“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源的建設(shè)

駱其城 趙國信 李柏輝

[摘 要]虛擬仿真實(shí)訓(xùn)運(yùn)用科學(xué)技術(shù)構(gòu)建一個(gè)虛擬的實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境，將學(xué)生所要掌握的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行重現(xiàn)，從而使學(xué)生在虛擬環(huán)境中掌握更多的知識(shí)。隨著新形勢(shì)下虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在高職教育和開放教育拓展實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實(shí)訓(xùn)教學(xué)時(shí)間和空間、提升實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量和水平等方面發(fā)揮示范效應(yīng)。

[關(guān)鍵詞]高職教育;開放教育;虛擬仿真;遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)

[中圖分類號(hào)]G712 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1008-7656（2020）05-0005-05

引言

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)運(yùn)用科學(xué)技術(shù)構(gòu)建一個(gè)虛擬的實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境，在其中將學(xué)生所要掌握的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行客觀重現(xiàn)，從而在虛擬環(huán)境中掌握更多的知識(shí)[1]。隨著新形勢(shì)下虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在高職教育和開放教育拓展實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實(shí)訓(xùn)教學(xué)時(shí)間和空間、提升實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量和水平等方面發(fā)揮示范效應(yīng)[2]。

國家“十三五”教育事業(yè)發(fā)展規(guī)劃明確提出，“支持各級(jí)各類學(xué)院建設(shè)智慧校園，綜合利用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)探索未來教育教學(xué)新模式”[3]，虛擬仿真技術(shù)在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中是一種新的教育生產(chǎn)力，是實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+實(shí)訓(xùn)”的重要信息技術(shù)手段。

目前，高校利用信息化技術(shù)進(jìn)行教學(xué)的主要手段有微課、慕課、翻轉(zhuǎn)課堂以及虛擬仿真實(shí)訓(xùn)等。微課是以學(xué)習(xí)者為中心，以視頻為主要載體，記錄教師圍繞某個(gè)知識(shí)點(diǎn)或教學(xué)環(huán)節(jié)而開展的簡(jiǎn)短、完整的教學(xué)活動(dòng)，慕課則是由一系列微課教學(xué)資源組成的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。翻轉(zhuǎn)課堂是教師創(chuàng)建教學(xué)視頻，學(xué)生預(yù)先觀看視頻，然后回到課堂上師生面對(duì)面交流和完成作業(yè)的一種教學(xué)形態(tài)[4]。它們實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)與傳統(tǒng)課堂教學(xué)的融合，但它們側(cè)重于理論教學(xué)方面的應(yīng)用，學(xué)生缺少參與實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的鍛煉。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)是借助現(xiàn)代化的信息技術(shù)，以構(gòu)建主義和虛擬現(xiàn)實(shí)為理論基礎(chǔ)而建立的一種實(shí)訓(xùn)模式。通過虛擬操作仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，使得教學(xué)更加形象和直觀，具有較強(qiáng)的浸入性和交互性，能有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效果，從而成為高校利用信息化技術(shù)進(jìn)行教學(xué)的重要選擇。

一、高職教育和開放教育實(shí)訓(xùn)教學(xué)的不足之處

（一）高職教育傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的短板

在高職教育中，高職院校著重強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，實(shí)訓(xùn)教學(xué)成為理工科教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。隨著高職院校各學(xué)科實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目和學(xué)生人數(shù)的增多，傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)室和實(shí)訓(xùn)儀器數(shù)量較難滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，在教學(xué)使用上的不便之處也慢慢凸顯出來。解決傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源不足、實(shí)訓(xùn)方式單一、實(shí)訓(xùn)器材維護(hù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容固定難以拓展等問題，是目前高職院校新工科建設(shè)和課程教學(xué)改革中的重點(diǎn)。

（二）開放教育遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)的制約

開放教育是運(yùn)用數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的信息技術(shù)對(duì)教學(xué)資源進(jìn)行融合，促進(jìn)教學(xué)資源的優(yōu)化配置和綜合利用，為各類學(xué)習(xí)者提供不同的服務(wù)。學(xué)習(xí)者可以利用現(xiàn)代化的信息技術(shù)隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而構(gòu)建“人人皆學(xué)、處處能學(xué)、時(shí)時(shí)可學(xué)”的學(xué)習(xí)型社會(huì)。但學(xué)習(xí)者往往側(cè)重于理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，缺少對(duì)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的實(shí)際操作，學(xué)習(xí)效果往往不如人意。因此，在開放教育實(shí)訓(xùn)教學(xué)中如何為學(xué)習(xí)者提供遠(yuǎn)程、高效、實(shí)用的實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源，是亟需解決的問題。

