基于“智能+教育”的虛擬實(shí)驗(yàn)共享平臺設(shè)計(jì)策略研究＊

侯國棟，李 媛

（武漢華夏理工學(xué)院，湖北 武漢430223）

在第三次教育改革中，教學(xué)形式逐漸走向多元化和個(gè)性化教學(xué)，虛擬教學(xué)、分散式教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)都將成為教學(xué)的一部分[1]?！疤摂M仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的課程有可能是一種新的教育生產(chǎn)力”[2]，建設(shè)跨學(xué)科的虛擬實(shí)驗(yàn)共享平臺對于適應(yīng)當(dāng)今高等教育改革的潮流，推動應(yīng)用技術(shù)型大學(xué)快速發(fā)展具有重要的意義。設(shè)計(jì)和開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)共享平臺要貫徹虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛的總原則，以學(xué)生為本，堅(jiān)持需求導(dǎo)向和問題導(dǎo)向，從多個(gè)維度把握設(shè)計(jì)的基本方向，客觀地看待其優(yōu)勢和不足，有針對性地建設(shè)，高質(zhì)量地建設(shè)虛擬仿真教學(xué)資源。

1 新形勢下的“三F”學(xué)習(xí)需求分析

近年來，數(shù)字化和智能化的學(xué)習(xí)、工作、生活方式正在給人們帶來巨大的便利，傳統(tǒng)的諸多模式發(fā)生了動搖甚至變革。在教育領(lǐng)域，教學(xué)改革和教學(xué)創(chuàng)新是當(dāng)前高校本科教育發(fā)展的重要方向，智能化、自主化的混合式學(xué)習(xí)成為教育改革的一個(gè)目標(biāo)，新技術(shù)的不斷發(fā)展，引發(fā)了教學(xué)形態(tài)的變化。因此，深入研究學(xué)生的學(xué)習(xí)模式和學(xué)習(xí)需求具有一定意義。

1.1 “三F”學(xué)習(xí)需求

從教學(xué)過程及效果分析，教學(xué)中存在一些問題，集中表現(xiàn)為學(xué)生對課堂內(nèi)容、教學(xué)形式的需求與傳統(tǒng)教學(xué)的“供給”不匹配，即“供需不平衡”。所以，在進(jìn)行“供給側(cè)”改革的過程中，首先需要對學(xué)生的教學(xué)需求進(jìn)行分析，“三F”需求是較為突出的3個(gè)需求。

學(xué)生的學(xué)習(xí)專注度（Focusing）。其表現(xiàn)為知識點(diǎn)不能完全滿足學(xué)生的需求。不同的時(shí)代背景對于知識的需求程度是不一樣的。在“智能+教育”的大背景下，學(xué)生獲取知識的渠道更加廣泛，在網(wǎng)絡(luò)中能找到非常理想的教學(xué)資源，其多元化的教學(xué)模式和適時(shí)更新的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)教學(xué)課堂。傳統(tǒng)的教學(xué)模式對學(xué)生的吸引力在降低，如何提高學(xué)生的課堂專注度成為亟待解決的問題。

對教學(xué)情況的反饋度（Feedback）。教學(xué)中的反饋體現(xiàn)在課堂的即時(shí)互動和課后的教學(xué)反饋，其中課堂互動是在教學(xué)環(huán)節(jié)中師生隨時(shí)進(jìn)行信息反饋，教師能及時(shí)關(guān)注到學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握程度，也能提高學(xué)生對課程的參與度和專注度。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要是實(shí)物演示和操作，數(shù)字化和智能化程度較低，不能將實(shí)驗(yàn)效果及時(shí)向?qū)W生反饋，不能將學(xué)生的學(xué)習(xí)需求及時(shí)向教師反饋，教師、學(xué)生、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目三者信息不對稱，影響了教學(xué)效果。

自由度（Freedom）。自由度不足，傳統(tǒng)教學(xué)中教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容相對固定，缺乏自由探索的空間，課堂韌性不足。

