基于VR/AR技術(shù)的沉浸式環(huán)境類實驗課程思政教育研究淺析

摘要：在“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略背景下，推進綠色發(fā)展、加快污染治理產(chǎn)業(yè)賦能升級、促進人與自然和諧共生成為環(huán)境類專業(yè)領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新和科學(xué)研究的主要目標(biāo)。本研究基于VR/AR技術(shù)，以高校環(huán)境類實驗課程思政教育改革為契機，聚焦行業(yè)熱點問題，從資源擬合、教學(xué)設(shè)計、考核評價、教師技能和開發(fā)運維五個方面，提出了沉浸式環(huán)境類實驗課程思政教育實施策略，是新時代“把思想政治工作貫穿至教育教學(xué)全過程”的重要探索，符合科教結(jié)合培養(yǎng)行業(yè)拔尖創(chuàng)新人才的未來走向。

關(guān)鍵詞：VR/AR技術(shù)；環(huán)境類專業(yè)；實驗課程思政；實施策略

高校作為培養(yǎng)青年人才的主陣地，積極推進科學(xué)技術(shù)與思想政治教育深度融合，面向關(guān)鍵領(lǐng)域培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才，是貫徹落實“立德樹人”根本任務(wù)的重要舉措。近年來，VR/AR技術(shù)的迅猛發(fā)展為高校環(huán)境類實驗課程思政教育改革創(chuàng)新帶來了新的契機——其可通過計算機建立三維的虛擬空間，模擬污染防治重點領(lǐng)域還原難度高、代價大、風(fēng)險高的實驗場景，打造富于沉浸感、交互性的教學(xué)模式，為學(xué)生提供視覺、聽覺、嗅覺、觸覺多感官的真實體驗，是新時代實驗課程思政教育改革創(chuàng)新工作的有益探索[1]。

一、環(huán)境類實驗課程思政教育的培養(yǎng)目標(biāo)

《大學(xué)》有云：“大學(xué)之道，在明明德，在親民，在止于至善?！钡赖掠^念伴隨著社會行為而產(chǎn)生[2]，環(huán)境類實驗課程思政教學(xué)首先要著眼于學(xué)生求真務(wù)實的行為習(xí)慣養(yǎng)成、忠誠進取的學(xué)術(shù)態(tài)度鍛造，以及對學(xué)術(shù)倫理的堅守和信奉，培養(yǎng)科學(xué)嚴謹忠實的學(xué)術(shù)精神，深化道德觀念塑造。環(huán)境專業(yè)層面，除了培養(yǎng)學(xué)生的污染控制和環(huán)境修復(fù)技能外，還需幫助學(xué)生樹立正確的自然觀與發(fā)展觀，指導(dǎo)學(xué)生以科學(xué)自然觀和綠色發(fā)展觀為準則，正確處理人與自然、“綠水青山”與“金山銀山”的關(guān)系，堅持思想引領(lǐng)，筑牢生態(tài)安全屏障；激勵學(xué)生以“生態(tài)環(huán)境保護”為己任，堅定理想信念、胸懷大局、不懈追求，樹立共建清潔美麗世界的責(zé)任感和使命感；在“雙碳”目標(biāo)指引下，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，“居敬窮理”發(fā)揮實踐育人的作用，著力培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的復(fù)合型優(yōu)秀人才，為促進循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展、創(chuàng)建綠色低碳未來提供人力資源保障。

二、 VR/AR技術(shù)在實驗課程思政教育中的應(yīng)用價值

在個性化、互動型、開放式的“互聯(lián)網(wǎng)+教育”時代背景下，延續(xù)至今的以孔孟儒學(xué)為主的思想教育理念和模式迎來變革性發(fā)展。

