資源建設(shè)新形態(tài)：虛擬仿真資源的內(nèi)涵與設(shè)計(jì)框架*

王 娟，陳 瑤

(江蘇師范大學(xué) 智慧教育學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

資源建設(shè)新形態(tài)：虛擬仿真資源的內(nèi)涵與設(shè)計(jì)框架*

王 娟，陳 瑤

(江蘇師范大學(xué) 智慧教育學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

虛擬仿真技術(shù)是近年來(lái)較熱門(mén)的技術(shù)，目前廣泛應(yīng)用于教育信息化及高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)領(lǐng)域。由于我國(guó)虛擬仿真資源建設(shè)起步較晚，廣大研究者和實(shí)踐者對(duì)其還缺乏清晰的認(rèn)識(shí)，致使國(guó)內(nèi)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心推進(jìn)緩慢。虛擬仿真資源具有沉浸性、交互性和構(gòu)想性等特征，虛擬仿真資源設(shè)計(jì)需要在具身認(rèn)知理論、情境認(rèn)知理論及建構(gòu)主義理論指導(dǎo)下，一方面遵循“共研共建、虛實(shí)結(jié)合、拓展共享”三大設(shè)計(jì)理念，另一方面設(shè)計(jì)架構(gòu)“‘一體兩翼多平臺(tái)’的資源建設(shè)體系、‘多維度’的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系、‘多向度’的虛擬仿真軟件和產(chǎn)品”三個(gè)模塊，按照確定資源類型、細(xì)化設(shè)計(jì)腳本、編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、設(shè)計(jì)實(shí)施與開(kāi)發(fā)四個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)架構(gòu)。

虛擬仿真技術(shù)；虛擬仿真資源；情境認(rèn)知；設(shè)計(jì)框架

隨著教育教學(xué)改革的不斷推進(jìn)，教育部對(duì)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化工作提出了新要求。2013年8月，教育部決定開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)工作(教高司函[2013]94號(hào))，2013年建設(shè)100個(gè)左右國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心[1]。2014年8月，教育部發(fā)布《關(guān)于開(kāi)展2014年國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》(教高廳函[2014]31號(hào))[2]。2015年6月，教育部發(fā)布《關(guān)于開(kāi)展2015年國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》(教高廳函[2015]24號(hào))[3]。截至2015年，我國(guó)已建成200個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，分布在全國(guó)155所普通本科院校[4]。

目前，推進(jìn)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注，英國(guó)開(kāi)放大學(xué)、美國(guó)耶魯大學(xué)、IE商學(xué)院等機(jī)構(gòu)，為開(kāi)展虛擬教學(xué)相繼推出了虛擬仿真教學(xué)資源和平臺(tái)。虛擬仿真資源是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的重要內(nèi)容，為學(xué)習(xí)者的動(dòng)手能力、實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供了資源和平臺(tái)。隨著我國(guó)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的推進(jìn)，大大提高了廣大教育工作者和研究者開(kāi)發(fā)虛擬仿真資源的勇氣和信心，但通過(guò)文獻(xiàn)梳理與相關(guān)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)虛擬仿真資源設(shè)計(jì)的研究較少?；诖?，本研究重點(diǎn)探討虛擬仿真資源的內(nèi)涵，通過(guò)虛擬仿真資源的設(shè)計(jì)理念，構(gòu)建其設(shè)計(jì)框架、解析其設(shè)計(jì)流程，以期對(duì)我國(guó)虛擬仿真資源的建設(shè)提供借鑒和參考。

一、虛擬仿真資源內(nèi)涵、類型與特征

(一)虛擬仿真資源的內(nèi)涵

虛擬仿真技術(shù)是仿真模擬技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是綜合利用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)和各種現(xiàn)實(shí)及控制等接口設(shè)備，在可交互的三維環(huán)境中提供沉浸感的技術(shù)[5]。用虛擬仿真技術(shù)所創(chuàng)造的學(xué)習(xí)環(huán)境具有物理、環(huán)境和行為真實(shí)感，使學(xué)習(xí)者能在類似真實(shí)的情境中體驗(yàn)解決真實(shí)的問(wèn)題。