1.2 虛仿實(shí)驗(yàn)解決“三F”需求

長期以來，沉浸感（Ⅰmmersion）、交互性（Ⅰnteractivity）、構(gòu)想性（Ⅰmagination）構(gòu)成的“三Ⅰ”特性[3]，既是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的特征也是其優(yōu)勢，更是其建設(shè)的方向。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有效滿足了學(xué)生的“三F”學(xué)習(xí)需求。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將給教學(xué)工作帶來多方面的變化。沉浸感（Ⅰmmersion）有助于提高學(xué)生的專注度（Focusing）；交互性（Ⅰnteraction）有助于解決學(xué)生的反饋度（Feedback）；構(gòu)想性（Ⅰmagination）有助于開闊學(xué)生的思維，提高自由度（Freedom），即用“三Ⅰ”的特征解決“三F”的需求，如圖1所示。

圖1 “三Ⅰ”特性和“三F”需求

2 當(dāng)前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性分析

虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)需要多元融合，教育理念、知識儲備、軟硬件設(shè)備、運(yùn)行機(jī)制等都是重要的影響因素，決定著項(xiàng)目的建設(shè)水平。當(dāng)前虛仿實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目還存在一些不足之處需要解決。

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)緊密度低，容易脫節(jié)

理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)如何有效銜接是長期存在的問題，在虛仿實(shí)驗(yàn)中，這個(gè)問題仍然有一定的普遍性。通過虛仿的方式在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)融合理論知識是虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目改進(jìn)的一個(gè)方向，需要在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的宏觀設(shè)計(jì)、腳本設(shè)計(jì)、虛擬技術(shù)應(yīng)用以及美工設(shè)計(jì)等多方面進(jìn)行努力改進(jìn)。

2.2 師生對項(xiàng)目開發(fā)的參與度低，虛仿項(xiàng)目不能完全契合教學(xué)需求

一方面，常見的虛仿項(xiàng)目以購買商用軟件為主，這類軟件往往綜合了較多高校的實(shí)際教學(xué)需求，具有較好的實(shí)用性，但是并不能完全滿足個(gè)體高校的需求，尤其是在學(xué)校層次存在較大差異的情況下，脫節(jié)程度往往較高，參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的師生基本不能或者較少參與軟件的開發(fā)，項(xiàng)目的改進(jìn)意見和方案很難得到應(yīng)用；另一方面，由于商用軟件的兼容性等軟硬件問題和對編程語言等技術(shù)的掌握情況，導(dǎo)致師生很難二次參與項(xiàng)目的改進(jìn)。

2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容靈活度低，自主學(xué)習(xí)內(nèi)容不足

一方面，項(xiàng)目建設(shè)以完成教學(xué)大綱規(guī)定項(xiàng)目為主，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固化不能緊跟社會發(fā)展；另一方面，很多虛仿實(shí)驗(yàn)室以演示性、驗(yàn)證性項(xiàng)目為主，缺少綜合性、設(shè)計(jì)性項(xiàng)目，學(xué)生探索空間較小，不能有效地進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。

2.4 虛仿項(xiàng)目孤立存在，沒有與相關(guān)知識點(diǎn)形成銜接

在虛仿項(xiàng)目建設(shè)早期，建設(shè)經(jīng)驗(yàn)不足，側(cè)重于開展少量實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目或者課程內(nèi)實(shí)驗(yàn)等較小范圍的嘗試，缺乏從專業(yè)、學(xué)科及跨學(xué)科等角度進(jìn)行宏觀設(shè)計(jì)。這就造成已建成的虛仿項(xiàng)目孤立存在，沒有形成相互銜接的項(xiàng)目群。這就需要在后續(xù)建設(shè)中，開展頂層設(shè)計(jì)，將擬建項(xiàng)目與原有虛仿項(xiàng)目有機(jī)結(jié)合，并預(yù)留未來發(fā)展空間，把不同的教學(xué)環(huán)節(jié)串聯(lián)，形成新的教學(xué)模式。