首先，VR/AR技術(shù)打破了時空限制，曾經(jīng)難實現(xiàn)、代價大、風(fēng)險高、周期長的課程實驗教學(xué)得以開展，教師可在虛擬教學(xué)環(huán)境中實現(xiàn)多種工況、不同環(huán)境下的控制模擬操作，并與思政教育實現(xiàn)深度融合，從而大大拓展了傳統(tǒng)教學(xué)的深度和廣度。其次，基于VR/AR技術(shù)的實驗教學(xué)，打破了以“教師、課堂、知識”為中心的傳統(tǒng)教育模式[3]，轉(zhuǎn)而以學(xué)生為本，將理論與實踐相結(jié)合，重點提升學(xué)生能力和素質(zhì)。在全新的教學(xué)模式下，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下使用VR/AR設(shè)備自主探索，通過與實驗場景的深度互動，獲得全新的學(xué)習(xí)體驗；與此同時，教師可通過操控平臺掌握學(xué)生的實時動態(tài)，并針對學(xué)生存在的問題及時與其討論交流，從而激發(fā)學(xué)生的求知欲和創(chuàng)造力。最后，利用VR/AR技術(shù)的實驗教學(xué)，將實操型環(huán)境類實驗和互動型思政熱點相結(jié)合，可以讓思想政治教育綻放青春的活力，促使學(xué)生在學(xué)思踐悟中汲取奮進力量，開啟未來學(xué)習(xí)的新航向，如圖1所示。

三、沉浸式實驗課程思政教育的實施策略

利用VR/AR技術(shù)開展實驗課程思政教育，可通過渲染課堂氛圍增強學(xué)生對知識要素的認同感和對學(xué)習(xí)過程的專注度。在具體實施策略上，教師及學(xué)校應(yīng)從教學(xué)資源的擬合、教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計、學(xué)習(xí)成果的評價、教師技能的培訓(xùn)和運維技術(shù)的保障等五個方面入手。

（一）教學(xué)資源深度擬合，構(gòu)建虛擬現(xiàn)實場景

VR/AR技術(shù)在某種程度上可以實現(xiàn)實驗教學(xué)資源的深度擬合。目前，國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺為不同領(lǐng)域、各類學(xué)科的實驗教學(xué)組織提供了優(yōu)質(zhì)資源，然而，通過網(wǎng)絡(luò)很難實現(xiàn)對氣味、溫度、氣流等感知類環(huán)境要素的還原，和對人站立、行走、觸摸等動態(tài)化過程的模擬，且其中涉及課程思政教育的內(nèi)容相對固定且匱乏，環(huán)境類實驗課程思政教育的發(fā)展亟待優(yōu)質(zhì)資源、工具、平臺的加持。高校課程思政教學(xué)內(nèi)容需因事而化、因時而進，教學(xué)資源的擬合、虛擬現(xiàn)實場景的構(gòu)建亦需因勢而新。根據(jù)環(huán)境類專業(yè)實驗課程的基礎(chǔ)與特色，結(jié)合行業(yè)熱點問題，設(shè)計VR展示、AR示范、實驗課程與思政教學(xué)深度擬合模型。系統(tǒng)通過人與自然、知識與技能等虛擬現(xiàn)實場景的系統(tǒng)構(gòu)建，實現(xiàn)生態(tài)文明思想教育與環(huán)境類實驗教學(xué)的深度擬合，具體而言，系統(tǒng)引入了環(huán)境類污染控制與修復(fù)的基本知識原理；系統(tǒng)可根據(jù)當(dāng)前環(huán)保督察、生態(tài)小流域建設(shè)、截污納管、高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)型等源頭治理手段，整合各項污染控制方法和水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測手段，滿足專業(yè)基礎(chǔ)實驗教學(xué)的基本要求；系統(tǒng)從整體出發(fā)，支撐學(xué)生對水體、土壤和大氣等環(huán)境類工程實驗技能的學(xué)習(xí)和應(yīng)用實踐；針對流域綜合治理、生態(tài)島建設(shè)、“一河一策”等具體實施方案，進行解析環(huán)境系統(tǒng)、厘清現(xiàn)象過程、聚焦問題解決等拓展訓(xùn)練。在環(huán)境類實驗課程思政教育中引入該類系統(tǒng)，構(gòu)建虛擬現(xiàn)實實驗教學(xué)場景，能夠有效促進教學(xué)效率的提升。

