虛擬仿真技術(shù)在中等職業(yè)教育中的應(yīng)用研究

文/廣州市黃埔職業(yè)技術(shù)學(xué)校 藍(lán) 魏

廣東技術(shù)師范大學(xué) 趙桂雪

一、虛擬仿真技術(shù)概述

虛擬仿真技術(shù),簡稱“VR”,是利用一個(gè)虛擬的系統(tǒng)模仿另一個(gè)真實(shí)系統(tǒng),可利用肢體和語言進(jìn)行交流互動(dòng),帶給用戶良好的仿真體驗(yàn),使之身臨其境的交互式視景仿真。目前,虛擬仿真技術(shù)已被公認(rèn)為是未來的通用技術(shù)平臺(tái),是現(xiàn)代仿真技術(shù)的高級(jí)發(fā)展和突破,是支撐國防軍事重點(diǎn)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)前虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于各行各業(yè)中,在教育、軍事、工業(yè)、娛樂和醫(yī)學(xué)等方面都有極大發(fā)展,且發(fā)展比較多元化,前景樂觀。近幾年,國內(nèi)外各職業(yè)院校都在加強(qiáng)對(duì)虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用,提高學(xué)生的信息化素養(yǎng),促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的發(fā)展。

二、虛擬仿真技術(shù)在中等職業(yè)教育中的應(yīng)用優(yōu)勢

中等職業(yè)教育具有實(shí)踐性、開放性、生產(chǎn)性和時(shí)代性。為更好地實(shí)現(xiàn)“技能型”人才的培養(yǎng)目標(biāo),中等職業(yè)教育應(yīng)以“實(shí)用”、“實(shí)訓(xùn)”和“應(yīng)用”為主要特征,為學(xué)生提供更多的實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)。在中等職業(yè)教育中運(yùn)用虛擬仿真技術(shù),可以改變教學(xué)觀念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)場所,節(jié)約教育投入,提高教學(xué)效果。虛擬仿真技術(shù)以其沉浸性、交互性的特點(diǎn),為學(xué)生提供近乎真實(shí)的實(shí)踐體驗(yàn),對(duì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,突破教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn),喚醒學(xué)生的多元智慧,培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)應(yīng)用能力、創(chuàng)新創(chuàng)造能力和合作意識(shí)具有重要的意義。

(一)實(shí)現(xiàn)情境化教學(xué)

情境化教學(xué)是情境性學(xué)習(xí)觀念在教學(xué)中的具體應(yīng)用。它是指為了創(chuàng)設(shè)一定的教學(xué)情境,教師有目的地引入或創(chuàng)設(shè)具有一定情緒色彩、以形象為主體的生動(dòng)具體的場景,將學(xué)生引入一定的教學(xué)情境和一組情境之中,由形象感知轉(zhuǎn)向情感體驗(yàn),學(xué)生可以通過實(shí)驗(yàn)、學(xué)科活動(dòng)、社會(huì)實(shí)踐等體驗(yàn)生活,將課本知識(shí)與生活建立聯(lián)系的一種教學(xué)方法。

目前,在中等職業(yè)教育中,由于受資金、設(shè)備、時(shí)間、空間等多種外在因素的影響,給學(xué)生提供的教學(xué)情境相對(duì)較少,從而限制了學(xué)生的發(fā)散思維。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到中等職業(yè)教育教學(xué)中,能夠呈現(xiàn)出多種不同的教學(xué)方式。通過視、聽、觸覺等感官的刺激,從而使其獲得相應(yīng)的知識(shí)。