二、兩校建設(shè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源的背景

廣東開放大學(xué)和廣東理工職業(yè)學(xué)院實(shí)行“一套班子，兩塊牌子”的管理體制。廣東開放大學(xué)現(xiàn)有開放教育學(xué)生37.2萬人，廣東理工職業(yè)學(xué)院現(xiàn)有高職教育學(xué)生1.2萬人，開放教育和高職教育這兩種不同的教學(xué)模式可達(dá)到資源共享、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的目的。學(xué)校虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源就是以這兩種類型的教育為建設(shè)基礎(chǔ)，以典型案例為導(dǎo)向，突破常規(guī)教學(xué)模式受時(shí)間、空間、實(shí)訓(xùn)對(duì)象等條件的限制，構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+實(shí)訓(xùn)”的教學(xué)環(huán)境。為此，學(xué)校加強(qiáng)與企業(yè)的協(xié)同合作，實(shí)現(xiàn)校企共建、多方合作、協(xié)同育人的目標(biāo)，積極探索虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源的建設(shè)模式。

學(xué)校虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源是對(duì)現(xiàn)有各類實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源的數(shù)字化和虛擬化，為高職教育和開放教育開設(shè)的各類實(shí)訓(xùn)課程創(chuàng)建了新的實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境。學(xué)校提供的各類虛擬仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目綜合應(yīng)用了多媒體、大數(shù)據(jù)、三維建模、人工智能、人機(jī)交互、傳感器、超級(jí)計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和智能化的技術(shù)手段，豐富高職教育和開放教育實(shí)訓(xùn)教學(xué)的應(yīng)用模式和應(yīng)用場(chǎng)景。在高職教育，它重點(diǎn)解決了實(shí)訓(xùn)項(xiàng)在實(shí)際運(yùn)行中的困難，包括高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓(xùn)練等;它還可以與實(shí)體實(shí)訓(xùn)室互補(bǔ)，讓原來難以開展的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目成為可能。在開放教育，它為學(xué)習(xí)者提供了一個(gè)全新的學(xué)習(xí)平臺(tái)，學(xué)習(xí)者只需通過互聯(lián)網(wǎng)即可做虛擬實(shí)訓(xùn)操作或在線實(shí)訓(xùn)，無需到實(shí)體實(shí)訓(xùn)室也能達(dá)到相應(yīng)的學(xué)習(xí)效果，靈活安排學(xué)習(xí)時(shí)間、地點(diǎn)和實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，受到學(xué)習(xí)者的歡迎。

三、兩校虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源的建設(shè)

（一）虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

廣東開放大學(xué)和廣東理工職業(yè)學(xué)院按照“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的原則建設(shè)了虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)，通過構(gòu)建逼真的實(shí)訓(xùn)操作環(huán)境和實(shí)訓(xùn)對(duì)象，使學(xué)生在開放、自主和交互的虛擬環(huán)境中開展高效、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)訓(xùn)，進(jìn)而達(dá)到實(shí)體實(shí)訓(xùn)室難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果。平臺(tái)集成了多個(gè)學(xué)科的虛擬仿真教學(xué)資源，輻射高職教育和開放教育，并積極整合和共享不同類型、不同校區(qū)的優(yōu)質(zhì)虛擬仿真教學(xué)資源，向各類層次的學(xué)生開放使用。平臺(tái)以高職教育和開放教育共有的專業(yè)為單位，以提高學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神為核心，以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托，以相關(guān)專業(yè)類的實(shí)訓(xùn)教學(xué)信息化內(nèi)容為指向，以完整的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，重點(diǎn)對(duì)專業(yè)受益面廣、學(xué)生多的理工科專業(yè)所急需的實(shí)訓(xùn)課程建設(shè)了相應(yīng)的虛擬仿真教學(xué)資源，從而開展虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源的共享共用。高職教育和開放教育的學(xué)生在平臺(tái)學(xué)習(xí)的過程中，可以獨(dú)立完成相應(yīng)的實(shí)訓(xùn)操作和設(shè)計(jì)，并得到相應(yīng)的考核成績(jī)。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)部署在學(xué)校云服務(wù)器上，通過統(tǒng)一制定虛擬仿真教學(xué)資源的接口規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，提高系統(tǒng)的安全性、兼容性和開放共享性，從而滿足不同專業(yè)和不同校區(qū)之間開展虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)的需要，實(shí)現(xiàn)共享平臺(tái)和虛擬仿真教學(xué)資源的無縫對(duì)接與互相支撐。此外，平臺(tái)可以通過轉(zhuǎn)換的形式導(dǎo)入其他三維模型，并對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)畫制作，包括通用三維CAD模型、3dMax模型、Maya模型和VRML模型等轉(zhuǎn)換接口。平臺(tái)突破了傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)對(duì)時(shí)間、空間和實(shí)訓(xùn)對(duì)象的限制，提供不同種類和各個(gè)層次的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)服務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)、線上操作和智能考核等功能，具備較好的開放共享基礎(chǔ)。

