虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用分析

浦娟 陳書錦 葉慧

[摘? ? ? ? ? ?要]? 分析傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題，提出虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)中的必要性，綜述虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代教學(xué)中的現(xiàn)狀，并用具體實(shí)例予以說明。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 虛擬仿真技術(shù);教學(xué);應(yīng)用

[中圖分類號(hào)]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號(hào)]? 2096-0603（2021）15-0044-02

虛擬仿真是一種利用計(jì)算機(jī)生成三維動(dòng)態(tài)場(chǎng)景對(duì)另一個(gè)真實(shí)的系統(tǒng)進(jìn)行模仿的技術(shù)，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在許多行業(yè)逐漸被重視并被大規(guī)模應(yīng)用。虛擬仿真教學(xué)可以構(gòu)建虛擬環(huán)境，這個(gè)場(chǎng)景是將一切因?yàn)樾枰荛L(zhǎng)周期、高成本、高危險(xiǎn)性而不能大范圍復(fù)制的實(shí)驗(yàn)用三維模型的形式展現(xiàn)。學(xué)生在虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)，有利于激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，拓展思維，提高分析問題和解決問題的能力。

一、虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在教學(xué)中的必要性

（一）傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在缺陷

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法有課堂理論知識(shí)講解、多媒體演示、實(shí)體模型演示等，這些方法在教育改革日新月異的背景下存在很多問題，主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：（1）老師在課堂上對(duì)實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)的講解往往很抽象，許多學(xué)生聽不懂的同時(shí)也沒有及時(shí)提出疑問，這些問題發(fā)展下去會(huì)導(dǎo)致學(xué)生不能獨(dú)自完成實(shí)驗(yàn)或者為了完成任務(wù)抄襲別人的實(shí)驗(yàn)成果，最后形成一個(gè)惡性循環(huán)。（2）為了便于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，老師經(jīng)常使用多媒體進(jìn)行教學(xué)，但大多圍繞著PPT課件展開，這些課件都是以實(shí)驗(yàn)理論為基礎(chǔ)建立的，學(xué)生往往會(huì)感到很枯燥，而且難以讓學(xué)生了解如何把理論和實(shí)踐結(jié)合起來，有的學(xué)生有想法因?yàn)殡y以證實(shí)而不了了之。（3）由于許多實(shí)驗(yàn)儀器價(jià)格昂貴，學(xué)校在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面資金有限，而且有些精密儀器只給專業(yè)人士操作，這些情況導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)驗(yàn)形式變成了老師在實(shí)驗(yàn)室的示范性講解，學(xué)生都圍在一臺(tái)儀器面前，很難讓所有人都能去嘗試操作，因此，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫很難有實(shí)際效果，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課也難有大的收獲。

（二）網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式發(fā)展的必然趨勢(shì)

近年來，隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)授課已經(jīng)是一個(gè)很大的發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)外的網(wǎng)絡(luò)授課已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史了，早在1998年，美國(guó)許多學(xué)校就開始將網(wǎng)絡(luò)用于教學(xué)，教育部在1999年發(fā)布了《面向21世紀(jì)教育振興行動(dòng)計(jì)劃》，提出“實(shí)施現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育工程”的要求;2015年，教育部發(fā)布《關(guān)于加強(qiáng)高等學(xué)校在線開放課程建設(shè)應(yīng)用與管理的意見》;2017年，教育部發(fā)布《關(guān)于開展2017年國(guó)家精品在線開放課程認(rèn)定工作的通知》;2019年，教育部等十一部門發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)在線教育健康發(fā)展的指導(dǎo)意見》，自此我國(guó)的網(wǎng)絡(luò)教育開始跟上時(shí)代的步伐穩(wěn)步前進(jìn)，到今天，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)已經(jīng)成為學(xué)校教學(xué)必不可少的一部分。2020年，這一特殊時(shí)期“火”起來的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式也是第一次被大部分家長(zhǎng)和學(xué)生了解，但是也有許多人批判這一教學(xué)模式，無外乎是網(wǎng)絡(luò)延遲的存在導(dǎo)致學(xué)生聽課效率低，可是隨著5G時(shí)代的到來，網(wǎng)絡(luò)授課將不再有現(xiàn)在的延遲，我們不僅可以在國(guó)內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，還能對(duì)國(guó)外進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)課堂的學(xué)習(xí)體驗(yàn)也會(huì)有質(zhì)的飛躍。在不久的將來，虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的價(jià)值也會(huì)被越來越多的高校和教育工作者認(rèn)識(shí)到，并成為新的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)趨勢(shì)。

（三）虛擬仿真技術(shù)用于教學(xué)突出的優(yōu)勢(shì)

