國內(nèi)外虛擬仿真教學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀

柳洪潔 宋月鵬 馬蘭婷 張觀山 張智龍 王征

[摘 要] 虛擬仿真教學(xué)是改革傳統(tǒng)教學(xué)方法重要的引領(lǐng)手段之一，對于課堂教學(xué)方法、模式、體系及手段的改進(jìn)具有積極促進(jìn)作用，由于具有良好的教學(xué)效果日益受到國內(nèi)外高校的普遍重視。該文分析了虛擬仿真教學(xué)建設(shè)意義及其應(yīng)用的信息技術(shù)，闡述了國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，討論了我國虛擬仿真教學(xué)存在的問題與解決方法。

[關(guān)鍵詞] 虛擬仿真教學(xué);發(fā)展現(xiàn)狀;實(shí)踐教學(xué)模式;教學(xué)改革

[基金項(xiàng)目] 2018年度山東省本科教改項(xiàng)目（M2018X233）;2016年度教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（201602034025）;2017年度山東農(nóng)業(yè)大學(xué)“十三五”教改項(xiàng)目（X2017004）;2017年度山東省一流學(xué)科建設(shè)基金（FSDTP2017）

[作者簡介] 柳洪潔（1972—），女，碩士，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院高級實(shí)驗(yàn)師，主要從事動物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究;宋月鵬（1971—），男，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院、國家級農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備研究（通訊作者）。

[中圖分類號] G642.0 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2020）17-0124-03 ? ?[收稿日期] 2020-02-23

深化人才培養(yǎng)過程中的教學(xué)改革、加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)中國特色社會主義新時代建設(shè)人才的必然要求，也是國家全面提高教育質(zhì)量的重要內(nèi)容[1]?！笆濉笔俏覈叩冉逃柟坛晒?、深化改革、提高質(zhì)量、持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵時期[2]。在新形勢下，高等教育必須適應(yīng)新時代人才培養(yǎng)的需要，將新技術(shù)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，強(qiáng)化學(xué)生理論知識學(xué)習(xí)，提高實(shí)踐動手和解決實(shí)際問題的能力，從而提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，更好服務(wù)于社會與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[3]。

當(dāng)今社會信息技術(shù)的應(yīng)用為提高教學(xué)質(zhì)量提供了堅實(shí)基礎(chǔ)條件，在眾多教學(xué)方法或教學(xué)手段改革實(shí)踐過程中，虛擬仿真教學(xué)成為當(dāng)前高等教育改革的熱點(diǎn)之一[4]。2013年8月，教育部決定開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作[5]，充分體現(xiàn)了虛擬仿真教學(xué)在高校實(shí)踐教學(xué)體系中的重要地位。

本文通過對國內(nèi)外虛擬仿真教學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢進(jìn)行綜述，深入分析總結(jié)了我國目前在此領(lǐng)域存在的問題，以期為今后我國虛擬仿真教學(xué)的發(fā)展提供啟示與借鑒。

一、虛擬仿真教學(xué)意義及其應(yīng)用的信息技術(shù)

目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為信息技術(shù)的代表，同多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)公認(rèn)為三大前景最好的計算機(jī)技術(shù)。最初應(yīng)用于軍事、企業(yè)界及學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室中，隨著應(yīng)用成本的不斷降低，逐步進(jìn)入教育教學(xué)領(lǐng)域，極大豐富了教學(xué)手段，因此，虛擬仿真教學(xué)是對傳統(tǒng)教學(xué)方法和手段的革新[6]。

首先，可以有效解決傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐過程中出現(xiàn)的經(jīng)費(fèi)有限、實(shí)習(xí)資源有限等問題。目前我國有些高校教學(xué)與實(shí)踐的資金緊缺，實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊、更新較慢，新增儀器、價格昂貴的設(shè)備臺套數(shù)量不足，學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)踐過程中分組人數(shù)過多、實(shí)驗(yàn)周期超長，已嚴(yán)重影響到實(shí)踐教學(xué)效果，利用虛擬仿真教學(xué)方法是解決上述問題最理想的措施。

其次，某些傳統(tǒng)實(shí)習(xí)實(shí)踐教學(xué)過程中，不具備現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)條件或?qū)俑叱杀?、高消耗、極端危險環(huán)境、高污染、不可逆操作等教學(xué)及實(shí)踐環(huán)節(jié)，如專業(yè)課程實(shí)習(xí)實(shí)踐過程中的高壓蒸汽滅菌設(shè)備、數(shù)控機(jī)床、激光加工等設(shè)備存在耗材費(fèi)用高、操作存在一定危險性等問題;動物傳染病診斷實(shí)驗(yàn)中存在的病毒傳染性問題;鑄造、焊接實(shí)習(xí)存在工藝的全過程實(shí)踐等問題，虛擬仿真教學(xué)完全可以輕而易舉的加以解決，充分體現(xiàn)出它的優(yōu)勢和價值。