（二）PBL案例展示驅(qū)動，進行成果導(dǎo)向式教學(xué)設(shè)計

以VR/AR技術(shù)結(jié)合PBL教學(xué)進行成果導(dǎo)向式教學(xué)設(shè)計，可為學(xué)生打造沉浸式實驗教學(xué)體驗。具體而言，可通過VR/AR技術(shù)全景展示環(huán)境污染具體情境，以PBL（Problem-Based Learning）教學(xué)為驅(qū)動提出問題，以成果導(dǎo)向進行教學(xué)設(shè)計，激發(fā)學(xué)生關(guān)注環(huán)境問題的積極性，引導(dǎo)學(xué)生自主探究解決環(huán)境問題的自主性，從而切實提升環(huán)境類實驗課程思政教育實效[4-5]。如針對“長江流域生態(tài)環(huán)境保護”熱點問題，從水環(huán)境質(zhì)量的微生物指征角度，以環(huán)境微生物群落識別和生物多樣性分析實驗為例，進行沉浸式課堂教學(xué)設(shè)計（如圖2所示）。

教師可通過VR展示《長江一分鐘》，讓學(xué)生領(lǐng)略大江奔流的氣勢，繼而向?qū)W生展示長江的環(huán)境污染和生態(tài)破壞問題，提出引起學(xué)生共情的結(jié)論——長江病了，幫助學(xué)生樹立保護長江生態(tài)環(huán)境的責(zé)任感，激發(fā)學(xué)生對環(huán)境微生物領(lǐng)域的研究興趣和潛能，激活其專業(yè)基本理論知識，最后展示“環(huán)保鐵軍”實地核查、長江“十年禁漁”、沿江生態(tài)濕地建設(shè)等保護措施和落地成效，讓學(xué)生對長江流域水污染監(jiān)測、溯源、整治過程加以學(xué)習(xí)。VR展示完成后，教師可通過AR向?qū)W生示范群落形態(tài)識別等微生物基礎(chǔ)實驗內(nèi)容，帶領(lǐng)學(xué)生進行利用微生物多樣性評價表征水生態(tài)系統(tǒng)健康狀況演示實驗；向展示微生物的生長過程，進行生長繁殖與生存因子分析教學(xué)，追溯長江流域不同季節(jié)、區(qū)域、水深下微生物群落的分布情況。AR展示和教學(xué)完成后，教師可結(jié)合三水統(tǒng)籌、岸線綜合治理及《長江保護法》等系統(tǒng)治理方案，帶領(lǐng)學(xué)生進行水環(huán)境質(zhì)量表征、微生物修復(fù)、功能菌群開發(fā)利用等方面的拓展運用，幫助學(xué)生創(chuàng)新污染控制思路，提升其解決復(fù)雜環(huán)境問題的能力，讓學(xué)生在真實的工程案例中進一步領(lǐng)會環(huán)境因子對生物多樣性和生態(tài)環(huán)境的影響，從而實現(xiàn)思政與教學(xué)、理論與實踐相交互、深度融合的沉浸式體驗。

（三）以能力培養(yǎng)為核心，構(gòu)建系統(tǒng)考核評價體系

對課程學(xué)習(xí)目標(biāo)的達成度評價，是評定教學(xué)目標(biāo)達成情況及優(yōu)化調(diào)整教學(xué)方式的重要依據(jù)[6]，為此，教師需制定規(guī)范系統(tǒng)的考核體系，通過反饋和糾錯機制，促進沉浸式實驗課程思政教育取得實質(zhì)性效果。沉浸式實驗課程思政教育中，教師應(yīng)從學(xué)生在實驗完整過程中的理論知識準備、文獻資料調(diào)研、實驗操作、工藝設(shè)計、數(shù)據(jù)分析、拓展應(yīng)用、實驗報告等各方面的表現(xiàn)進行全面考核。本文嘗試以能力評價為核心，圍繞自主學(xué)習(xí)、知識應(yīng)用、創(chuàng)新思維和宏觀視野等層面設(shè)計了實驗課程思政教育系統(tǒng)考核模型，通過該模型，教師可對教學(xué)質(zhì)量進行量化評價?？己四Ｐ腿鐖D3所示。