1.能滿足實(shí)踐教學(xué)的需要

傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)往往在面對(duì)高危險(xiǎn)、高消耗的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)時(shí)，因?yàn)榻虒W(xué)資源有限的問題經(jīng)常只能由老師或者專業(yè)人員示范，這樣對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)有很大的影響，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，可以模擬這些實(shí)踐場(chǎng)景，由于它是以真實(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為數(shù)據(jù)支撐，所以其操作過程和實(shí)踐過程相似，學(xué)?？梢杂迷摷夹g(shù)培訓(xùn)學(xué)生對(duì)大型精密儀器的使用;對(duì)于一些周期比較長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)，比如長(zhǎng)周期熱處理時(shí)采用虛擬仿真技術(shù)無疑可以有效節(jié)省時(shí)間和費(fèi)用。當(dāng)然，學(xué)校也可以通過虛擬仿真技術(shù)模擬企業(yè)設(shè)備的操作流程，這樣可以部分取代甚至全部取代學(xué)生去企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)模式在實(shí)踐教學(xué)方面的不足。

2.符合當(dāng)今時(shí)代背景下學(xué)生的心理特點(diǎn)，極大地提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣

在信息時(shí)代背景下，當(dāng)代學(xué)生接受外來信息的能力越來越強(qiáng)，他們排斥課堂上對(duì)理論知識(shí)抽象的講解，對(duì)實(shí)踐教學(xué)往往很感興趣。虛擬仿真技術(shù)的引入會(huì)使學(xué)生擁有身臨其境的真實(shí)體驗(yàn)感，學(xué)生將不用擔(dān)心因自己操作失誤造成實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損壞，敢于放手去做，在反復(fù)的實(shí)驗(yàn)中沒有資源和時(shí)間的限制，學(xué)生可以大膽地實(shí)踐自己的想法，而且由于人機(jī)互動(dòng)的特性，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)還可以自行對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行評(píng)價(jià)，這將大大激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)熱情，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3.能彌補(bǔ)因區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡導(dǎo)致的教育資源分布差距

由于我國(guó)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，導(dǎo)致不同區(qū)域的教育資源分配差距很大，經(jīng)濟(jì)發(fā)展比較好的區(qū)域會(huì)投入大量資金用于教學(xué)，學(xué)校也會(huì)加大對(duì)實(shí)驗(yàn)室人力、物力、資金的投入，學(xué)生有機(jī)會(huì)享受優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源;反觀經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后的區(qū)域，在教育方面的資金投入將會(huì)大大減少，學(xué)校在實(shí)驗(yàn)室教學(xué)方面也力不從心，學(xué)生能夠接觸到的是老化、落后的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，許多新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新補(bǔ)充不到位，而且常常會(huì)出現(xiàn)許多學(xué)生面對(duì)一臺(tái)試驗(yàn)設(shè)備的尷尬局面，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的缺乏造成的后果最終也只能由學(xué)生自己來承擔(dān)。建立虛擬仿真平臺(tái)無疑會(huì)打開這個(gè)局面，學(xué)生不用進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)也能了解實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的機(jī)理和規(guī)律，由于虛擬仿真平臺(tái)的開放性，經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后區(qū)域的學(xué)生可以登錄這個(gè)平臺(tái)選擇自己想做的實(shí)驗(yàn)，而且虛擬仿真平臺(tái)能夠緊跟當(dāng)下科學(xué)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，不同區(qū)域的學(xué)生打破空間界限在同一平臺(tái)上學(xué)習(xí)交流，這將有效地打破因區(qū)域教育資源差距帶來的壁壘。

二、虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)中主要通過建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，早在20世紀(jì)70年代，清華大學(xué)自動(dòng)化系在我國(guó)高校中率先建立了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室并用于教學(xué)實(shí)踐。21世紀(jì)初，國(guó)家就開展了國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的建設(shè)，2018年教育部公布了首批國(guó)家虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目105個(gè)，而在2020年，教育部將認(rèn)定1000個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，這些項(xiàng)目將覆蓋電子信息類、經(jīng)濟(jì)管理類、礦業(yè)類、法學(xué)類、護(hù)理學(xué)類、臨床醫(yī)學(xué)類、建筑類、地質(zhì)學(xué)類、公安技術(shù)類、材料類、化學(xué)類、交通運(yùn)輸類、自動(dòng)化類等許多學(xué)科。