情境化教學(xué)通常有以下三個(gè)特征:一是客觀真實(shí)性的情境。傳統(tǒng)課堂情境中,大多數(shù)情況下是教師講授,學(xué)生想象特定的情景。但是情景常設(shè)的難度較大,學(xué)生很難真的進(jìn)入真實(shí)情境中,難以激發(fā)學(xué)生的認(rèn)同感和代入感。將虛擬仿真技術(shù)引入課堂后,學(xué)生可以借助頭盔顯示器、耳機(jī)、手柄、數(shù)據(jù)手套等進(jìn)入教師預(yù)設(shè)的教學(xué)情境中,在每個(gè)學(xué)生全神貫注的參與下,創(chuàng)造出一個(gè)能讓學(xué)生觀察、感受到的虛擬環(huán)境。在虛擬仿真實(shí)踐中,可以持續(xù)地將技術(shù)知識(shí)內(nèi)化,并在此基礎(chǔ)上,通過虛擬實(shí)踐進(jìn)一步深化對(duì)虛擬感知的生活與生產(chǎn)實(shí)踐過程的總結(jié)與探討,使學(xué)習(xí)者沉浸在這種虛擬感知的虛擬環(huán)境中,從而完成對(duì)理論知識(shí)的進(jìn)一步學(xué)習(xí)。二是深入性的課堂互動(dòng)。虛擬仿真技術(shù)具有交互性,當(dāng)學(xué)生用手觸摸虛擬仿真中的物體時(shí),就會(huì)有一種手握東西的感覺,并感受到物體的重量,視場中的物體也會(huì)跟隨手的運(yùn)動(dòng)而移動(dòng)。在虛擬教學(xué)模式的環(huán)境下,合作會(huì)話可以幫助學(xué)生更好地理解和掌握知識(shí),實(shí)現(xiàn)人人交互和人機(jī)交互。通常情況下,使用3D的輸入和輸出裝置讓學(xué)生在實(shí)際工作中,直觀地使用電腦,實(shí)現(xiàn)交互式作業(yè)。三是感性化的實(shí)驗(yàn)情境。這種虛擬仿真技術(shù)并不是將學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中提出的各種假設(shè)模型進(jìn)行虛擬,而是通過一系列的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)和教學(xué)試驗(yàn)仿真訓(xùn)練相結(jié)合,從而起到良好的教學(xué)效果。傳統(tǒng)的課堂教學(xué),實(shí)驗(yàn)主要是由教師示范和學(xué)生小組進(jìn)行,盡管實(shí)驗(yàn)具有一定的現(xiàn)實(shí)性,但是實(shí)驗(yàn)中的原理很難被直觀地表現(xiàn)出來,很難給學(xué)生提供一個(gè)感覺的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。虛擬實(shí)驗(yàn)室可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的抽象和理想化的缺點(diǎn),比如可以在實(shí)驗(yàn)室中探究電磁規(guī)律、物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)、解剖動(dòng)物或人類,可以在三維動(dòng)態(tài)建模中探究數(shù)學(xué),還可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室中參觀秦始皇墓、爬珠穆朗瑪峰、感受《清明上河圖》、模擬八大行星的運(yùn)行等。學(xué)生可以對(duì)多個(gè)感知環(huán)境進(jìn)行體驗(yàn),獲得直接的經(jīng)驗(yàn),推動(dòng)自己進(jìn)行持續(xù)的探索,從而達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果。

(二)促進(jìn)個(gè)性化學(xué)習(xí)

個(gè)性化學(xué)習(xí)是根據(jù)學(xué)習(xí)者的不同需求和發(fā)展特點(diǎn),采取適切和靈活的方法、手段、策略、內(nèi)容、評(píng)價(jià)等促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。中等職業(yè)教育注重學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí),隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展,個(gè)性化學(xué)習(xí)的實(shí)現(xiàn)成為可能。利用虛擬仿真技術(shù),學(xué)生進(jìn)入到一個(gè)虛擬的教學(xué)環(huán)境中,并且按照自己的需要,自主地選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容和所學(xué)課程。在傳統(tǒng)的班級(jí)教學(xué)模式下,由于學(xué)生的數(shù)量太多,教師很難對(duì)學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化的教育。以學(xué)生為中心的個(gè)性化學(xué)習(xí)、自主性學(xué)習(xí),是中等職業(yè)教育的必然選擇。而研發(fā)虛擬仿真技術(shù)教學(xué)平臺(tái),為以學(xué)生為中心的個(gè)性化學(xué)習(xí)、自主性學(xué)習(xí)提供了重要的支持。虛擬仿真技術(shù)教學(xué)平臺(tái)能夠?qū)鹘y(tǒng)的學(xué)習(xí)模式進(jìn)行改進(jìn),對(duì)教學(xué)的方式和方法進(jìn)行創(chuàng)新,為學(xué)生的教育提供專業(yè)的支持。作為教學(xué)的重要輔助工具,教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)起到很大的輔助作用。

