虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在人才培養(yǎng)中的應(yīng)用與探索
——以“電工電子技術(shù)”課程為例＊

伍玲密，周蘇潔，鄭 偉，蘇志賢

（浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州325016）

在信息化時(shí)代到來之前，中國高校的教育主要以傳統(tǒng)的教科書教學(xué)為主，較多依賴實(shí)體設(shè)備，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)投入較大，教學(xué)內(nèi)容和實(shí)體設(shè)備更新?lián)Q代較為緩慢。虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)，解決了以上問題，使得教學(xué)資源朝多樣化的趨勢(shì)發(fā)展。本文從虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)出發(fā)，以“電工電子技術(shù)”課程為例，淺析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在人才培養(yǎng)中的相關(guān)情況。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

為了深入貫徹習(xí)總書記關(guān)于高校人才培養(yǎng)的重要講話精神及根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020 年）》和《2020 年教育信息化和網(wǎng)絡(luò)工作要點(diǎn)》等相關(guān)要求[1]，為了深入推進(jìn)現(xiàn)代信息化技術(shù)與高等教育教學(xué)的深度融合，不斷加強(qiáng)教育教學(xué)中資源的優(yōu)化與應(yīng)用，不斷與時(shí)俱進(jìn)地探索新一代實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，各大高校深入開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)并建立各類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)[2]，同時(shí)積極推動(dòng)線上與線下教學(xué)的融合化，兼顧個(gè)性化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的教學(xué)新模式，形成教學(xué)內(nèi)容布置合理、教學(xué)效果優(yōu)良、教學(xué)方式深受學(xué)生喜愛且具有開放共享特征的信息化教學(xué)新體系[3]。

經(jīng)過多年建設(shè)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已經(jīng)成為學(xué)生喜聞樂見的教學(xué)方式，成為教師新時(shí)代的得力教學(xué)助手，為進(jìn)一步深度化提升學(xué)生實(shí)踐教學(xué)效果提供了一種嶄新的教學(xué)模式[4-6]。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在深入推進(jìn)中出現(xiàn)了諸如過于依賴虛擬仿真技術(shù)，虛擬教學(xué)內(nèi)容選擇不當(dāng)，虛擬教學(xué)考核模式與現(xiàn)有考核模式有沖突，師資隊(duì)伍建設(shè)難以滿足現(xiàn)代信息化技術(shù)的發(fā)展，尤其體現(xiàn)在如何提升虛擬仿真教育生命力等各類問題[7]。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的構(gòu)建

針對(duì)上述問題，本文主要從五大方面探索了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在人才培養(yǎng)中所體現(xiàn)的內(nèi)涵實(shí)質(zhì)，主要從多種角度上提升其內(nèi)涵與外聯(lián)。首先，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教育理念上，應(yīng)始終遵循“以學(xué)生為中心”的重大原則，該種教育方式的最終受益者為學(xué)生；其次，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的選擇上不僅僅體現(xiàn)在服務(wù)課程，更應(yīng)該體現(xiàn)在服務(wù)實(shí)踐教學(xué)體系；第三，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的師資團(tuán)隊(duì)建設(shè)應(yīng)體現(xiàn)出多元化特色，師資隊(duì)伍的建設(shè)更加應(yīng)該體現(xiàn)在信息技術(shù)與專業(yè)教育之間的融合；第四，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)需要將虛擬仿真教育的內(nèi)涵進(jìn)行擴(kuò)充，其內(nèi)涵不僅僅是體現(xiàn)在提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和擴(kuò)大學(xué)生的受益面，而更加應(yīng)該體現(xiàn)在虛擬仿真教育與專業(yè)教育和人才培養(yǎng)的融合，特別是體現(xiàn)在如何更好地體現(xiàn)在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中，讓這種內(nèi)涵的擴(kuò)充使虛擬仿真教育的“生命力”得到提升；第五，加強(qiáng)對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教育以及技術(shù)管理，建立健全適用于基于“互聯(lián)網(wǎng)+”模式下的實(shí)驗(yàn)成績(jī)考核指標(biāo)體系是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教育實(shí)施的重要基礎(chǔ)。