（四） 教師進行VR/AR技能培訓(xùn)，提升“角色表演”能力

沉浸式實驗課程思政教育對高校教師提出了全新的要求，教師需在具備駕馭虛擬仿真設(shè)備及相關(guān)配套設(shè)施技能的前提下，方能發(fā)揮好自身專業(yè)知識體系、工程實踐經(jīng)驗以及“思政”教育能力的協(xié)同育人作用。為了滿足這一前提，一方面，教師需要參加專業(yè)培訓(xùn)，掌握VR/AR技術(shù)操作基礎(chǔ)和技能，提升對其相關(guān)設(shè)備的應(yīng)用能力，能夠根據(jù)實際教學(xué)情況和當(dāng)前時政熱點設(shè)計教學(xué)形式、制作或更新教學(xué)內(nèi)容。另一方面，教師應(yīng)響應(yīng)美國數(shù)據(jù)科學(xué)家Alex Pentland[7]提出的“教師要具備角色表演戲劇能力”的新倡議，將教師學(xué)業(yè)教授提升至藝術(shù)創(chuàng)作的至高水平，提升自身“角色表演”能力，完全融入虛擬仿真課堂，成為真正的“教師藝術(shù)家”，從而為學(xué)生提供非凡的學(xué)習(xí)體驗。

（五） 硬件設(shè)備智能化，軟性資源多元化，保障教學(xué)供給質(zhì)量

沉浸式實驗課程思政教學(xué)的場景需要由一線教師、專業(yè)策劃師、3D建模師、3D動畫師、音效師等組成的專業(yè)開發(fā)、運維團隊共同制作而成[8]，高昂的研究制作成本對實驗課程思政教育的常態(tài)化開展提出巨大的挑戰(zhàn)。因此，教學(xué)場景技術(shù)開發(fā)與運維的智能化，是VR/AR技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用于實驗課程思政教學(xué)的必要條件，也是教學(xué)供給質(zhì)量的重要保障。在課程場景搭建硬件設(shè)備高質(zhì)量供給的前提下，教師還需通過日益成熟的互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，不斷提高實驗課程思政教學(xué)內(nèi)容設(shè)計的交互性、情境性、及時性，深入挖掘多元開放的課程內(nèi)容，提高教學(xué)軟性資源的供給質(zhì)量，使實驗課程思政教育常講常新，最終幫助學(xué)生將實驗原理、方法、應(yīng)用學(xué)深學(xué)透，推動生態(tài)文明思想入腦、入心、入行。

四、結(jié)束語

宋代理學(xué)家朱熹曾以“博學(xué)之，審問之，慎思之，明辨之，篤行之”作為治學(xué)之序，主張“為學(xué)之實，固在踐履。茍徒知而不行，誠與不學(xué)無異”。基于VR/AR技術(shù)的實驗課程思政教學(xué)是對傳統(tǒng)教學(xué)的延伸和拓展，解決了工程試驗難以實時觀察、實地取樣、隨機調(diào)控的教學(xué)“痛點”，實現(xiàn)了環(huán)境專業(yè)教學(xué)內(nèi)容從感性認知、發(fā)現(xiàn)問題、理性決策到模擬演練的全過程覆蓋，契合了學(xué)生的認知規(guī)律，有助于培養(yǎng)學(xué)生運用專業(yè)知識解決環(huán)境生態(tài)問題的綜合能力，具有重要的研究意義和應(yīng)用價值。

作者單位：王蘇琴 蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

劉鋒 蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 蘇州科技大學(xué)環(huán)境生物技術(shù)研究所

程向明 錢飛躍 蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

參考文獻

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