虛擬仿真在線實驗應用效果及其影響因素分析
——來自于在線問卷的調(diào)查數(shù)據(jù)

邵士昌，王鵬，周光宏，吳菊清

(南京農(nóng)業(yè)大學，江蘇 南京 210095)

一、 引言

2020年年初，受到新型冠狀病毒感染肺炎疫情的影響，國內(nèi)各大高校均推遲了開學時間。根據(jù)教育部的指示[1]，由政府、高校和社會多方面共同保障高校在疫情防控期間的在線教學，實現(xiàn)“停課不停教、停課不停學”的任務目標。為此，運用虛擬仿真實驗教學項目進行遠程教學活動，并提供在線實驗教學支撐教學質(zhì)量，成為疫情期間高等院校重要的教學工作。

南京農(nóng)業(yè)大學開發(fā)的“乳化腸規(guī)?；a(chǎn)的虛擬仿真實驗”是一項模擬工廠中批量生產(chǎn)乳化腸的規(guī)?；摂M仿真實驗，獲批教育部2018年度國家級虛擬仿真實驗教學項目。目前，國內(nèi)高校的相關教學實踐過程中普遍存在硬件設施不足、沒有成套的實驗設施設備、學生理論與實踐脫節(jié)等問題。即使有的學校可以到工廠實習，但規(guī)?；a(chǎn)的投料成本高，工藝固定，無法進行創(chuàng)新設計。理論授課中，學生缺乏直觀的香腸品質(zhì)評判標準，往往把品質(zhì)與安全概念混淆。虛擬仿真實驗倡導學生自主、合作、探究式學習以及師生間互動研討式教學[2]，不僅讓學生更好地體驗生產(chǎn)過程，還可以促進實驗教學與理論學習間的平衡發(fā)展，有助于個性化教學的實現(xiàn)。虛擬仿真作為近幾年興起的教學方式，對其應用效果的研究是教學研究的熱點之一[3-4]。疫情期間的慕課學習和在線互動教學的實施情況及效果評價受到了教學研究者的重視[5-6]，而虛擬仿真實驗教學在此方面的研究尚為數(shù)不多。本文在對參與虛擬仿真實驗學生的問卷分析基礎上，探索如何在在線教學的背景下發(fā)揮虛擬仿真實驗的作用以及實驗參與學生對實驗滿意度的影響因素，基于實證研究結果提出若干提升虛擬仿真實驗在線教學效果的相關對策與建議，為后疫情時期智能時代下虛擬仿真實驗教學的變革提供參考。

二、 虛擬仿真在線實驗教學實施情況

(一) 數(shù)據(jù)采集與分析

為了解國內(nèi)高校學生對虛擬仿真應用于實驗教學的體驗與感悟，此次調(diào)查以網(wǎng)上發(fā)布調(diào)查問卷的形式展開，調(diào)研對象為參與本實驗的國內(nèi)各大院校的食品專業(yè)本科生。調(diào)查問卷的時間跨度為2020年3月—6月，由于“乳化腸規(guī)?；a(chǎn)的虛擬仿真實驗”在線實驗教學共分兩個批次展開，此次調(diào)查同樣分為兩個批次，分別在3月和6月實施，兩個調(diào)查共收到有效反饋287份。

(二) 在線實驗教學實施情況

1. 對虛擬仿真實驗的了解度和參與度分析

虛擬仿真技術[7]作為一項綜合集成技術，逐漸成為傳統(tǒng)教學手段的補充，在教育教學方面有著廣泛的應用。通過與傳統(tǒng)課堂教學相融合“以虛補實”，可以激發(fā)學生學習的興趣，提高學習效率，促進教師達成以培養(yǎng)學生能力為重的教學目標。在對“虛擬仿真了解度和參與度”的調(diào)查中，我們發(fā)現(xiàn)85.02%的學生對虛擬仿真有著一定的了解，其中有4.53%的學生認為自己對虛擬仿真非常了解，參與過虛擬仿真項目的學生與未參與過的學生比例接近1∶1(見表1)。在實驗操作前，超過半數(shù)的學生表示對虛擬仿真實驗感興趣，愿意參與仿真實驗的學習中。這在一定程度上表明，虛擬仿真實驗能夠激發(fā)學生的學習興趣，提高學生對實驗的關注度，對推動教學起著積極的導向作用。

表1 對虛擬仿真實驗的了解和是否參與過相關實驗

在虛擬仿真實驗的教學期間，國內(nèi)各食品院校的工藝學、加工學等相關課程的處于理論教學階段，“乳化腸規(guī)?；a(chǎn)的虛擬仿真實驗”針對各學校在線講授的理論知識進行了擴充和延展，加深學生對書本知識的理解，也提升了對實驗操作內(nèi)容和實踐技能的靈活性和掌握度要求。