3.1 強(qiáng)調(diào)教學(xué)理念必須圍繞“以學(xué)生為中心”是虛擬仿真教育實(shí)施的根本原則

采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`教學(xué)，所面對(duì)的對(duì)象始終是所培養(yǎng)的學(xué)生，所教學(xué)的目的都是調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`教學(xué)的積極性和主動(dòng)性，最大可能地激發(fā)學(xué)生對(duì)于知識(shí)的渴求和學(xué)習(xí)的潛能。無論采用何種方式的虛擬仿真教育，其最終落腳點(diǎn)都應(yīng)放在如何提升學(xué)生學(xué)習(xí)效果和掌握知識(shí)的程度，這是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的根本建設(shè)原則。虛擬仿真教育的服務(wù)對(duì)象是學(xué)生，最大受益面也應(yīng)是面向?qū)W生。在建設(shè)虛擬仿真教育平臺(tái)時(shí)需要時(shí)刻思考學(xué)生如何學(xué)習(xí)才最便捷有效[8-9]，如何從技術(shù)的角度上保證學(xué)生端學(xué)習(xí)的流暢性和有效性，如何從基于“互聯(lián)網(wǎng)+”模式下思考怎樣更加良好地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和考核效果。

3.2 準(zhǔn)確且適當(dāng)?shù)匕盐战虒W(xué)內(nèi)容是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)良好實(shí)施的把控重點(diǎn)

虛擬仿真教育歸根結(jié)底還是教育，還是通過實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容讓學(xué)生獲得知識(shí)。所有教學(xué)內(nèi)容的確定，一是離不開理論的支撐和鋪墊，二是離不開與行業(yè)發(fā)展和崗位需求的實(shí)踐條件的結(jié)合。以“電工電子技術(shù)”課程為例，準(zhǔn)確合適把握虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，需以課程理論為基礎(chǔ)，以崗位需求和學(xué)生興趣為導(dǎo)向，針對(duì)學(xué)生需掌握的知識(shí)和技能進(jìn)行合理分析，構(gòu)建虛擬仿真趣味實(shí)驗(yàn)資源庫，如圖1 所示。

并不是所有的教學(xué)內(nèi)容都適合當(dāng)作虛擬仿真教育的教學(xué)內(nèi)容。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容主要由兩大類組成：第一類是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中難以實(shí)現(xiàn)，或者消耗過高，或者存在諸多危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)。重點(diǎn)解決真實(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目條件不具備或?qū)嶋H運(yùn)行困難，涉及高?；驑O端環(huán)境，高成本、高消耗、不可逆操作、難以觀測(cè)、大型綜合訓(xùn)練等問題。此類實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容如采用虛擬仿真教育模式則可以十分有效地規(guī)避上述問題，雖然與教學(xué)內(nèi)容實(shí)際化上還存在一定的差距，但從教學(xué)效益上充分體現(xiàn)了虛擬仿真教育的優(yōu)勢(shì)。比如在“電工電子技術(shù)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的選擇過程中，可將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)或危險(xiǎn)性較高的內(nèi)容設(shè)置為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，如表1 所示。

圖1 以崗位需求和學(xué)生興趣為導(dǎo)向的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)

表1 “電工電子技術(shù)”課程中可用虛擬仿真替代的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)舉例

第二類應(yīng)體現(xiàn)學(xué)生十分感興趣的內(nèi)容以及部分教學(xué)重點(diǎn)或難點(diǎn)。學(xué)生采用“互聯(lián)網(wǎng)+”模式進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)，受監(jiān)管力度難以與課堂上的學(xué)習(xí)比量，因此需要通過一定的手段鼓勵(lì)或督促學(xué)生進(jìn)行線上學(xué)習(xí)。比如在“電工電子技術(shù)”課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇上，可將電工電子技術(shù)知識(shí)點(diǎn)與實(shí)際生產(chǎn)生活中的應(yīng)用結(jié)合起來，即重點(diǎn)從學(xué)生興趣模式下開展，重點(diǎn)從問題導(dǎo)向、需求導(dǎo)向兩個(gè)角度實(shí)施，研發(fā)原理準(zhǔn)確、內(nèi)容緊湊、時(shí)長合理、難度適宜的虛擬仿真趣味實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，并鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)物制作，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)成果轉(zhuǎn)化，如表2 所示。