“虛擬仿真資源”對(duì)多數(shù)人來(lái)說(shuō)并不陌生。文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，2012年國(guó)內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)“虛擬仿真資源”的文章和報(bào)道。張瑩在“以虛擬仿真資源為抓手，打造湖鐵特色教學(xué)資源平臺(tái)”中，首次對(duì)虛擬仿真資源的建設(shè)思路及與教學(xué)資源庫(kù)平臺(tái)發(fā)展提出了建設(shè)構(gòu)思[6]。隨后，孫愛(ài)娟對(duì)職教領(lǐng)域虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)與應(yīng)用進(jìn)行了分析[7]。此外，為提高使用效益、創(chuàng)新應(yīng)用模式，近年來(lái)圍繞虛擬仿真資源的高峰論壇不斷涌現(xiàn)，如“中國(guó)職業(yè)教育虛擬仿真教學(xué)資源高峰論壇”等。這些研究和活動(dòng)主要是分享了虛擬仿真資源建設(shè)、應(yīng)用的研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以及行業(yè)前沿和產(chǎn)品方案，但對(duì)虛擬仿真資源的內(nèi)涵闡釋不多。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)虛擬仿真資源的概念界定尚顯模糊，為此筆者通過(guò)對(duì)近年來(lái)虛擬仿真資源資料、會(huì)議、報(bào)告等梳理，將虛擬仿真資源界定為：借助仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)的、蘊(yùn)含大量信息、可以被利用的各種顯現(xiàn)的或潛隱的條件和要素，主要涉及基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備、實(shí)驗(yàn)材料(素材、案例、影視、動(dòng)畫(huà)、圖片、課件、教具等)、實(shí)驗(yàn)軟件、支持系統(tǒng)等，通常包括仿真模型、仿真數(shù)據(jù)、仿真軟件和仿真平臺(tái)。當(dāng)前各級(jí)各類機(jī)構(gòu)，對(duì)虛擬仿真資源基本都采用自定方案的建設(shè)模式，暫無(wú)指定的設(shè)計(jì)方案。

虛擬仿真資源具有漫游、演示、互動(dòng)、考核等功能[8]。目前虛擬仿真資源主要應(yīng)用在軍事與航天、城市規(guī)劃與經(jīng)營(yíng)、建筑設(shè)計(jì)、房地產(chǎn)、科技館、博物館、古文化遺產(chǎn)還原與保護(hù)、模擬訓(xùn)練、游戲、娛樂(lè)、通信、醫(yī)療、教育、藝術(shù)、體育、分子化學(xué)、科學(xué)計(jì)算可視化等領(lǐng)域。虛擬仿真資源的教育領(lǐng)域應(yīng)用主要體現(xiàn)在醫(yī)學(xué)教育、電類實(shí)驗(yàn)教學(xué)、機(jī)器工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)、現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、市政環(huán)境實(shí)驗(yàn)教學(xué)等領(lǐng)域(如圖1所示)。

圖1 虛擬仿真資源的教育應(yīng)用

(二)虛擬仿真資源的類型

目前，我國(guó)虛擬仿真資源的開(kāi)發(fā)正處于急速發(fā)展期，對(duì)虛擬仿真資源的分類主要涉及以下兩種：

第一種方法將虛擬仿真資源分為四類：一是教材知識(shí)類，依據(jù)教材及教學(xué)大綱，系統(tǒng)化構(gòu)建仿真資源，將抽象的知識(shí)形象化、立體化；二是現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)類，將現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)虛擬仿真，以拓展真實(shí)實(shí)驗(yàn)，擺脫地點(diǎn)限制，隨時(shí)隨地實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)；三是企業(yè)一線類，由市場(chǎng)決定生產(chǎn)、資源圍繞一線服務(wù)，即將企業(yè)一線的生產(chǎn)環(huán)節(jié)、制作過(guò)程、操作環(huán)節(jié)(難理解、難表達(dá)、意義大)虛擬仿真，以便學(xué)生在校內(nèi)體驗(yàn)學(xué)習(xí)；四是設(shè)想類，屬于設(shè)想或規(guī)劃，沒(méi)有實(shí)物參考，可依靠講解、網(wǎng)絡(luò)搜集圖片、參考書(shū)籍資料，進(jìn)行仿真教學(xué)資源開(kāi)發(fā)，便于學(xué)習(xí)交流。