2.5 多人協(xié)同和遠(yuǎn)程教學(xué)準(zhǔn)備不足

在2020年新冠肺炎疫情防控期間，截至2020-04-03全國高校學(xué)生在線學(xué)習(xí)人次達(dá)到11.79億。線上教學(xué)在一定程度上緩解了教育的壓力，但是也清晰地感受到其中的不足之處和需要改進(jìn)的地方。大量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程無法順利展開，很多虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不符合遠(yuǎn)程教學(xué)的條件，教師只能遠(yuǎn)程示范甚至?xí)簳r(shí)取消實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。此外，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的多人協(xié)同實(shí)驗(yàn)在虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中不能完整展開。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)共享平臺設(shè)計(jì)原則

綜上分析，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求、結(jié)合當(dāng)前虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性，本文提出建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)共享平臺的設(shè)計(jì)原則。

3.1 以虛補(bǔ)實(shí)原則

虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是理論教學(xué)的延續(xù)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，是課程建設(shè)和專業(yè)建設(shè)的重要組成部分，所以必須從全局的角度進(jìn)行宏觀設(shè)計(jì)，融合理論、實(shí)驗(yàn)、多媒體、網(wǎng)絡(luò)通訊等元素，使其成為教學(xué)的有機(jī)組成部分。

虛擬項(xiàng)目要與傳統(tǒng)線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)相融合，能起到互補(bǔ)、完善的作用。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中用虛擬實(shí)驗(yàn)把理論教學(xué)、線下實(shí)驗(yàn)等教學(xué)環(huán)節(jié)有效銜接起來，綜合訓(xùn)練學(xué)生多方面的認(rèn)知、判斷、動手、協(xié)同等能力，建立自主學(xué)習(xí)、個(gè)性化學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。

要與理論教學(xué)相融合，能延伸、拓展和補(bǔ)充理論教學(xué)的知識點(diǎn)，對理論知識進(jìn)行驗(yàn)證并升華，進(jìn)一步探索和創(chuàng)新，最終突破知識閾值。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論說明了知識更多來源于學(xué)習(xí)者主動探索和獲取，這一點(diǎn)正是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 通用設(shè)計(jì)原則

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是指在一定時(shí)期內(nèi)，面向通用產(chǎn)品，采用共性條件，制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和模式，開展適用范圍較廣泛的設(shè)計(jì)。在虛擬場景設(shè)計(jì)方面，采用數(shù)學(xué)生成和實(shí)景相結(jié)合的綜合建模方式[4]，從正向和逆向2個(gè)方向進(jìn)行建模，有效提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，為項(xiàng)目的可持續(xù)開發(fā)奠定基礎(chǔ)，師生可以按照通用標(biāo)準(zhǔn)對項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，滿足不同層次的需求。

虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)既要立足當(dāng)前需求也要保證未來項(xiàng)目順利拓展，因此在虛擬現(xiàn)實(shí)引擎選擇、三維模型標(biāo)準(zhǔn)化制作和渲染等方面需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，在項(xiàng)目策劃前期對模型線數(shù)、面數(shù)、貼圖、紋理等標(biāo)準(zhǔn)，以及系統(tǒng)單位、文件格式、音頻、視頻、教學(xué)文件、命名規(guī)則等內(nèi)容制定統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)范，有效縮短項(xiàng)目開發(fā)周期。