(三)支持教學(xué)研訓(xùn)

教師要運(yùn)用新的教學(xué)方法,善于總結(jié)、發(fā)現(xiàn)教學(xué)過程中遇到的困難,在探索中提高教學(xué)質(zhì)量,推動(dòng)自身專業(yè)發(fā)展。而虛擬仿真技術(shù)不僅可以為學(xué)生提供幫助,也能為教師提供幫助;一方面,虛擬仿真技術(shù)可以創(chuàng)設(shè)虛擬情境輔助教學(xué),另一方面,也可以創(chuàng)設(shè)教研情境輔助教師研訓(xùn)。教師在進(jìn)行教研的過程中,可以不斷地總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)教學(xué)問題,探索教學(xué)方式,從而改進(jìn)自己的教學(xué),提升自己的教學(xué)水平。

虛擬仿真技術(shù)支持的教學(xué)研訓(xùn)主要有三個(gè)主要特征。一是教師參與度高。借助虛擬仿真技術(shù),利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真教學(xué)訓(xùn)練,能夠?yàn)閷W(xué)員提供各種可重復(fù)性練習(xí)的教學(xué)情景。在這些教學(xué)情境中,教師可以與教學(xué)系統(tǒng)中的其他參與者進(jìn)行協(xié)作,參與式學(xué)習(xí)為學(xué)生提供了一種參與式的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和機(jī)會(huì),為學(xué)生提供了一種體驗(yàn)和理解復(fù)雜教學(xué)內(nèi)容的方式。同時(shí),也為教師提供了一種更具真實(shí)性、靈活性和可持續(xù)性的教學(xué)方式,為教師提供更有效的教學(xué)策略,以激發(fā)學(xué)生的興趣和好奇心。二是科研訓(xùn)練費(fèi)用低。在虛擬仿真技術(shù)的支撐下,通過不斷地構(gòu)建和優(yōu)化,形成了一個(gè)更加具有開放性、可持續(xù)性、高逼真度等特點(diǎn)的教師培訓(xùn)環(huán)境,可以降低研修場景構(gòu)建的時(shí)間和費(fèi)用。針對(duì)不同的培訓(xùn)對(duì)象,設(shè)置不同的培訓(xùn)時(shí)間、研修環(huán)境、教學(xué)場景等,讓受訓(xùn)教師自主選擇。使教學(xué)研訓(xùn)由被動(dòng)“集中”到主動(dòng)“自覺”,由“集中”到“自主”,由“被動(dòng)”到“主動(dòng)”,教學(xué)研訓(xùn)變得常態(tài)化。三是研究和訓(xùn)練更加接近實(shí)際的課堂教學(xué)。在虛擬仿真技術(shù)的支持下,能夠?qū)Ω鞣N實(shí)際的教學(xué)事件進(jìn)行模擬研訓(xùn)活動(dòng),例如:教學(xué)準(zhǔn)備、師生問答、學(xué)生課堂紀(jì)律、設(shè)備故障等。此外,還能利用系統(tǒng)對(duì)學(xué)員進(jìn)行虛擬形象的仿真,使研訓(xùn)更加貼近實(shí)際的課堂教學(xué)。利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行教學(xué)研究,可以解決傳統(tǒng)的教研組織困難、參加者少、與實(shí)際課堂脫節(jié)的問題,從而有效地降低了研究的成本。學(xué)員可以在任何時(shí)候、任何地方都參與學(xué)習(xí),在一個(gè)真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境中,直接面對(duì)教學(xué)中出現(xiàn)的實(shí)際問題,將學(xué)習(xí)變成一種真正的教學(xué)活動(dòng),推動(dòng)教師專業(yè)發(fā)展。