第二種方法是按照不同的應(yīng)用技術(shù)、依托平臺(tái)、使用方式及學(xué)科屬性劃分[9]：這里借鑒胡今鴻的觀點(diǎn)[10]，按應(yīng)用技術(shù)分為沉浸式實(shí)驗(yàn)(虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù))、計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)(多媒體)、分布式協(xié)同實(shí)驗(yàn)(網(wǎng)絡(luò))、個(gè)性化自主實(shí)驗(yàn)(教育游戲軟件)、遠(yuǎn)程交互實(shí)驗(yàn)(遙控技術(shù))等資源；按平臺(tái)特征可分為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室、網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室等資源；按使用方式可分為軟件共享、儀器共享和遠(yuǎn)程控制三種資源。

(三)虛擬仿真資源的特征

用虛擬仿真技術(shù)開(kāi)發(fā)的資源具有沉浸性、交互性、構(gòu)想性等特征，同時(shí)具有將知識(shí)點(diǎn)附加到三維模型上，三維結(jié)構(gòu)可任意旋轉(zhuǎn)、縮放，互動(dòng)拆裝，實(shí)現(xiàn)三維可視化。具體體現(xiàn)如下：一是沉浸性，指使用者完全融入計(jì)算機(jī)所創(chuàng)建的虛擬環(huán)境中，真正實(shí)現(xiàn)人與虛擬環(huán)境的“融合”。理想的虛擬環(huán)境達(dá)到了讓用戶真假難辨的程度，如電力安全培訓(xùn)的虛擬操作過(guò)程，將安全事故的沉浸式體驗(yàn)突出強(qiáng)化，從而帶來(lái)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)上的感觀刺激[11]。二是交互性，指虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能夠提供方便、豐富、自然的人機(jī)交互手段。用戶可以用手直接抓取模擬環(huán)境中虛擬的物體，并有抓握的感覺(jué)，被抓的物體也能伴隨一起移動(dòng)，如Kinect體感游戲。Kinect是一種3D體感攝影機(jī)，只要手勢(shì)或聲音就能進(jìn)行游戲操作，使人機(jī)互動(dòng)的理念更徹底[12]。三是構(gòu)想性，指針對(duì)某一特定的領(lǐng)域，解決使用者的應(yīng)用需要及豐富的想象力，使人沉浸在虛擬環(huán)境中產(chǎn)生聯(lián)想和構(gòu)建，延伸出新的理念和想法，進(jìn)而產(chǎn)生認(rèn)識(shí)上的飛躍。

二、虛擬仿真資源設(shè)計(jì)的指導(dǎo)理論

(一)具身認(rèn)知理論

具身認(rèn)知觀認(rèn)為，環(huán)境是認(rèn)知過(guò)程必不可少的部分[13]，人的認(rèn)知是身體、環(huán)境、活動(dòng)三者協(xié)同作用的結(jié)果[14]?；诖耍摂M仿真資源設(shè)計(jì)應(yīng)將技術(shù)置于整個(gè)人類實(shí)踐的境脈中考察，探索如何將技術(shù)用于擴(kuò)展人類的認(rèn)知系統(tǒng)并付諸實(shí)施，在此過(guò)程中，技術(shù)從“可見(jiàn)”走到“隱形”[15]；同時(shí)需要將虛擬學(xué)習(xí)空間和現(xiàn)實(shí)世界有機(jī)結(jié)合起來(lái)，提供學(xué)習(xí)者實(shí)踐參與的、個(gè)性化、高互動(dòng)的學(xué)習(xí)環(huán)境，即使得學(xué)習(xí)者在技術(shù)支持下創(chuàng)造屬于自己的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)習(xí)在一個(gè)合作共變的過(guò)程中得以發(fā)生。在該過(guò)程中，技術(shù)及其支持下的學(xué)習(xí)環(huán)境不再是外在學(xué)習(xí)者的系統(tǒng)，而是內(nèi)化為學(xué)習(xí)者認(rèn)知系統(tǒng)的一部分[16]。

(二)情境認(rèn)知理論

情境認(rèn)知由實(shí)踐共同體的邊緣者逐漸到積極主動(dòng)接觸實(shí)踐共同體文化的核心，并在實(shí)踐共同體協(xié)助下完成知識(shí)的意義組建[17]。情境認(rèn)知理論強(qiáng)調(diào)，教學(xué)設(shè)計(jì)的理論應(yīng)與實(shí)踐相結(jié)合，通過(guò)真實(shí)的情景進(jìn)行教學(xué)。知識(shí)通過(guò)情境獲取，影響著虛擬仿真資源的教學(xué)系統(tǒng)和學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[18]。因此，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建虛擬教學(xué)情境，應(yīng)從學(xué)習(xí)者的認(rèn)知心理出發(fā)，掌握學(xué)習(xí)者已具備的知識(shí)和對(duì)情境的理解，使得新舊知識(shí)順利銜接，形成自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，提高認(rèn)知能力；并將學(xué)習(xí)資源通過(guò)超級(jí)鏈接的形式添加到場(chǎng)景中，充分發(fā)揮學(xué)習(xí)者的自學(xué)能力[19]。