3.3 多元混合設(shè)計(jì)原則

傳統(tǒng)教學(xué)模式下，理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)是分離的二元學(xué)習(xí)狀態(tài)，物理空間割裂了知識之間的聯(lián)系，影響了教學(xué)效果。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，要針對性地提出解決方案，開展一體化教學(xué)。在虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中設(shè)計(jì)教學(xué)考練等自主學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，開發(fā)語音廣播、PPT導(dǎo)入、音視頻導(dǎo)入、自由標(biāo)注、常規(guī)題考試等功能，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境下同時(shí)開展教學(xué)、學(xué)習(xí)、考核、練習(xí)等任務(wù)，真正實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)，學(xué)中做，學(xué)做貫通”。利用信息化技術(shù)打破理論課堂與實(shí)踐課堂傳統(tǒng)壁壘，以學(xué)生為中心，重構(gòu)課堂，探索虛實(shí)結(jié)合的混合式教學(xué)模式。

3.4 需求導(dǎo)向原則

格式塔學(xué)派的認(rèn)知主義學(xué)習(xí)論強(qiáng)調(diào)了學(xué)生的主體作用，認(rèn)為內(nèi)在動機(jī)是強(qiáng)化學(xué)習(xí)活動的重要動力因素[5]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建立以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)方式，既有傳統(tǒng)教學(xué)的親切感，也有“智能+教育”的新鮮感，激發(fā)了學(xué)生的主體意識和主動學(xué)習(xí)行為。

虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要凸顯學(xué)生的主體地位，將學(xué)生的需求貫穿于虛仿項(xiàng)目規(guī)劃、設(shè)計(jì)、實(shí)施等整個(gè)流程，盡力提供能滿足教學(xué)需求的實(shí)驗(yàn)方案，以問題方式展開教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生提出問題、解決問題的探究精神，提高思維能力和創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)。

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)策略

通過研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢和不足，深入分析目前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)和發(fā)展過程中存在的問題，提出新的設(shè)計(jì)策略。

4.1 基于知識結(jié)構(gòu)重塑設(shè)計(jì)

腳本設(shè)計(jì)是虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)。腳本設(shè)計(jì)要從宏觀規(guī)劃和整體設(shè)計(jì)著手，抓住影響學(xué)生能力訓(xùn)練的核心環(huán)節(jié)，把知識點(diǎn)設(shè)計(jì)與專業(yè)能力提升相對應(yīng)，把能力訓(xùn)練細(xì)化為項(xiàng)目任務(wù)點(diǎn)，在轉(zhuǎn)化的過程中探索融合的方法。因此，虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)需要脫離傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)思想的束縛，對原有知識體系適時(shí)進(jìn)行梳理、調(diào)整、更新。

知識結(jié)構(gòu)重塑表現(xiàn)為虛仿項(xiàng)目的知識性、實(shí)踐性。知識性體現(xiàn)在虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不僅能完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還可以連接理論教學(xué)、線下實(shí)驗(yàn)、教研科研，串聯(lián)不同的教學(xué)環(huán)節(jié)，并且能整合其他相關(guān)課程，實(shí)現(xiàn)多元融合的課程體系。實(shí)踐性體現(xiàn)在虛仿項(xiàng)目不僅是對專業(yè)知識地驗(yàn)證和既定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目地完成，還能設(shè)計(jì)新的教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生根據(jù)已有知識能夠進(jìn)行新的嘗試和探索，達(dá)到創(chuàng)新能力培養(yǎng)的效果。

4.2 基于深度交互設(shè)計(jì)

隨著虛仿項(xiàng)目的知識結(jié)構(gòu)重塑，教學(xué)內(nèi)容大幅增加，對虛擬教學(xué)體系提出了新的要求，知識性和實(shí)踐性設(shè)計(jì)要求能開展立體化教學(xué)，在三維場景中完成教學(xué)、學(xué)習(xí)、考核、練習(xí)等任務(wù)。在立體教學(xué)中，單純的人機(jī)交互已經(jīng)不能完全滿足教學(xué)需求，師生互動、生生互動等人際溝通的交互同樣需要在項(xiàng)目中得到體現(xiàn)。