再次，虛擬仿真教學(xué)的實(shí)施對提高學(xué)生綜合設(shè)計與創(chuàng)新能力，提高教師隊(duì)伍教學(xué)能力、拓展實(shí)踐領(lǐng)域、豐富教學(xué)內(nèi)容等有很大的幫助。如對于“微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)”“機(jī)械制造”等課程工藝規(guī)劃方面的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)，通過虛擬仿真教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)教師與學(xué)生的充分互動、深度融合，可取得理想的教學(xué)效果。

最后，虛擬仿真教學(xué)與其他先進(jìn)教育教學(xué)手段相結(jié)合，如MOOCs、翻轉(zhuǎn)課堂等，有助于建立激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、激勵學(xué)生學(xué)習(xí)自主性、提高學(xué)生創(chuàng)新能力的教學(xué)效果考核、評價和反饋機(jī)制的形成。借助虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的考核體系，形成了教與學(xué)的有機(jī)統(tǒng)一。

目前國內(nèi)外虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的信息技術(shù)主要有十種[6]，在基本原理及應(yīng)用范圍雖有所差別，但都可進(jìn)行理論教學(xué)、原理演示以及輔助操作訓(xùn)練的虛擬教學(xué)活動。這些技術(shù)構(gòu)建的虛擬世界為教師和學(xué)生創(chuàng)建了“同一空間”，使學(xué)生產(chǎn)生集體上課的感覺，交流方式也與現(xiàn)實(shí)頗為相似，有效縮短了師生間的時間和空間距離。

二、國內(nèi)虛擬仿真教學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃》的指導(dǎo)意見，教育部在2013—2015年啟動了國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作，得到了社會各界的積極的響應(yīng)和支持。現(xiàn)已遴選出300個國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，分別分布在26個省市自治區(qū)，其中理工類211個，農(nóng)林醫(yī)藥類53個，人文社科類36個[6]。

近年來，為推動高校積極探索線上線下教學(xué)相結(jié)合的個性化、智能化、泛在化實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，教育部2017年印發(fā)了關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知，計劃到2020年遴選出1000項(xiàng)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。國內(nèi)高校掀起了積極開發(fā)應(yīng)用虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目的熱潮。2012—2016年期間，在國內(nèi)外期刊上發(fā)表的有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用、虛擬實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)化管理的高水平學(xué)術(shù)論文SCI/EI檢索數(shù)量我國均領(lǐng)先于世界其他國家[7]。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)建立了機(jī)械與農(nóng)業(yè)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，按照實(shí)驗(yàn)教學(xué)“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充”的原則，提出了“三平臺、九模塊”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[8]。

中國科技大學(xué)利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺的開發(fā)，把物理教學(xué)儀器系統(tǒng)演繹到新的領(lǐng)域，搭建虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)平臺。

北京郵電大學(xué)開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)、通訊、電子三門學(xué)科的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用JAVA Applet技術(shù)、B/S結(jié)構(gòu)和J2EE框架等，解決了高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備及場地日益緊張等諸多問題[9]。

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)國家級農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心構(gòu)建了較為完善的平臺建設(shè)及管理體系，建立了“現(xiàn)代農(nóng)場虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)”等四個虛擬仿真教學(xué)模塊?！凹仪莶《拘詡魅静∫呙绲纳a(chǎn)應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”入選2018年度國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，取得了較好的應(yīng)用效果。

三、國外虛擬仿真教學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

國外對虛擬仿真技術(shù)的研究起步較早，應(yīng)用較為廣泛，美國新媒體聯(lián)盟（NMC，New Media Consortium）按年度、分系列發(fā)布的《國際教育信息化地平線報告》被視為國際教育信息化建設(shè)與發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)。該報告認(rèn)為，虛擬仿真教學(xué)將成為今后國內(nèi)外教育界對傳統(tǒng)教學(xué)進(jìn)行改革、提升人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要方向，是現(xiàn)代教育重要的引領(lǐng)手段之一，因此備受世界各國教育界的關(guān)注。表1系國外高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要類別與基本形式[ 10 ]。

英國開放大學(xué)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)開發(fā)了虛擬儀器共享使用項(xiàng)目，能夠在線實(shí)現(xiàn)所有實(shí)驗(yàn)室功能，學(xué)生可下載虛擬儀器軟件進(jìn)行在線實(shí)驗(yàn)，也可以借助遙控儀器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)。

