虛擬仿真技術在高校教學中的應用分析

摘"要：虛擬仿真教學已成為高校轉變教育教學方式、提高教育教學水平和提升人才培養(yǎng)質量的重要途徑之一。首先對虛擬仿真技術及其特點進行闡述，列舉虛擬仿真教學的技術手段；其次對虛擬仿真技術在高校教學中的應用現(xiàn)狀進行論述，重點討論虛擬仿真技術在軍事裝備教學中的應用；最后分析總結虛擬仿真技術在高校教學中應用的優(yōu)勢與不足，并提出具體建議。關鍵詞：虛擬仿真技術；高校教學；虛擬仿真教學0"引言信息技術的發(fā)展和應用提升了高校教學質量，在一系列教學手段、方法的改革實踐過程中，越來越多的高校認識到了虛擬仿真技術的教學應用價值，從而加大力度開展虛擬仿真教學[1]。教育部早在2013年便提出要面向普通本科和軍隊本科院校開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設，這充分體現(xiàn)了虛擬仿真教學在高校教學體系中的重要地位[2]。本文首先闡述虛擬仿真技術及其特點，列舉虛擬仿真教學所依賴的技術手段；其次對虛擬仿真技術在高校教學中的應用現(xiàn)狀與趨勢進行論述，重點討論虛擬仿真技術在軍事裝備教學中的應用；最后分析總結虛擬仿真技術在高校教學中應用的優(yōu)勢與不足，并提出了具體的方法建議，可為今后高校虛擬仿真教學的建設和應用提供參考。1"虛擬仿真技術及其特點虛擬仿真技術是綜合多種信息技術來構建和展現(xiàn)虛擬世界的一種綜合性復雜技術[3]，其中包括計算機仿真、互聯(lián)網(wǎng)、三維可視化、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、多媒體和移動通信等技術[3-4]。它可以構建人、機、環(huán)境三位一體分布式多維信息交互的高度仿真模型對象和仿真虛擬環(huán)境；能夠對外部下達的指令作出及時反饋，對復雜對象的改變進行推演，對虛擬對象的內在本質進行表達，將抽象概念形象化，現(xiàn)已廣泛應用于教育、文化、醫(yī)療和娛樂等行業(yè)領域[4-5]。虛擬仿真技術的主要特點體現(xiàn)在沉浸性、交互性、構想性、可伸縮性和智能化等五個方面[3]。2"虛擬仿真教學技術手段提到虛擬仿真教學，現(xiàn)階段更多是指基于計算機系統(tǒng)融合仿真技術來賦能教學，其離不開虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）、混合現(xiàn)實（MR）、數(shù)字孿生、元宇宙等技術手段的支持[6]。目前，虛擬仿真教學比較依賴的主流技術有虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實和混合現(xiàn)實三種，而其他幾種技術多用于工業(yè)制造、工程建設等領域，存在成本高昂或還處于研發(fā)階段等局限性，并不適合大規(guī)模投入教學使用。因此，要將虛擬仿真技術與教學進行深度融合，需探究虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實和混合現(xiàn)實這三種技術的定義及其區(qū)別。2.1"虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實是以計算機仿真技術為核心，融合相關科學技術，將一定范圍內的物理環(huán)境構建成與之高度相似的數(shù)字化環(huán)境[6-7]。即多元化信息融合的虛實交互式三維動態(tài)系統(tǒng)仿真，能夠通過計算機形成高度逼真的虛擬世界，具有沉浸性、交互性和構想性三大特性[3]，主要是針對虛擬對象的外在表現(xiàn)進行表達，重點關注讓使用者在視覺、觸覺、聽覺和嗅覺等多感官和表情、肢體的控制方面，感受到接近被模仿環(huán)境的效果。2.2"增強現(xiàn)實相對虛擬現(xiàn)實的純虛擬環(huán)境而言，增強現(xiàn)實則是在可見物理環(huán)境基礎上進行局部虛擬化，通過將相關虛擬信息疊加在以現(xiàn)實場景可見物為基準的某一局部位置實現(xiàn)實時交互虛擬信息，達到視覺增強的特殊效果[6-7]。