表2 “電工電子技術(shù)”虛擬仿真趣味實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目舉例

教學(xué)內(nèi)容的適當(dāng)性，主要體現(xiàn)在技術(shù)適當(dāng)性、共享適當(dāng)性以及交互適當(dāng)性三個(gè)方面。技術(shù)適當(dāng)性即虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教育注重通過文字、圖片、視頻等各種媒介促進(jìn)教學(xué)準(zhǔn)備、線上討論、線下交流，但并不意味著所有教學(xué)內(nèi)容均通過最為復(fù)雜的多媒體技術(shù)實(shí)現(xiàn)，而是以客戶端以及網(wǎng)絡(luò)傳輸最佳的方式實(shí)現(xiàn)即可，這樣不會(huì)增加研發(fā)量以及網(wǎng)絡(luò)承載量。共享適當(dāng)性主要體現(xiàn)在學(xué)生受益人員應(yīng)體現(xiàn)在固定范圍或受限范圍內(nèi)，重點(diǎn)需要體現(xiàn)在考慮不同區(qū)域、不同層次、不同類型的學(xué)生接入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的運(yùn)行需求，這主要是源于提升虛擬仿真教育的“生命力”，如實(shí)施無差別化的共享，則勢(shì)必造成網(wǎng)絡(luò)訪問量的劇增以及網(wǎng)絡(luò)安全化的嚴(yán)峻考驗(yàn)，同樣對(duì)于互動(dòng)化師資的要求也較高，這反過來又會(huì)限制虛擬仿真教育的發(fā)展和應(yīng)用。交互適當(dāng)性重點(diǎn)體現(xiàn)在在“互聯(lián)網(wǎng)+”模式下的師生交流，教師不可能完全在每時(shí)每刻都能及時(shí)回答所對(duì)應(yīng)學(xué)生的各類問題；但另一方面，對(duì)于某些主觀性題目來說，并不適合設(shè)置一些自動(dòng)回答或者自動(dòng)批改類的程序，因此虛擬仿真教育中應(yīng)針對(duì)客觀類題目（例如判斷和選擇題）設(shè)置自動(dòng)批改，而對(duì)于一些問答類等主觀題目，則應(yīng)該設(shè)置成教師來批改，同時(shí)為鼓勵(lì)更多的學(xué)生參加到虛擬仿真教育平臺(tái)中，也可以設(shè)置成部分學(xué)生成為互動(dòng)教師，協(xié)助教師批改網(wǎng)絡(luò)上大量的互動(dòng)內(nèi)容。

3.3 建立多元化的師資隊(duì)伍是實(shí)施虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教育的重要前提

實(shí)施一項(xiàng)教育教學(xué)改革必須以師資隊(duì)伍的支撐為前提，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教育模式的改革也不例外，沒有師資隊(duì)伍的支撐，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教育無法良好地實(shí)施。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教育的特點(diǎn)決定著其師資隊(duì)伍與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)師資隊(duì)伍有著差異化，其具體體現(xiàn)為師資隊(duì)伍構(gòu)成多元化。不僅有傳統(tǒng)授課教師，還應(yīng)有虛擬仿真軟件工程師、網(wǎng)絡(luò)工程師等，其目的是最優(yōu)化地服務(wù)于這種基于軟件和網(wǎng)絡(luò)的教育。傳統(tǒng)教育模式中，絕大部分是由教師作為主體，其他類人員很少參與，原因在于教育的實(shí)施更多的是基于教師的工作量，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教育的實(shí)施，不僅僅是教育內(nèi)容的推廣，還包括了教學(xué)內(nèi)容的虛擬化和網(wǎng)絡(luò)化等，使得這種教育方式的推廣成為一種復(fù)合體，這就決定著師資隊(duì)伍的構(gòu)成不再局限于專任教師。授課教師重點(diǎn)負(fù)責(zé)教學(xué)內(nèi)容的篩選以及教案的制作，軟件工程師重點(diǎn)突破教學(xué)內(nèi)容的虛擬化實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)工程師重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容、師生互動(dòng)以及三維展示的網(wǎng)絡(luò)化。

建立健全完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍還包括考核、獎(jiǎng)勵(lì)師資團(tuán)隊(duì)，建立恰當(dāng)?shù)谋O(jiān)督機(jī)制，鼓勵(lì)和支持團(tuán)隊(duì)教師積極采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件或平臺(tái)進(jìn)行項(xiàng)目研發(fā)和教學(xué)實(shí)踐。