(三)建構(gòu)主義理論

建構(gòu)主義理論認(rèn)為，理想的學(xué)習(xí)環(huán)境包括情境、協(xié)作、交流和意義建構(gòu)四個(gè)部分，情境創(chuàng)設(shè)是教學(xué)設(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié)[20]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸性、交互性和構(gòu)想性，使學(xué)習(xí)者能沉浸其中，形成具有交互效能多維化的信息環(huán)境，把新舊知識(shí)聯(lián)系起來(lái)，達(dá)到知識(shí)建構(gòu)的目的。借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建逼真的虛擬環(huán)境，能夠解決學(xué)習(xí)中的情景化及交互性的問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生的求知欲，加深對(duì)知識(shí)的理解。虛擬仿真資源情境的創(chuàng)設(shè)多種多樣，可以借助語(yǔ)言描述、圖畫(huà)展示、視頻、多媒體設(shè)備創(chuàng)設(shè)。如物理、化學(xué)、生物實(shí)驗(yàn)中，使用虛擬仿真資源提供了一種身臨其境的環(huán)境；歷史、地理等學(xué)科教學(xué)中，則可以模擬歷史人物及自然現(xiàn)象。

三、虛擬仿真資源的設(shè)計(jì)理念

為了創(chuàng)造有價(jià)值的虛擬仿真資源，使之在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)中發(fā)揮重要作用，應(yīng)建立資源融合、多方協(xié)同的合作模式，構(gòu)建出技術(shù)先進(jìn)、功能多樣、近似真實(shí)、高效管理的虛擬環(huán)境。因此，虛擬仿真資源必須理性設(shè)計(jì)，應(yīng)遵循三大理念，即共研共建(牽手行業(yè)頂尖公司、共研虛擬仿真資源)、虛實(shí)融合(虛擬資源遠(yuǎn)程控制、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)無(wú)縫對(duì)接、開(kāi)放融合)、拓展共享(重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)、拓展資源共享)。這三種理念共同指導(dǎo)著高質(zhì)量虛擬仿真資源的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)(如右圖2所示)。

(一)共研共建——牽手行業(yè)頂尖公司，共研虛擬仿真資源

虛擬仿真資源在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)堅(jiān)持開(kāi)放共享，突出實(shí)驗(yàn)資源的“高精尖”“現(xiàn)代化”和“職業(yè)化”，與國(guó)內(nèi)頂尖公司共同研發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件，結(jié)合實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，與國(guó)內(nèi)外多家大型產(chǎn)業(yè)基地合作，形成“一體兩翼多平臺(tái)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，借助虛擬場(chǎng)景制作仿真實(shí)訓(xùn)軟件、借助軟件模擬實(shí)驗(yàn)制作過(guò)程，讓學(xué)習(xí)者參與各類仿真設(shè)計(jì)和場(chǎng)景設(shè)計(jì)。唯如此，才使開(kāi)發(fā)的資源具有不可替代性和可移植性，延伸實(shí)驗(yàn)的空間和實(shí)踐，提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣和設(shè)計(jì)能力，提高實(shí)驗(yàn)的效果和效率[21]。