其具有人機實時交互、虛擬現(xiàn)實結合和三維跟蹤注冊三大特征，主要應用的終端產(chǎn)品形態(tài)集中在智能眼鏡、頭戴設備等方面[3]。2.3"混合現(xiàn)實混合現(xiàn)實是虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實融合產(chǎn)物的最終形態(tài)[6-8]。通過將現(xiàn)實場景信息引入虛擬環(huán)境中，形成數(shù)字化對象與物理對象交互共存的全新可視化環(huán)境，同時在虛擬、現(xiàn)實和使用者三者之間搭建信息交互反饋回路，以增強使用者的真實感。相對于增強現(xiàn)實，其核心能力是可以實現(xiàn)對可視化虛擬對象進行操控，因其對虛擬對象的物理特性建模要求較高，技術復雜程度較高，故應用范圍較受局限。3"虛擬仿真技術在高校教學中的應用現(xiàn)狀從發(fā)展歷程看，我國虛擬仿真教學總體上可分為三個階段[9]：2013—2016年，為虛擬仿真實驗教學中心建設階段；2017—2019年，為虛擬仿真教學資源建設階段；2020年至今，為虛擬仿真教學平臺化發(fā)展階段。虛擬仿真技術在教學中的應用場景包括賦能理論和實踐教學、實驗室教學、實習實訓，輔助共享互動教育，助力開展虛擬教室、數(shù)字圖書館、數(shù)字校園和虛擬場館的建設等?？梢钥闯?，虛擬仿真技術正在深度融入教學全過程，并構建出一種虛實結合的學習方式和教學模式。3.1"輔助理論教學，提升課堂教學質量很多專業(yè)課程涉及抽象性概念、原理和結構。如機械工程專業(yè)課程中的發(fā)動機工作原理和復雜結構，大學基礎物理課程中所提到的相對論、量子效應等概念。這些內容單憑課堂講解、模型或平面圖的簡單示意，很難讓學生全面掌握和理解，而利用虛擬仿真技術輔助理論教學，可將工作原理、工作過程等用更直觀、立體、動態(tài)的方式呈現(xiàn)給學生，使抽象的理論知識具體化，這樣既可以激發(fā)學生的學習興趣，也可為教學過程中涉及的抽象理論、復雜流程的教學提供技術支撐。將虛擬仿真技術應用到課堂教學中，給學生構建一個真實可感的實踐環(huán)境。學生既可以在理論教學的課堂上同步完成驗證性實踐活動，又可以實時反饋實踐活動評價結果，從而實現(xiàn)理論教學與驗證性實踐活動在課堂上的深度融合。引入虛擬仿真教學加強了理論教學與實踐教學相關知識的聯(lián)系，教學過程形象逼真，使學生能夠更加直觀地掌握抽象的理論知識要點，從而提升自身專業(yè)技能，強化綜合能力。應用虛擬仿真技術，進一步提升實踐教學的真實感，構建完善的實踐教學體系，全方位提升教學質量和教學效果[10]。3.2"解除限制，補齊短板，轉變實驗教學模式傳統(tǒng)實驗教學通常以固定實驗步驟方法、確定實驗結果的方式進行。其優(yōu)點是實驗集中規(guī)范、管理嚴密便捷、評價標準統(tǒng)一；缺點是實驗內容固化，實驗過程機械，抑制了學生的學習主動性[11]。同時，與信息化教學相比，傳統(tǒng)實驗教學方式在部分實驗項目的實際教學過程中還存在高危險、高消耗、高成本和污染嚴重等問題，存在不具備、不可及、不可逆和不可開設等一系列難以克服的條件，項目受時間、地點、人物等條件的限制，導致實驗教學計劃不能安全有效地開展，嚴重制約了實驗教學的質量[5]。因此，引入虛擬仿真技術創(chuàng)新實驗教學技術手段逐漸成為重塑實驗教學課程體系的重要突破口。虛擬實驗室是虛擬仿真技術最重要的教育應用場景之一，為實驗教學提供了全新環(huán)境，既能克服傳統(tǒng)實驗教學的弊端，打破實驗內容體系固化、受限于教材的現(xiàn)狀，彌補當前實驗教學中的系列短板，又能形象逼真地構建虛擬場景，多元化實驗內容，再現(xiàn)實驗過程[12]。在充分發(fā)揮學生的積極性、主動性和創(chuàng)造性，促進其能力提升全面發(fā)展的同時，優(yōu)化整合教育資源，拓展實驗教學的內容深度和廣度，提高實驗教學質量和水平。