設(shè)計(jì)深度交互方式，需要應(yīng)用新的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，在虛仿實(shí)驗(yàn)中適時(shí)進(jìn)行畫面?zhèn)鬏敽驼Z音交流，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、異地、多人協(xié)同互動[6]。隨著5G通信技術(shù)的發(fā)展，傳輸速率提高、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)縮短，為深度交互提供了技術(shù)支持。

4.3 基于二次開發(fā)設(shè)計(jì)

虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和使用之間存在信息不對稱的問題，商業(yè)化的軟件有時(shí)不能完全滿足個(gè)性化教學(xué)需求。師生在使用過程中，由于版權(quán)、程序語言等限制無法對這些軟件進(jìn)行修改，降低了實(shí)驗(yàn)效果。因此需要設(shè)計(jì)能夠進(jìn)行二次開發(fā)的虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

專業(yè)課教師要參與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)，成為虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)的主體。隨著技術(shù)進(jìn)步，一些軟件提供了零編程的交互編輯器，采用可視化圖形拖拽的方式設(shè)計(jì)交互邏輯，完全取代了傳統(tǒng)代碼編程，用戶只需要稍加熟悉就可以開展設(shè)計(jì)；此外還有一些軟件推出了基于Python腳本的二次開發(fā)功能，用戶可以進(jìn)行更高級的深度開發(fā)。專業(yè)課教師積極參與虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)，采用門檻較低的虛仿設(shè)計(jì)引擎，設(shè)計(jì)針對師生的具備二次開發(fā)功能的開源項(xiàng)目，將有效提高虛仿實(shí)驗(yàn)的針對性和普適性。

4.4 基于學(xué)科新技術(shù)融合設(shè)計(jì)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目將緩解線下實(shí)驗(yàn)的滯后性問題，通過仿真方式把專業(yè)學(xué)科的新技術(shù)引入虛仿實(shí)驗(yàn)中，在傳統(tǒng)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)中注入新元素，使其更具時(shí)代特征。

引進(jìn)學(xué)科新技術(shù)展開設(shè)計(jì)是創(chuàng)新訓(xùn)練的一個(gè)內(nèi)容。通過虛擬仿真，在老設(shè)備中引入新的技術(shù)，把真實(shí)條件下暫時(shí)不可能實(shí)現(xiàn)的構(gòu)想做出來，營造自由探索的空間，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和自主學(xué)習(xí)能力。虛仿實(shí)驗(yàn)應(yīng)用新的信息技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)流程管理、實(shí)驗(yàn)效果評價(jià)等領(lǐng)域具有數(shù)據(jù)優(yōu)勢和智能優(yōu)勢，能推動項(xiàng)目內(nèi)容持續(xù)改進(jìn)。

4.5 基于積木化設(shè)計(jì)

積木化設(shè)計(jì)是指虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的功能模塊可以積木化重組。知識結(jié)構(gòu)重塑和各類虛仿項(xiàng)目不斷建設(shè)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用更加廣闊，虛擬項(xiàng)目之間的聯(lián)系也更加密切，項(xiàng)目分拆、兼并都將成為可能。因此，在虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)中必須制定建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，增加兼容性和通用性。

按照標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的各功能模塊都將成為整個(gè)教學(xué)體系的有機(jī)組成部分。根據(jù)教學(xué)需要隨時(shí)調(diào)用各個(gè)模塊，按照開發(fā)策略和框架，以搭積木的形式迅速開發(fā)新的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，大幅提高了項(xiàng)目開發(fā)效率。

5 結(jié)束語

本文基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)面臨的問題展開分析，提出針對性的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)策略，以期為虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提出新的建設(shè)思路。隨著國家一流本科課程建設(shè)的實(shí)施，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)走上了快車道，引發(fā)了教育理念革新、教學(xué)結(jié)構(gòu)重塑、教學(xué)主體轉(zhuǎn)化和培養(yǎng)體系分層構(gòu)建等新的變革。在“智能+教育”的背景下，虛仿實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供了信息化思維方式，正在開創(chuàng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用的新局面。