圖2 虛擬仿真資源的三大設(shè)計(jì)理念

(二)虛實(shí)結(jié)合——虛擬資源遠(yuǎn)程控制，虛實(shí)結(jié)合開(kāi)放融合

虛擬仿真資源可以把實(shí)驗(yàn)成本高、大型綜合訓(xùn)練，以及環(huán)境、硬件、安全無(wú)法保障的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)完成；大型昂貴的實(shí)體實(shí)驗(yàn)一般在共建的產(chǎn)業(yè)實(shí)踐基地完成；基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)、一般性技能訓(xùn)練，則通過(guò)中心實(shí)體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)。部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源，可以通過(guò)相應(yīng)網(wǎng)站的開(kāi)放共享實(shí)驗(yàn)課程實(shí)施遠(yuǎn)程操作，達(dá)到與實(shí)驗(yàn)室操作同樣的實(shí)訓(xùn)效果。同樣，學(xué)習(xí)者可以借助課程資源共享平臺(tái)或手機(jī)微信公共號(hào)與實(shí)踐指導(dǎo)教師交流，實(shí)時(shí)地得到指導(dǎo)。虛擬仿真資源容易遠(yuǎn)程操作，其建設(shè)應(yīng)遵循“能實(shí)不虛、虛實(shí)結(jié)合”的原則，促進(jìn)其可持續(xù)發(fā)展和良性循環(huán)。

(三)拓展共享——重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，拓展應(yīng)用領(lǐng)域

虛擬仿真資源設(shè)計(jì)應(yīng)以單元集成、自主研究和開(kāi)發(fā)、校企合作開(kāi)發(fā)、虛擬仿真技術(shù)研究成果轉(zhuǎn)化、典型工程項(xiàng)目轉(zhuǎn)化為主；強(qiáng)調(diào)實(shí)踐教學(xué)的重要作用，結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際，關(guān)注虛擬仿真再現(xiàn)工作，并將其設(shè)計(jì)為虛擬實(shí)驗(yàn)資源。同時(shí)，注重校企合作、資源共享，通過(guò)校企合作共同開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)軟件，形成“產(chǎn)學(xué)研”一體化的實(shí)踐教學(xué)體系；采用科研成果和校企合作開(kāi)發(fā)，使資源具備良好的科學(xué)性、前沿性、實(shí)用性，保證資源的先進(jìn)性、創(chuàng)新性。因此，虛擬仿真資源設(shè)計(jì)應(yīng)體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)資源整合、教學(xué)科研結(jié)合、校企聯(lián)合的“三合”理念，使得資源真正共享、全面共享成為可能，進(jìn)而推動(dòng)資源的開(kāi)放及推廣應(yīng)用。

此外，虛擬仿真資源設(shè)計(jì)也體現(xiàn)在3個(gè)“1+1”模式上，即“課程+項(xiàng)目、創(chuàng)作+競(jìng)賽、虛實(shí)+基地”。其中“課程+項(xiàng)目”是精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)資源，結(jié)合研究課題和教學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐，全面提高實(shí)驗(yàn)的針對(duì)性和技能掌握的實(shí)用性，開(kāi)發(fā)出針對(duì)性強(qiáng)的資源?！皠?chuàng)作+競(jìng)賽”是實(shí)驗(yàn)資源在技能實(shí)訓(xùn)的同時(shí)強(qiáng)調(diào)整體創(chuàng)作訓(xùn)練，鼓勵(lì)學(xué)習(xí)者利用各類專業(yè)競(jìng)賽帶動(dòng)科研創(chuàng)作與實(shí)踐技能的提升。“虛實(shí)+基地”指設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)資源，強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐融合、校內(nèi)與校外兼容、校企兼容、專業(yè)互補(bǔ)等，同時(shí)通過(guò)校外創(chuàng)新實(shí)踐基地進(jìn)行全方位的實(shí)體體驗(yàn)，達(dá)到“虛實(shí)相應(yīng)、協(xié)調(diào)互補(bǔ)、全面提高”的實(shí)訓(xùn)效果。

四、虛擬仿真資源的設(shè)計(jì)框架和內(nèi)容

新一代虛擬仿真技術(shù)注重學(xué)習(xí)者的主動(dòng)參與，使得虛擬仿真資源發(fā)展將轉(zhuǎn)向“理、虛、實(shí)”一體化方向，即將“有限的物理空間”拓展成為“無(wú)限虛擬空間”，實(shí)現(xiàn)多地、多校、多專業(yè)的資源整合和共享，形成虛實(shí)結(jié)合、師生互動(dòng)、自主學(xué)習(xí)的虛擬環(huán)境。目前，將仿真平臺(tái)和各種教學(xué)資源融為一體，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容立體化、教學(xué)過(guò)程和管理現(xiàn)代化，并通過(guò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)在線教學(xué)管理、學(xué)習(xí)指導(dǎo)、成績(jī)考核等任務(wù)，已得到廣泛應(yīng)用。如數(shù)字電路虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)資源以Multisim10仿真軟件為核心，將資源分為課前學(xué)習(xí)資源、實(shí)驗(yàn)課教學(xué)資源和課后學(xué)習(xí)資源三部分[22]。