（二）在線實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)

作為虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)的補(bǔ)充，學(xué)校聯(lián)合校外企業(yè)構(gòu)建了“云+端”的智能開放共享在線實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)（如圖1所示）。學(xué)生通過訪問在線實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，可有效地完成真實(shí)的硬件實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)由“實(shí)驗(yàn)在線共享平臺(tái)”和在線實(shí)驗(yàn)硬件組成，其主要功能包括：教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，把實(shí)驗(yàn)使用的元器件實(shí)物和真實(shí)測(cè)量設(shè)備部署在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上;學(xué)生安裝相關(guān)軟件后可以登錄實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過在電腦上搭接實(shí)驗(yàn)電路、調(diào)整電路參數(shù)、測(cè)量指標(biāo)等操作，與遠(yuǎn)方實(shí)物操作達(dá)成一一映射，由此獲得與硬件實(shí)驗(yàn)一樣的操控訓(xùn)練效果?？傮w來說，在線實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)具有以下特色。

（1）遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)

在平臺(tái)上部署一套或多套硬件（器件和設(shè)備），滿足本校或多個(gè)學(xué)校的學(xué)生24小時(shí)在線實(shí)訓(xùn)所需，滿足分散實(shí)訓(xùn)的需求。在正常教學(xué)期間，一個(gè)器件完備、設(shè)備條件良好、不受時(shí)限的網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)室，不僅滿足學(xué)生實(shí)訓(xùn)預(yù)習(xí)、操作溫習(xí)及課外研習(xí)的不同需求，也是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式的有益補(bǔ)充。

（2）真實(shí)情境

實(shí)踐能力的培養(yǎng)需要面對(duì)各種硬件環(huán)境?？紤]到更高的實(shí)驗(yàn)參與度，系統(tǒng)不但可以布局固化的模塊，還可以布局分立元和器件，滿足不同層次學(xué)校和不同水平學(xué)生的需要。系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了教師在線幫助學(xué)生查詢、糾錯(cuò)功能，把實(shí)境實(shí)驗(yàn)條件下學(xué)生的自主優(yōu)勢(shì)和教師輔導(dǎo)優(yōu)勢(shì)還原于線上。

（3）閉環(huán)過程管理

系統(tǒng)可以支撐實(shí)驗(yàn)在線預(yù)習(xí)檢測(cè)，助力教師遠(yuǎn)程預(yù)習(xí)管理;平臺(tái)記錄學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作步驟，統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)等過程細(xì)節(jié)，比教師親臨實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)了解得更多;使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)生成的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，杜絕作假。系統(tǒng)完成從預(yù)習(xí)到報(bào)告全過程閉環(huán)管理，成為可“認(rèn)證”的實(shí)訓(xùn)過程（如下頁圖2所示）。

（三）實(shí)訓(xùn)教學(xué)的智能化

基于“互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真”實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)和在線實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)相結(jié)合的實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源，使得傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)向智能化發(fā)展。學(xué)生在遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)的過程中，可以在虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行多次模擬，然后通過連接遠(yuǎn)程在線實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行操作，從而真實(shí)體驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的全過程。通過在線機(jī)器人對(duì)學(xué)生遠(yuǎn)程操作進(jìn)行實(shí)時(shí)指導(dǎo)和在線評(píng)分，為教師提供可量化的成績(jī)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)教學(xué)的自動(dòng)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。這種智能化的“教、學(xué)、用”教學(xué)模式，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)、技能、職業(yè)素養(yǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，幫助學(xué)生從“學(xué)校人”向“準(zhǔn)企業(yè)人”過渡。