國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目是將現(xiàn)代信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目深度融合，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的重要舉措，在國(guó)家政策的大力支持下，虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用得到巨大的飛躍。趙爍[1]等提出把虛擬煉鋼平臺(tái)引入冶金教學(xué)中，相比較傳統(tǒng)的冶金教學(xué)，虛擬煉鋼平臺(tái)有著明顯的優(yōu)勢(shì)，它不僅提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，還將課堂理論知識(shí)和實(shí)踐問題結(jié)合起來，從而使學(xué)生做到理論知識(shí)和實(shí)踐相結(jié)合。王浩[2]等將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于本科生土木工程課堂教學(xué)中，并將采用虛擬仿真技術(shù)后的學(xué)生成績(jī)和采用傳統(tǒng)教學(xué)的學(xué)生成績(jī)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)隨著實(shí)驗(yàn)復(fù)雜程度的提高，采用虛擬仿真技術(shù)對(duì)學(xué)生的成績(jī)有明顯的提升。王紫薇[3]等提出將傳統(tǒng)的“理論+實(shí)驗(yàn)演示”教學(xué)模式轉(zhuǎn)變成“問題引導(dǎo)+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)操作+總結(jié)”教學(xué)模式，并對(duì)使用虛擬仿真軟件和未使用虛擬仿真軟件的學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)使用虛擬仿真軟件的學(xué)生認(rèn)為對(duì)自身學(xué)習(xí)有幫助和對(duì)教師教學(xué)滿意的比例增加，學(xué)生的課前準(zhǔn)備也有很大的提高。溫健[4]等研究虛擬仿真模擬教學(xué)平臺(tái)結(jié)合PBL教學(xué)在麻醉學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)學(xué)生更加認(rèn)可虛擬仿真模擬教學(xué)，虛擬仿真模擬平臺(tái)可以再現(xiàn)實(shí)際臨床場(chǎng)景，能夠彌補(bǔ)以前醫(yī)學(xué)上不能綜合培養(yǎng)學(xué)生的臨床操作技能和臨床思維能力，為培養(yǎng)優(yōu)秀的臨床醫(yī)生提供了一個(gè)新的方向。

三、虛擬仿真技術(shù)用于教學(xué)中的具體案例

在傳統(tǒng)的船舶輪機(jī)系統(tǒng)教學(xué)中，由于船舶柴油機(jī)的重量和體積都很大，學(xué)生在拆裝這類設(shè)備時(shí)危險(xiǎn)程度高，而且一般學(xué)校實(shí)驗(yàn)室只提供少量的小型柴油機(jī)，并且只提供一次拆裝機(jī)會(huì)，無法滿足學(xué)生和教師的需求，而虛擬仿真技術(shù)可以突破這方面的限制。

以江蘇科技大學(xué)柴油機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為例，介紹如何利用虛擬仿真技術(shù)教學(xué)柴油機(jī)的相關(guān)知識(shí)。首先，學(xué)生登錄江蘇科技大學(xué)柴油機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，此系統(tǒng)分為三個(gè)模塊：第一個(gè)模塊是“三維認(rèn)知”模塊，即系統(tǒng)360°全方位的展示柴油機(jī)結(jié)構(gòu)，學(xué)生可以通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊來認(rèn)識(shí)每一個(gè)部件名稱;第二個(gè)模塊是“虛擬拆裝”模塊，學(xué)生可以通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊將零部件拆卸出來，將零件拖動(dòng)到正確的位置時(shí)，模擬系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)吸附零件最后完成拼裝;第三個(gè)模塊是“動(dòng)態(tài)仿真”模塊，“動(dòng)態(tài)仿真”模塊是柴油機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的核心部分，學(xué)生可以自由設(shè)置柴油機(jī)的展現(xiàn)形式如透明、實(shí)體、半透明方式來更直觀地看到內(nèi)部結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)還能展示柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的內(nèi)部零部件如連桿、活塞的運(yùn)動(dòng)方式，界面右側(cè)的儀表盤、油門、剎車標(biāo)志可以匹配柴油機(jī)真實(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在學(xué)生利用此虛擬仿真系統(tǒng)學(xué)習(xí)的過程中，每一個(gè)環(huán)節(jié)結(jié)束都會(huì)有問題，學(xué)生需完成問題才能進(jìn)入下一個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生柴油機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的選擇、判斷成績(jī)由系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)卷給出，問答題由老師評(píng)判給分，最后由系統(tǒng)匯總所有學(xué)生成績(jī)。從校內(nèi)外學(xué)生和老師的使用情況來看，柴油機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生對(duì)柴油機(jī)從整體到局部都有了直觀的認(rèn)識(shí)，避免了實(shí)驗(yàn)走過場(chǎng)的現(xiàn)象，極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生思考問題、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，同時(shí)，也降低了學(xué)校在柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)方面的資金消耗，對(duì)學(xué)生的安全也有很大保障。

四、結(jié)語

虛擬仿真技術(shù)正處于一個(gè)快速發(fā)展階段，它在教學(xué)中帶來的初步優(yōu)勢(shì)大家有目共睹。國(guó)家在加大對(duì)虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)建設(shè)投入的同時(shí)，要本著“一切教學(xué)以學(xué)生為中心”的原則，教學(xué)性才是學(xué)校引入虛擬仿真技術(shù)的根本，在進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的同時(shí)也要和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，不要過度追求仿真而本末倒置，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況建立虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)體系。

參考文獻(xiàn)：

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◎編輯 鄭曉燕