高校虛擬仿真實驗教學作為一種全新的教學形態(tài)，其發(fā)展過程經(jīng)歷了三大階段：2013—2016年，面向普通本科高校、軍隊本科高校，以國家級虛擬仿真實驗教學中心為主要載體；2017—2019年，虛擬仿真實驗教學項目成為基本單元；2019年底至今，虛擬仿真實驗教學項目基本單元向虛擬仿真實驗教學一流課程轉變。虛擬仿真實驗教學已經(jīng)展現(xiàn)出實驗內容多元化、實驗過程自主化、質量評價規(guī)范化、教學裝備智能化、教學應用常態(tài)化等內涵和特征[11-13]。推進虛擬仿真實驗教學應始終堅持問題導向和需求導向，面向“自主化、體系化、資源化、裝備化和標準化”的新理念方向發(fā)展[13-14]；加快構建以學生為主體的自主學習空間，形成完善的虛擬仿真教學體系，拓展虛擬仿真實驗教學組織形式；研發(fā)多單位、多學科和多專業(yè)類別的虛擬仿真教學資源；配備多種智能教學終端，構建開放式虛擬仿真教學平臺；滿足相關教育行業(yè)標準的規(guī)定。3.3"虛實一體，智慧教學，提升實習實訓效果實習實訓是高校開展工程實踐教學的一門必修課程，旨在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，提升其專業(yè)技能。將新一代信息技術和實習實訓深度融合，構建虛實一體的新型實習實訓模擬系統(tǒng)，用3D虛擬建模的手段設計實訓工具、器材，可以節(jié)約設備的更新維護、場地的鋪設管理成本。通過構建不同配置的虛擬實訓環(huán)境，設置不同的虛擬參數(shù)，可以降低任務安全風險，克服教學過程中看不到、進不去的弊端，打破傳統(tǒng)實習實訓的固化機制，讓學生能夠反復多次進行實踐技能訓練，進一步強化實操能力，加深對理論的理解，激發(fā)培訓熱情，最大程度發(fā)揮學生的創(chuàng)造性思維，提升實習實訓效率[15-16]。同時，利用虛擬仿真技術可再現(xiàn)企業(yè)制造空間，針對學生在企業(yè)實習環(huán)節(jié)中面臨的時間、空間、技術和安全等限制條件進行改善和強化，高效推動實習實訓工作的開展。在新工科建設背景下，為培養(yǎng)高素質、高水平技術人才，對接企業(yè)目標需求，高?？梢詫⑻摂M仿真教學軟件、教學平臺同現(xiàn)實生產(chǎn)相結合，構建校企合作的虛擬仿真實習實訓教學模式，實施一種全新的智慧教學方案[17]。同時，在校內理論和實踐教學的基礎上，配置企業(yè)專業(yè)技術導師，共同引導學生完成實習實訓任務，使學生在參與虛擬仿真實習實訓過程中達成掌握知識、提升職業(yè)技能的目標。3.4"虛擬互動，遠程共享，減少教育資源浪費當前，部分高校擁有高質量的特色專業(yè)教學資源，絕大部分教學資源的應用范圍僅限于本校、本學科和本專業(yè)，很少與其他院校、專業(yè)和社會機構互動共享[13]。隨著新一代信息技術的發(fā)展，異地多人協(xié)同的虛擬仿真互動共享教學成為減少教育資源浪費的有力措施之一。通過各單位之間相互研討、交流和借鑒，建設適于本校專業(yè)教學目標的線上線下混合的特色教學資源，統(tǒng)一管理；整合校內外、相關企事業(yè)單位的虛擬仿真資源，開放虛擬仿真綜合教學平臺，共享基于軟件、儀器和遠程控制的虛擬仿真教學資源，實現(xiàn)校內外教學資源互通，最終滿足跨地區(qū)、跨領域、跨高校和跨專業(yè)的高質量教學資源互動、共享需求[18]。教育實踐表明，基于虛擬仿真技術的混合式教學和學習模式可為綜合協(xié)作、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃挑戰(zhàn)、學科競賽和科創(chuàng)興趣團隊等實踐活動內容的設計和實現(xiàn)創(chuàng)造優(yōu)勢條件。通過打破傳統(tǒng)的專業(yè)思維局限，構建跨專業(yè)交流的在線學習環(huán)境、平臺和工具，不同專業(yè)之間形成優(yōu)勢師資互補，使教學資源向高質量、多樣化方向發(fā)展，幫助學生提升專業(yè)水平，強化解決專業(yè)問題的能力。