美國大學(xué)采用平板電腦完成分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)等課程實(shí)驗(yàn)，教師通過iPad上的移動應(yīng)用程序與學(xué)生分享從中心實(shí)驗(yàn)室數(shù)字顯微鏡中獲取的數(shù)據(jù)和圖像資源。

加拿大大學(xué)建設(shè)了3D實(shí)驗(yàn)室和人類創(chuàng)客虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，配備最先進(jìn)的3D掃描儀和打印機(jī)、動作傳感器以及激光切割機(jī)等高科技設(shè)備，真正做到“虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛”的教學(xué)原則。

文獻(xiàn)[10]給出了國外高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的新動向，主要包括：

（1）加快新興信息技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

（2）整合教育資源于在線學(xué)習(xí)、混合式學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)之中。

（3）基于信息技術(shù)教育教學(xué)由理論課程單一教學(xué)形態(tài)向理論與實(shí)踐教學(xué)相輔相成轉(zhuǎn)變。

（4）促進(jìn)學(xué)生從以往的課程內(nèi)容單一消費(fèi)向創(chuàng)造者和設(shè)計者轉(zhuǎn)變。

（5）重視和加強(qiáng)開放教育資源的建設(shè)、使用和維護(hù)。

（6）建設(shè)具有完備數(shù)字化學(xué)習(xí)條件和虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的未來教學(xué)實(shí)驗(yàn)室等。

四、國內(nèi)外虛擬教學(xué)發(fā)展的幾點(diǎn)思考

國內(nèi)的虛擬仿真教學(xué)方法應(yīng)用較國外略晚，但發(fā)展極為迅速。目前，單從技術(shù)縱深度來說，國內(nèi)與國外已相差無幾，而在普及應(yīng)用上，顯然與國外相比有較大差距。分析原因主要有：（1）部分地方政府或單位對虛擬教學(xué)的認(rèn)識不足，或觀念較保守、思想轉(zhuǎn)變慢，或所受自身經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)制約;（2）大部分學(xué)生對虛擬式教學(xué)授課不適應(yīng)，訴求度不高;（3）虛擬仿真教學(xué)對學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和自主性要求大幅提高，而教師主導(dǎo)地位弱化，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)隨意性增加，可能達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)效果[ 11 ]。

基于上述問題，提出如下幾點(diǎn)建議：（1）各高校應(yīng)重視虛擬仿真教學(xué)的應(yīng)用，加強(qiáng)與企業(yè)的聯(lián)合開發(fā)，同時制定學(xué)校激勵考評機(jī)制，鼓勵教師參加平臺設(shè)計、開發(fā)和應(yīng)用;（2）對教育主管部門來說，應(yīng)加大投入力度，鼓勵校企合作，創(chuàng)建不同虛擬仿真教學(xué)軟硬件設(shè)備和平臺;（3）對教師而言，務(wù)必緊跟時代步伐，努力適應(yīng)新的教學(xué)方式;同時不斷提升自身素質(zhì)，強(qiáng)化虛擬仿真教學(xué)過程管控，真正成為虛擬仿真教學(xué)過程的監(jiān)督者和引導(dǎo)者;（4）對學(xué)生來說，提前安排預(yù)習(xí)認(rèn)知時間，制定學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)習(xí)規(guī)劃，深入認(rèn)識并借助虛擬仿真教學(xué)軟硬件平臺，提升自身實(shí)踐與創(chuàng)新能力。

五、結(jié)束語

虛擬仿真教學(xué)是現(xiàn)代教育重要的引領(lǐng)手段之一，備受世界各國教育界的關(guān)注。因此，我國的教育部門應(yīng)加大虛擬仿真教學(xué)軟硬件投入。學(xué)生應(yīng)轉(zhuǎn)變思想，順應(yīng)虛擬教學(xué)新方式，努力提升實(shí)踐動手能力。各高校應(yīng)根據(jù)辦學(xué)特色，積極探索傳統(tǒng)教學(xué)與虛擬仿真教學(xué)深度融合的教學(xué)新模式，專業(yè)教師應(yīng)投入精力，建設(shè)并應(yīng)用虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目，為實(shí)現(xiàn)高等教育改革、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量而提供堅實(shí)的基礎(chǔ)。

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Abstract：The virtual simulation experimental teaching approach is one of essential complement of traditional teaching method reformation.This novel approach plays a positive role to improve the teaching effectiveness of model，system，measurement and construction.More and more attention has been paid in domestic and foreign universities for the approach due to its excellent teaching effect.Construction significance，information technology application，development status and tendency in domestic and overseas of virtual simulation experimental teaching approach was analyzed and summarized.Furthermore，problems and solutions of the approach were also deeply discussed.

Key words：virtual simulation experimental teaching approach;development status;experimental teaching model;education reformation