（四）構(gòu)建實(shí)訓(xùn)課程新體系

廣東開放大學(xué)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源，致力于在開放教育和高職教育中打造多維度的理工類專業(yè)實(shí)踐課程體系和實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)，從三個(gè)維度來構(gòu)建科學(xué)的實(shí)訓(xùn)課程體系架構(gòu)。第一維度：教學(xué)模塊整合教學(xué)輔助資源。教師在虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)中可以整合各類教學(xué)輔助資源，學(xué)生在平臺(tái)的教學(xué)模塊可以調(diào)用資源進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。第二維度：實(shí)訓(xùn)模塊使學(xué)生熟練掌握教學(xué)內(nèi)容并應(yīng)用。學(xué)生根據(jù)教學(xué)模塊的學(xué)習(xí)情況，在實(shí)訓(xùn)模塊可以進(jìn)行反復(fù)的虛擬操作，達(dá)到熟練掌握知識(shí)內(nèi)容。第三維度：實(shí)際操作使學(xué)生切實(shí)掌握技能。學(xué)生經(jīng)過自主學(xué)習(xí)和虛擬操作后，可以進(jìn)入實(shí)體實(shí)訓(xùn)室或遠(yuǎn)程使用在線實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)開展實(shí)物操作，切實(shí)提高學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力，并減少實(shí)訓(xùn)設(shè)備的損耗和實(shí)訓(xùn)材料的消耗。通過以上三個(gè)維度構(gòu)建科學(xué)的實(shí)訓(xùn)課程體系，確保各類教學(xué)輔助資源緊密結(jié)合并相互配套，滿足開放教育開展“互聯(lián)網(wǎng)+實(shí)訓(xùn)”和高職教育培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的需求，減少傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)室對(duì)硬件設(shè)施與場(chǎng)地的依賴。學(xué)生既能充分理解理論知識(shí)，又能熟練掌握崗位工作的方式和方法，解決立體化教材關(guān)聯(lián)性不佳、理論與實(shí)際結(jié)合不夠等問題，有效提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果。

（五）教學(xué)應(yīng)用范圍

目前針對(duì)虛擬仿真的教學(xué)應(yīng)用研究主要圍繞實(shí)踐教學(xué)（包括實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、實(shí)習(xí)等）領(lǐng)域，以提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，推進(jìn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)模式的改革，從而培養(yǎng)和造就更多合格的技能型人才與高技能人才。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)在高職教育和開放教育中對(duì)于解決個(gè)性化教學(xué)、智能化考核、標(biāo)準(zhǔn)化演示、工作職場(chǎng)展示、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容開放性、縮短實(shí)操時(shí)間等方面有很大的支持作用。而云計(jì)算作為新一代信息技術(shù)，將改變虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源的架構(gòu)和應(yīng)用模式，借助云計(jì)算技術(shù)搭建的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)，可以對(duì)高校與高校聯(lián)盟的虛擬仿真教學(xué)資源進(jìn)行統(tǒng)一部署和維護(hù)，從而整合高校和高校之間的軟硬件資源，降低虛擬仿真資源開發(fā)和采購硬件實(shí)訓(xùn)設(shè)備的成本，實(shí)現(xiàn)資源的共享、共用，國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺(tái)就是典型的范例。

四、結(jié)語

隨著云計(jì)算、通信技術(shù)以及虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，高職教育和開放教育對(duì)虛擬仿真教學(xué)資源的需求將越來越大。一方面，它使傳統(tǒng)的課堂教學(xué)逐步向網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)探索，從而突破了時(shí)間、空間和實(shí)訓(xùn)對(duì)象的束縛，推動(dòng)在信息化技術(shù)條件下自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)等教學(xué)方式改革。另一方面，它降低了傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的成本和風(fēng)險(xiǎn)，開展綠色教學(xué)，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的可持續(xù)發(fā)展。學(xué)校虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源有效解決了學(xué)生線上實(shí)訓(xùn)的難題，取得了良好的實(shí)訓(xùn)效果。隨著5G技術(shù)的到來，虛擬仿真技術(shù)在高校的應(yīng)用前景將會(huì)更加美好。

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[作者簡(jiǎn)介]駱其城（1983-），男，廣東龍川人，廣東開放大學(xué)實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)技術(shù)、實(shí)訓(xùn)室管理和實(shí)訓(xùn)室建設(shè)等;趙國信（1965-），男，浙江諸暨人，廣東開放大學(xué)高級(jí)工程師，碩士，研究方向：校企合作、實(shí)訓(xùn)室建設(shè)等;李柏輝（1995-），男，廣東茂名人，廣東開放大學(xué)實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)教師，研究方向：計(jì)算機(jī)技術(shù)和實(shí)訓(xùn)室管理。

[責(zé)任編輯 肖志明]