3.4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教育突出示范作用是其發(fā)展的最終方向

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教育的示范作用，傳統(tǒng)方面來說主要指擴(kuò)大學(xué)生受益面，加深教學(xué)內(nèi)容的仿真化，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)試用范圍，這也突出體現(xiàn)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教育的示范作用，其最終目標(biāo)是要讓更多學(xué)生受益，最終進(jìn)一步提升教學(xué)效果。但深一步挖掘發(fā)現(xiàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教育的示范作用還應(yīng)朝向教師和學(xué)生兩大類。對(duì)于教師，這種示范作用體現(xiàn)在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教育與教師的教學(xué)和教改進(jìn)行融合，讓更加良好的教學(xué)內(nèi)容或教改成果通過虛擬仿真的模式展現(xiàn)出來，而不簡(jiǎn)單是教師抽屜里的“成果”。當(dāng)然，這種結(jié)合也體現(xiàn)在了與教師科研成果的融合，傳統(tǒng)方式下教師科研成果更多的是在政府類網(wǎng)站或者科技成果轉(zhuǎn)化類網(wǎng)站上的體現(xiàn)，而此類網(wǎng)站學(xué)生訪問率較低，但通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教育模式將教師科研成果進(jìn)行展現(xiàn)，最大化地方便學(xué)生了解教師的科研方向，掌握科研動(dòng)態(tài)，吸引學(xué)生參與到教師科研創(chuàng)作中，推動(dòng)學(xué)生雙創(chuàng)活動(dòng)的開展。針對(duì)學(xué)生的示范作用，則重點(diǎn)體現(xiàn)在學(xué)生訪問人數(shù)以及層次的擴(kuò)張，體現(xiàn)在參與到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教育建設(shè)中的學(xué)生數(shù)越來越多。

總體來說，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教育的示范作用狹義上是在各個(gè)方面擴(kuò)大學(xué)生的受益面和受益層次，廣義上講則重點(diǎn)在于與在線課程、翻轉(zhuǎn)課堂、慕課以及多種先進(jìn)教育方式的融合[10-12]，與教師科研進(jìn)行融合，讓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教育不僅僅是在傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容的仿真化上發(fā)揮影響，更重要的是在多種先進(jìn)的教學(xué)模式下體現(xiàn)其優(yōu)越的教學(xué)輔助作用。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教育中的信息化建設(shè)以及專業(yè)教育的融合，最大限度地提升虛擬仿真教育的示范引領(lǐng)作用，最大限度地服務(wù)于教師科研，服務(wù)于社會(huì)，形成教育、科研、社會(huì)等三者之間的生態(tài)化互補(bǔ)，才能讓虛擬仿真教育的示范性突出顯示。

3.5 建立具有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教育特色的評(píng)價(jià)系統(tǒng)是其可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教育的推廣以及大范圍實(shí)施，就必須有恰當(dāng)?shù)膸熒u(píng)價(jià)機(jī)制，后續(xù)建設(shè)根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行完善，才能保證該種教育方式的生命力。傳統(tǒng)教學(xué)方式下的師生評(píng)價(jià)模式在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教育模式下，某些部分顯得適用性不足。例如部分教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)從傳統(tǒng)課堂搬到網(wǎng)上，教學(xué)模式已經(jīng)由教師們的“百花齊放”演變成網(wǎng)絡(luò)單一模式，因此對(duì)于教師的評(píng)價(jià)不免受到軟件操作以及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的影響，即在某些程度上學(xué)生評(píng)價(jià)教師變成了學(xué)生評(píng)價(jià)軟件或網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，例如學(xué)生通過微視頻模式學(xué)習(xí)時(shí)，視頻中的教師教育方式“千篇一律”，不會(huì)因?yàn)樽约菏蔷唧w哪個(gè)班級(jí)而改變，即出現(xiàn)教師教學(xué)單一化。同樣教師在評(píng)價(jià)學(xué)生時(shí)，也出現(xiàn)了不適應(yīng)性，例如傳統(tǒng)課堂上評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的預(yù)習(xí)效果可通過課堂提問實(shí)現(xiàn)，虛擬仿真模式下雖可通過軟件進(jìn)行批量批改，第一時(shí)間獲取學(xué)生預(yù)習(xí)效果的大數(shù)據(jù)，但與學(xué)生一對(duì)一的交流不如傳統(tǒng)課堂高效直觀。

4 結(jié)束語

正如上述所言，傳統(tǒng)教學(xué)模式下的評(píng)價(jià)系統(tǒng)在使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教育手段后顯出一定的不適應(yīng)性，因此迫切需要建立能適應(yīng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教育模式下的評(píng)價(jià)系統(tǒng)，該特色下的評(píng)價(jià)系統(tǒng)的建立與完善必將成為虛擬仿真教育模式在人才培養(yǎng)中最大化發(fā)揮其作用的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。對(duì)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教育的評(píng)價(jià)，需要體現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、軟件展示、操作適應(yīng)性、教學(xué)內(nèi)容以及互動(dòng)交流等方面的評(píng)價(jià)，同時(shí)還應(yīng)注重對(duì)于學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程中的個(gè)性化操作的記錄，方便教師了解和掌握學(xué)生知識(shí)掌握的具體情況。