2. 傳統(tǒng)實驗和虛擬仿真實驗的對比分析

調(diào)查結果顯示，傳統(tǒng)實驗教學存在著種種不足。71.78%的學生認為做實驗只是為了獲取實驗數(shù)據(jù)和完成實驗報告，對實驗理解不足；71.43%的受調(diào)查學生認為實驗儀器少，接觸時間短；受時空限制，不能重復做實驗也是傳統(tǒng)實驗教學中比較明顯的不足之處(58.19%)；而認為趣味性低(29.62%)等其他因素的學生占比較少(見表2)。虛擬仿真技術通過構建虛擬信息環(huán)境，視聽效果的結合，帶來身臨其境的沉浸式體驗，從而鞏固理論知識，鍛煉實驗操作，提高思考能力，更能激發(fā)學生的學習熱情。

表2 傳統(tǒng)實驗和虛擬仿真實驗的對比分析

教學形式的互動性是提升網(wǎng)絡在線課程質(zhì)量的重要因素[8]。如表2所見，超過70%的參與調(diào)研學生認為：突破時空限制和自主探究學習是虛擬仿真實驗和傳統(tǒng)教學相比較的優(yōu)勢所在。虛擬仿真教學之所以能有這樣的效果是因為在線虛擬仿真實驗通過網(wǎng)頁端對實驗關鍵工序進行組合與綜合設計，以問題為導向培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力。學生不僅參與學習的過程，還可以參與設計環(huán)節(jié)。學生在實驗中，可以根據(jù)需要調(diào)整和修改實驗參數(shù)，得到不同實驗參數(shù)下的實驗結果。教師通過后臺對學生的實驗結果進行批閱和反饋，幫助學生更好地進行實驗操作。

3. 虛擬仿真實驗的難度設置調(diào)查分析

結合“乳化腸規(guī)?；a(chǎn)的虛擬仿真實驗”的開課時間，此次調(diào)查共分兩次施行。表3展示的是學生對實驗難度的認知對比，從第一批調(diào)查情況看，認為實驗難度大的占比為26.13%，認為難度一般的為67.57%，而認為難度小的占比為6.30%。這一結果與第二批調(diào)查結果對比可以發(fā)現(xiàn)，在第二批調(diào)查中認為難度大的學生占比有所提升，而認為難度一般和難度小的學生占比有所減少，這一結果和實際教學相符。

表3 學生對實驗難度認知的前后對比

而從學生虛擬仿真實驗表現(xiàn)看(表4)，第一批調(diào)查中僅有16.22%的學生自我滿意度高，認為實驗完成度好，有63.06% 的學生認為自己完成度一般。而第二批調(diào)查中完成度好的占比提升，完成度一般的占比也有提升，完成度差的比例下降。其中可能的原因是同時存在主觀和客觀條件影響到學生對實驗的完成度。除技術層面的問題外，大部分學生表示操作步驟不熟悉、細節(jié)問題不明、理論知識了解不足等問題是影響實驗完成的主要因素，而這些問題也是常規(guī)實驗室操作中經(jīng)常碰到的問題。此外，基于第一批虛擬仿真實驗在線教學的經(jīng)驗，在第二批在線實驗教學實施前，各學校針對虛擬仿真實驗都做了相應的培訓，并對實驗說明進行了優(yōu)化。因此，第二批實驗的完成度優(yōu)于第一批實驗。

表4 學生虛擬仿真實驗表現(xiàn)前后對比

4. 虛擬仿真實驗的師生交流效果分析

虛擬仿真實驗在課后教學反思中有著得天獨厚的優(yōu)勢。“乳化腸規(guī)?；a(chǎn)的虛擬仿真實驗”的在線程序可以根據(jù)學生在不同實驗環(huán)節(jié)的操作和綜合性設計給予成績評定，幫助學生對自己設計的工藝參數(shù)進行反思，進而設計優(yōu)化參數(shù)，并對產(chǎn)品品質(zhì)進行人機協(xié)同檢測，以獲得令人滿意的實驗報告。在虛擬仿真系統(tǒng)中，學生可以不斷地“重新實驗”來強化實驗操作技能，可以達到與實際實驗室操作相同的目的。超過98%的學生通過師生交流和自主學習來解決實驗操作中的問題，這對于培養(yǎng)學生的思考能力和創(chuàng)新意識具有積極的意義。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，84.67%的學生希望實驗課老師能夠?qū)⒎抡鎸嶒灪蛡鹘y(tǒng)實驗相結合(見表5)。實驗課程注重培養(yǎng)學生的動手操作能力，其線上授課難度遠遠大于理論課程。疫情期間，虛擬仿真在線實驗的廣泛推廣和應用大大促進了實驗教學的開展，緩解了教學壓力，使學生足不出戶就可以開展實驗，進行仿真操作練習，減小了疫情對實驗教學的不利影響，也為今后多渠道開展實驗教學提供了新思路。