3.5"虛擬仿真聯(lián)教聯(lián)訓助力軍事裝備教學當前，軍事院校裝備教學經(jīng)常面臨實際裝備資源不足、裝備迭代更新快、裝備過度損耗、裝備拆卸困難等問題，加之操作訓練人員多、重復性強、過程復雜，導致裝備教學安全風險加大，學員崗位培訓實踐范圍受限[19-21]。采用虛擬仿真技術手段的虛實結合教學可以有效克服上述問題，是提高裝備教學效果，提升軍事人才培養(yǎng)質量的高效途徑，也是服務于崗位任職培訓的重要舉措。例如：通過構建虛擬仿真裝備機電教學系統(tǒng)，可有效解決實際裝備不足、迭代更新?lián)p耗快的問題；虛擬仿真裝備實驗教學平臺可融合多學科交叉優(yōu)勢，整合優(yōu)勢資源，實現(xiàn)裝備靜態(tài)建模、虛擬拆卸裝配和仿真模擬等功能；學員可重復操作、反復實驗練習，進一步擴大實踐范圍、降低安全風險，保障了人員與裝備安全[19]。虛擬仿真技術在軍事裝備教學領域的應用范圍包括：軍事裝備理論教學、軍事裝備操作教學、軍事裝備維修教學、軍事裝備研制開發(fā)等。通過打破時間、地域限制，營造裝備虛擬戰(zhàn)時場景氛圍，縮短與部隊之間的裝備環(huán)境差異，擺脫傳統(tǒng)灌輸式教學模式，充分發(fā)揮學員的主觀能動性，實現(xiàn)真正的參與式教學[21]，使裝備理論教學內容生動形象化、裝備維修戰(zhàn)時場景虛擬現(xiàn)實化、裝備操作能力培養(yǎng)具體任務化、裝備研制開發(fā)設計過程系統(tǒng)化。遠程虛擬仿真聯(lián)教聯(lián)訓教學機制是深入推進軍事裝備教學的重要發(fā)展方向。通過內部網(wǎng)絡連接，構建院校與部隊的遠程共享平臺，可實現(xiàn)教學資源的同步共享，根據(jù)實戰(zhàn)環(huán)境進行虛擬場景的轉換開發(fā)，充分對接需求供給雙方[20]。院校要積極探索遠程虛擬仿真教學手段，加快構建、改善虛擬仿真教學環(huán)境，建立完善的虛擬課程標準管理體系，實現(xiàn)各裝備教學單元、要素和系統(tǒng)的互聯(lián)互通，精確掌控裝備教學的全過程，實時記錄和備份教學資源數(shù)據(jù)，為切實縮小院校與部隊之間的差距，為部隊培養(yǎng)輸送裝備技術人才，有效提升部隊戰(zhàn)斗力提供保障支持。4"虛擬仿真教學的優(yōu)勢與不足4.1"虛擬仿真教學的優(yōu)勢關于虛擬仿真教學的優(yōu)勢可以從三個方面進行分析。1）學生方面。虛擬仿真教學以學生為中心，通過人機交互的虛擬場景調動學生的主觀能動性，激發(fā)其學習興趣，提高其學習積極性，使其達到深度學習效果，提高學習效率。在促進學生創(chuàng)新創(chuàng)造能力養(yǎng)成的同時，使其避免實踐操作中的潛在危險，增強教學安全性。2）教師方面。打破傳統(tǒng)教學受到時間、地域限制的局限性，通過虛擬仿真師生交互的形式對教學內容講解進行優(yōu)化補充，幫助教師跳出各種煩瑣性、低階性、過程性和操作性的指導環(huán)節(jié)，全身心投入教授學生知識內容、創(chuàng)新方法、思維能力等高階性指導中去。3）學校方面。引入虛擬仿真教學能夠營造一個更加生動直觀、實踐性強的學習與教學環(huán)境；節(jié)省教育成本，改變由于經(jīng)費條件限制導致的現(xiàn)有教學條件和設施落后的問題；豐富教學內容，解決部分教學內容教學效果差或不能實現(xiàn)的問題；優(yōu)化資源配置，彌補遠程教學條件的不足，最大程度實現(xiàn)優(yōu)質教學資源的充分使用和開放共享；降低教學風險，破解理論教學、實踐教學、實驗教學、實習實訓等過程中的難題，對提高教學質量，促進數(shù)字化校園建設發(fā)展具有重要作用[22]。4.2"虛擬仿真教學的不足研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段虛擬仿真教學的不足主要體現(xiàn)在：1）配套硬件設備