虛擬仿真資源作為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)的重要組成部分，目前還缺少成熟的設(shè)計(jì)理論和開(kāi)發(fā)過(guò)程模型。虛擬仿真資源設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮信息特點(diǎn)，采用面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方法，遵循模塊化設(shè)計(jì)理念，各資源模塊應(yīng)劃分清晰、相互獨(dú)立、具備高內(nèi)聚、低耦合的特點(diǎn)。為此，基于對(duì)虛擬仿真資源的認(rèn)識(shí)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，研究構(gòu)建了虛擬仿真資源的通用設(shè)計(jì)框架，該框架包括四層，分別是理論指導(dǎo)層、模塊要素層、資源樣態(tài)層和資源管理層。

虛擬仿真資源設(shè)計(jì)在具身認(rèn)知、建構(gòu)主義和情境認(rèn)知理論指導(dǎo)下，由實(shí)現(xiàn)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)所需的多類資源組成，主要包括仿真軟件和產(chǎn)品、教學(xué)素材資源、相關(guān)平臺(tái)和實(shí)踐教學(xué)體系。其中教學(xué)素材資源是資源庫(kù)建設(shè)的核心任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)是資源庫(kù)運(yùn)行的關(guān)鍵要素，實(shí)踐教學(xué)體系提供了支撐架構(gòu)。教學(xué)素材資源主要建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)、課件、圖片、視頻和動(dòng)畫(huà)等素材，為學(xué)習(xí)者提供設(shè)備、操作練習(xí)及實(shí)驗(yàn)案例等資源，如虛擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)、教學(xué)課件、教學(xué)動(dòng)畫(huà)及教學(xué)錄像等；同時(shí)設(shè)計(jì)出滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)、互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)、課堂教學(xué)的仿真軟件和產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)出不同形態(tài)的資源。此外，虛擬仿真資源還應(yīng)加強(qiáng)管理，如O2O操作、仿真創(chuàng)新活動(dòng)等。

(一)“一體兩翼多平臺(tái)”的資源建設(shè)體系

虛擬仿真資源設(shè)計(jì)應(yīng)以“虛擬結(jié)合、資源共享、開(kāi)放融合”的理念，構(gòu)建“一體兩翼多平臺(tái)”的資源建設(shè)體系?！耙惑w”指實(shí)驗(yàn)資源體系，“兩翼”指實(shí)體實(shí)驗(yàn)資源和虛擬實(shí)驗(yàn)資源(如圖3所示)。實(shí)體實(shí)驗(yàn)資源即傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)資源，虛擬實(shí)驗(yàn)資源包括“虛擬場(chǎng)景制作仿真實(shí)驗(yàn)”“特殊虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”等資源。實(shí)際上，實(shí)體實(shí)驗(yàn)為虛擬實(shí)驗(yàn)提供內(nèi)容資源和實(shí)訓(xùn)目標(biāo)，虛擬實(shí)驗(yàn)則通過(guò)高效、便捷、低成本的方式成為實(shí)評(píng)實(shí)驗(yàn)的重要支撐。

圖3 “一體兩翼多平臺(tái)”的虛擬仿真資源建設(shè)體系

(二)“多維度”的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系

虛擬仿真資源設(shè)計(jì)應(yīng)著眼于社會(huì)需求和未來(lái)發(fā)展，緊密聯(lián)系實(shí)體實(shí)驗(yàn)和理論教學(xué)，構(gòu)成“虛擬、實(shí)體、理論”三位一體的課程體系，將虛擬實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、技能訓(xùn)練、綜合實(shí)驗(yàn)三個(gè)層面，強(qiáng)調(diào)與理論、研究成果、企業(yè)、實(shí)體實(shí)驗(yàn)的融合，打造“產(chǎn)學(xué)研”一體化的資源建設(shè)模式(如圖4所示)，如常規(guī)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)仿真(教學(xué)、培訓(xùn))、科研服務(wù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目演示、實(shí)驗(yàn)課程和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的多媒體課件演示。通過(guò)觀看實(shí)驗(yàn)視頻或課件，可以了解實(shí)驗(yàn)過(guò)程，完成部分虛擬實(shí)驗(yàn)操作，提高學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、獲得更好的實(shí)驗(yàn)效果。