表5 師生交流與實驗結果反饋

5. 學生參加虛擬仿真實驗的總體收獲分析

虛擬仿真實驗教學效果的評價可體現(xiàn)課程是否堅持以問題和需求為導向，能否完善實驗設計使其與知識點銜接緊密，能否使實驗內(nèi)容緊跟學科發(fā)展前沿。堅持以學生為中心，產(chǎn)出為導向，努力彌補高校人才培養(yǎng)目標與社會需求間的差距。表6的調(diào)查結果顯示，通過“乳化腸規(guī)模生產(chǎn)的虛擬仿真實驗”，大大拓寬了學生的知識層面，學生的思考能力有了一定提高。學生對肉品加工規(guī)模生產(chǎn)實踐產(chǎn)生了濃厚的興趣，為將來的科研道路奠定了基礎。在評價過程中堅持“過程評價”和“結果評價”相結合，不僅能夠及時反映問題，幫助學生反思回顧，同時也使得實驗結果更加準確，評價體系更加完善。學生表示在未來的教學中，希望針對肉品加工實驗、產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程等一些操作性較強的知識點運用虛擬仿真教學，以達到學以致用的目的。

表6 學生參加虛擬仿真實驗的收獲

此外，學生也反映了在虛擬仿真實驗過程中遇到的一些問題，比如WEB端中流程指向箭頭不準確、設備出現(xiàn)卡頓、清晰度有待加強等。這些設計缺陷也在一定程度上影響了學生的完成度和興趣性，需要進一步改進。

三、 應用效果及其影響因素分析

(一) 模型構建

由于因變量是多分類變量，因此本文采用多元線性回歸模型進行分析，其公式如下：

Y=a0+a1X1+a2X2+…+a7X7+ε

其中，Y為因變量，表示“學生如何評價自己在虛擬仿真實驗中的表現(xiàn)”和“是否希望實驗課老師使用仿真實驗和傳統(tǒng)實驗相結合” ，這兩個問題分別反映了學生對當前虛擬仿真實驗的體驗感，以及未來是否愿意接受這一實驗教學形式。自變量分別為“是否了解虛擬仿真”“之前是否參與過虛擬仿真實驗項目”“是否對仿真實驗感興趣”“乳化腸虛擬仿真實驗難度如何”“遇到問題是否通過查資料”“遇到問題和老師同學在線交流”。此外，還基于調(diào)查問卷中圍繞網(wǎng)頁版、PAD版和VR版設置的問題，將“哪個版本更能對課堂教學更好的補充”“哪個版本更容易操作”“哪個版本更適合學生日常的學習”“哪個版本教學更能吸引你”“哪個版本更直觀地展示學習內(nèi)容”“哪個版本更容易存在或出現(xiàn)問題”六項問題的選擇進行積分，以反映學生更傾向于選擇哪個版。表7為各變量的統(tǒng)計描述。

表7 變量統(tǒng)計描述

(二) 實證結果分析

本文首先對“學生如何評價自己在虛擬仿真實驗中的表現(xiàn)”進行回歸，以分析各影響因素對學生的表現(xiàn)評價是否有影響。表8模型回歸結果顯示，“是否了解虛擬仿真”對表現(xiàn)評價有著顯著的正向影響，這一結果與前文中表4的結果基本一致，說明提前進行虛擬仿真系統(tǒng)的介紹與培訓可以提高學生對虛擬仿真實驗的了解，進而可以提高其在虛擬仿真教學時的表現(xiàn)評價。

而“之前是否參與過虛擬仿真”的影響并不顯著，可能的原因在于過去雖然有對虛擬仿真實驗的探索，但施行的范圍較小，大多數(shù)的學生并沒有接觸過在線虛擬仿真實驗。而此次疫情的影響才使得在線虛擬仿真實驗大范圍推廣，因此這一因素并沒有對學生的表現(xiàn)評價產(chǎn)生影響?！皩Ψ抡鎸嶒灨信d趣”和“實驗難度”對學生的表現(xiàn)評價分別產(chǎn)生正向的顯著影響和負向的顯著影響，這兩個因素一定程度上反映的是課程本身對于學生評價的影響。而虛擬仿真教學這一教學形式的變化也會影響學生對于該門課程的興趣和在線操作難度，因此虛擬仿真實驗需要從實際體驗和操作等方面加以改進，以提升學生的學習興趣，降低學生的在線操作難度?！昂屠蠋熗瑢W交流”對表現(xiàn)評價存在正向的顯著影響，表明在線形式并沒有影響到學生在學習過程與老師和同學的交流，教學效果良好。而在具體的網(wǎng)頁版、PAD版和VR版選擇方面，網(wǎng)頁版和PAD版的影響顯著，表明學生更傾向于選擇這兩個版的虛擬仿真實驗。

