磨练操作者能力的这一核心优势，已经在其他领域得到了一定的发展。尤其是在商业程度较高的电子竞技领域、虚拟教学起步较早的特种车船飞行器驾驶员训练领域，现已存在多款高自由度、高操作性、高智能化的场景模拟类模拟器软件，仿真场景主要集中在战场等危险环境或高技术要求的设备操作环节，例如模拟战场对抗以进行虚拟竞赛、模拟特种车辆的驾驶以训练驾驶员、模拟军用航空器的飞行和起降以训练飞行员等等。

总结与展望

当今世界，基于互联网+、人工智能和大数据的虚拟世界正在突飞猛进地开疆拓土，包括实验室教学工作在内的传统实践教学科目也应当更好地利用这一新技术作为传统方法的重要补充手段，传统上少有结合实践的理论教学科目也应当借助虚拟平台的便捷性，进行更多的实践探索。各实验教学部门应当与计算机专业更紧密地进行学科交叉，设计出更符合真实操作环境的仿真实验平台，在虚拟世界中构建出真实实验中难以实现的环境，为学生带来更加全面的实验学习体验。本文所述的利用仿真实验平台进行实验室安全教育和准入考核，仅仅是未来无数种应用前景中的沧海一粟，只是这一宏大潮流中微小的一滴水，如果能抛砖引玉，启发广大的实践教学工作者和计算机专家，将真实实验的仿真创新继续向前推进，笔者将不胜荣幸。