圖4 多維度的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系

(三)“多向度”的虛擬仿真軟件和產(chǎn)品

虛擬仿真資源的實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用主要體現(xiàn)為：課堂教學(xué)(多媒體教室+互聯(lián)網(wǎng))、實(shí)驗(yàn)室教學(xué)(局域網(wǎng)絡(luò)版)和互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)(在線教學(xué)平臺(tái)，如筆記本、IPAD、手機(jī)等)。但目前高校的虛擬仿真資源多存在知識(shí)點(diǎn)掌握度不夠、規(guī)范操作意識(shí)薄弱、實(shí)踐能力差等問(wèn)題，虛擬仿真資源設(shè)計(jì)需要遵循“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的原則，需要開(kāi)發(fā)面向不同學(xué)習(xí)者的虛擬仿真軟件，需要和企業(yè)合作開(kāi)發(fā)虛擬仿真產(chǎn)品。如目前比較有代表性的仿真教學(xué)軟件，包括NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)室系列仿真軟件、Vcm仿真實(shí)驗(yàn)、仿真軟件Multisim等，這些軟件有助于理論和實(shí)踐的融合，提高行業(yè)綜合實(shí)力。

五、虛擬仿真資源設(shè)計(jì)的流程

虛擬仿真資源是根據(jù)用戶需求開(kāi)發(fā)的仿真資源，包括系統(tǒng)和設(shè)備的三維模型、相關(guān)視頻和動(dòng)畫(huà)、操作流程、典型案例等。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)虛擬仿真資源設(shè)計(jì)的具體流程還處于探索階段，大多是對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的設(shè)計(jì)和研發(fā)。為實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源的充分共享、滿足專業(yè)建設(shè)和現(xiàn)實(shí)發(fā)展的需求，在借鑒職教領(lǐng)域虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)基礎(chǔ)上，研究提出了虛擬仿真資源設(shè)計(jì)的通用流程，包括：確定資源類型、細(xì)化設(shè)計(jì)腳本、編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、設(shè)計(jì)實(shí)施與開(kāi)發(fā)四個(gè)環(huán)節(jié)(如圖5所示)。

圖5 虛擬仿真資源的通用設(shè)計(jì)流程

(一)確定資源類型

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和技術(shù)條件有限，集成度低，完成的實(shí)驗(yàn)功能單一，因此虛擬仿真資源設(shè)計(jì)首先要明確資源的類型，提供資源設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)、設(shè)備圖片、示意圖或視頻(展現(xiàn)或說(shuō)明設(shè)備的結(jié)構(gòu)、原理、使用過(guò)程)等必要的說(shuō)明材料。如虛擬仿真資源平臺(tái)應(yīng)具有豐富的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，包括基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐培訓(xùn)、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目介紹、部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的演示視頻、課程和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的多媒體課件等。一般而言，虛擬仿真資源主要包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)類、實(shí)踐培訓(xùn)類和科研服務(wù)類等資源，這幾類資源應(yīng)滿足學(xué)校、企業(yè)、地區(qū)的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)需求，實(shí)現(xiàn)校內(nèi)外、本地區(qū)及更廣范圍內(nèi)的資源共享。

(二)細(xì)化設(shè)計(jì)腳本

腳本應(yīng)包括虛擬仿真資源涉及的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)軟件、仿真環(huán)節(jié)等設(shè)計(jì)、展示形式、實(shí)驗(yàn)的方法和步驟、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法及標(biāo)準(zhǔn)等。其中，“教”的環(huán)節(jié)主要涉及教學(xué)流程、實(shí)驗(yàn)完整事項(xiàng)等文字、視頻或語(yǔ)音的介紹；“學(xué)”的環(huán)節(jié)需要展示相關(guān)內(nèi)容，如觀看實(shí)驗(yàn)步驟、了解實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)構(gòu)及操作方式等；“練”的環(huán)節(jié)主要是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)練習(xí)、模擬演示、實(shí)訓(xùn)操作等；“考”的環(huán)節(jié)主要描述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析、處理方法，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)使用者的演示、操練過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)等。