考慮到后疫情時代下虛擬仿真實驗在教學中的應用，本文同時對“未來是否愿意接受實驗課老師使用仿真實驗和傳統(tǒng)實驗相結合”進行了回歸，從表8的結果看，“是否了解虛擬仿真”“對仿真實驗感興趣”依然是顯著的影響因素，對學生持有“希望未來使用”有著正向的影響。表明虛擬仿真教學在未來的推廣需要加強學生對虛擬仿真的認知，并且要提升學生對虛擬仿真的興趣。在具體形式選擇方面，從目前的情況看，網(wǎng)頁版和PAD版是更好的選擇。

表8 模型回歸結果

四、 結論與對策

本研究從新冠疫情期間居家學習學生的虛擬仿真實驗效果出發(fā)，從學習興趣的激發(fā)、實驗設置難度、師生交流效果、教學方式對比的角度進行了定量的結果分析，并通過構建多元線性回歸模型對虛擬仿真實驗教學效果及未來的使用進行了分析。結果表明，突破時空限制和自主探究學習是虛擬仿真實驗和傳統(tǒng)教學相比較的優(yōu)勢所在，也是吸引學生的關鍵因素。絕大多數(shù)的學生通過師生交流和自主學習來解決實驗操作中的問題，這對于培養(yǎng)學生的思考能力和創(chuàng)新意識具有積極的意義。學生希望實驗課老師能夠?qū)⒎抡鎸嶒灪蛡鹘y(tǒng)實驗相結合，這說明多種實驗形式的虛實互補將是可取的實驗教學策略。而從影響教學效果和未來使用的影響因素看，使學生更多地了解虛擬仿真教育方法，提升學生對虛擬仿真實驗的興趣，以及選擇合適的方式是虛擬仿真教學能夠更好的發(fā)揮作用的關鍵。

根據(jù)上述研究結論，結合現(xiàn)今虛擬仿真在線課程的實際情況，提出以下進一步提升虛擬仿真實驗效果的對策。

(一) 多終端優(yōu)勢互補

虛擬仿真技術支持多終端跨平臺訪問，在虛擬仿真共享平臺、學校教學平臺、各類管理平臺中實現(xiàn)聯(lián)通，在手機端、PC端、WEB端、VR等各類終端間運行暢通。移動互聯(lián)網(wǎng)時代，人們往往“機不離手”，若將智能手機應用于虛擬仿真教學中，則會給教學過程帶來極大的便利[9]。手機端可以幫助學生對教學內(nèi)容進行實時性、碎片化的學習，具備很強的靈活性和自主性，方便師生之間進行溝通交流。VR端具備360度全景畫面，可以帶來身臨其境的沉浸式體驗，試聽效果的結合更能激發(fā)學生的學習熱情和積極主動性[10]。

(二) 提高人機交互性

所謂交互性是指用戶通過屏幕、VR眼鏡等與虛擬環(huán)境產(chǎn)生聯(lián)系，從而能夠操縱事物和得到反饋的過程[11]。目前，本實驗存在用戶視角切換不夠流暢，無法隨機交互獲得實時反饋等不足。增強人機交互性，需要提高系統(tǒng)的智能性，加快更新迭代的速度，彌補軟件計的缺陷與不足。同時，也應增強平臺的兼容性，消除因硬件配置不同而導致的不兼容問題，進一步方便資源的共享和傳播[12]。

(三) 虛實結合，擴展教學的廣度和深度

目前，國內(nèi)高校相繼建設了虛擬仿真實驗教學中心，大大促進了實驗教學的發(fā)展，但虛擬實驗教學在不同學科中各有其應用特點。食品科學與工程作為實踐性很強的一門學科，可以充分發(fā)揮實踐操作與虛擬仿真各自的特點。具體來說，可以用虛擬仿真實景化再現(xiàn)工程情境，激發(fā)學生的學習興趣；在實際動手操作中引導學生利用交叉學科知識，融合解決食品問題。通過以上的虛實結合，擴展教學的廣度和深度。