(三)編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

虛擬仿真資源設(shè)計(jì)需要依托虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、360度全景展示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)手段，以實(shí)現(xiàn)多種功能為主，同時(shí)通過(guò)情景再現(xiàn)，為科學(xué)研究提供實(shí)驗(yàn)支撐和數(shù)據(jù)支持。虛擬仿真資源設(shè)計(jì)需要編寫(xiě)“設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)”，制作軟件、注意事項(xiàng)以及操作使用方法(如相應(yīng)設(shè)備、儀器、儀表、工具等的圖片或錄像)。如江蘇師范大學(xué)軌道交通信息與控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，功能設(shè)計(jì)完備、說(shuō)明充分，有效地解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)質(zhì)量考核難的問(wèn)題。

(四)設(shè)計(jì)實(shí)施與開(kāi)發(fā)

虛擬仿真資源是多種教學(xué)資源的融合，需要構(gòu)建技術(shù)先進(jìn)、功能多樣、貼近實(shí)際的虛擬環(huán)境，為學(xué)習(xí)創(chuàng)造有力條件，使資源建設(shè)促進(jìn)教與學(xué)模式的變遷。因此，在腳本設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上需要對(duì)虛擬仿真資源進(jìn)行虛擬場(chǎng)景、三維模型的搭建，制作相關(guān)視頻、動(dòng)畫(huà)、演示操作等(如圖6所示)。此外，虛擬仿真資源設(shè)計(jì)還需考慮操作場(chǎng)景模型，按照虛擬教學(xué)訓(xùn)練平臺(tái)要求設(shè)計(jì)仿真資源包，視頻和動(dòng)畫(huà)制作要依據(jù)制作腳本整理、制作、輸出素材。

圖6 虛擬仿真資源設(shè)計(jì)流程

總之，虛擬仿真資源設(shè)計(jì)，應(yīng)注重過(guò)程設(shè)計(jì)、重視資源呈現(xiàn)的樣態(tài)(視頻、動(dòng)畫(huà)、虛擬場(chǎng)景等)，利用制作軟件預(yù)演、修正與完善，從而制作出最佳的資源。當(dāng)下，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的快速發(fā)展及在教育領(lǐng)域的逐步滲透，正在改變教育的運(yùn)作模式[23]。虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)是實(shí)現(xiàn)教育信息化的重要抓手，作為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的重要內(nèi)容，未來(lái)其重要性將會(huì)更加凸顯。

[1] 教高司函[2013]94號(hào). 關(guān)于開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知[Z].

[2] 教高司函[2014]31號(hào).關(guān)于開(kāi)展2014年國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知[Z].

[3] 教高廳函[2015]24號(hào). 教育部辦公廳關(guān)于開(kāi)展2015年國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知[Z].

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The New Form of Resources Construction:The Connotation and Design Framework of Virtual Simulation Resources

Wang Juan, Chen Yao

(School of Smart Education, Jiangsu Normal University, Xuzhou Jiangsu 221116)

Virtual simulation technology is a hot technology in recent years. Now it is widely used in education informatization,the construction of experimental teaching demonstration center in Colleges and universities. The construction of virtual simulation resources in our country starts late, and the majority of researchers and practitioners still lack a clear understanding, which leads to slow development of virtual simulation experiment teaching center in China. The virtual simulation resources have three characteristics, that’s immersion, interactivity and imagination. The design of virtual simulation resources needs to be guided by cognitive theory, cognitive theory and constructivism. On the one hand, we should follow three design concepts, including co construction, combination of dummy and reality, and expanding sharing. On the other hand, we design three modules, including resources construction system on “one body and two wings and multi-platform”, virtual simulation practice teaching system on “multi dimension”, and “multi-dimensional” virtual simulation software and products. According to the step of determining the type of resources, detailed design script, writing design speci fi cations, designing implementation and development to design framework.

Virtual Simulation Technology; Virtual Simulation Resources; Situational Awareness; Design Framework

G434

A

王娟：博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代遠(yuǎn)程教育、開(kāi)放課程(wjuan8@163.com) 。

陳瑤：在讀碩士，研究方向?yàn)榻逃畔⒒c智慧教育。

2016年9月23日

責(zé)任編輯：趙興龍

1006—9860(2016)12—0091—06

*本文系2016年教育部人文社會(huì)科學(xué)研究青年基金項(xiàng)目“‘互聯(lián)網(wǎng)+’時(shí)代高校智慧型課程構(gòu)建的理論與實(shí)踐”(項(xiàng)目編號(hào)：16YJC880074)階段性研究成果，受江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：PPZY2015C204)資助。