三、職業(yè)學(xué)校對(duì)虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用瓶頸

(一)設(shè)備成本較高

虛擬仿真技術(shù)設(shè)備成本較高,會(huì)加重學(xué)校的財(cái)政負(fù)擔(dān)。目前,綜合各職業(yè)學(xué)校虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)情況來看,相關(guān)軟硬件設(shè)備的價(jià)格高昂。在構(gòu)建虛擬仿真大屏和 OAE系統(tǒng)方面,需要花費(fèi)超過百萬元的資金,購買或定制開發(fā)課程資源的成本也要在數(shù)萬到數(shù)十萬元之間,因?yàn)橥度胩?造成了實(shí)訓(xùn)設(shè)備的更新難度很大,所以會(huì)出現(xiàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備陳舊、更新滯后、維護(hù)成本高等問題,這對(duì)虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)的連續(xù)性和及時(shí)性造成了嚴(yán)重的影響。

(二)虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源難以為繼

當(dāng)前,我國職業(yè)院校在虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源建設(shè)上,存在如下問題:課程資源大量從企業(yè)購買,價(jià)格昂貴,學(xué)校負(fù)擔(dān)過重;而且,購買的課程資源只能滿足2-8個(gè)課時(shí)的教學(xué)需求,還存在著語言的特殊性,通用性較差,易用性差等問題。所有的課程都是公司自己研發(fā)的,沒有太多的針對(duì)性,如果是量身定做的,一般都要幾十萬元,成本很高。

(三)教師的虛擬仿真教學(xué)能力不足

虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過程,要求教師熟練掌握計(jì)算機(jī)應(yīng)用技能,并能夠利用虛擬實(shí)現(xiàn)空間開展多樣化的教學(xué)工作。當(dāng)前,在我國職業(yè)學(xué)校的教學(xué)中,存在著兩種極端現(xiàn)象。對(duì)虛擬仿真技術(shù)的掌握和學(xué)習(xí)能力都比較強(qiáng)的都是年輕教師,但是他們的專業(yè)教育水平和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)又比較有限。而擁有較高教學(xué)資質(zhì)的教師,往往對(duì)虛擬技術(shù)的應(yīng)用知之甚少。在職業(yè)學(xué)校中開展虛擬仿真技術(shù)教學(xué),對(duì)職業(yè)學(xué)校教師提出了新的要求,但在實(shí)際教學(xué)過程中,仍有一些職業(yè)學(xué)校教師對(duì)虛擬仿真技術(shù)教學(xué)應(yīng)用不足,這也是制約虛擬仿真技術(shù)融入職業(yè)學(xué)校課堂的重要因素之一。解決好這一難題,是今后職業(yè)院校在課堂教學(xué)中使用虛擬仿真技術(shù)的先決條件。

四、職業(yè)學(xué)校對(duì)虛擬仿真技術(shù)的解決路徑

(一)推動(dòng)職業(yè)學(xué)校師資隊(duì)伍的信息化建設(shè)

我國信息化教育發(fā)展相對(duì)落后,但在技術(shù)普及能力方面較強(qiáng),因此,構(gòu)建職業(yè)學(xué)校的信息化教育系統(tǒng),可以很好地促進(jìn)專業(yè)教學(xué)水平的提高。為了更好地滿足職業(yè)學(xué)校虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用的需要,職業(yè)學(xué)校應(yīng)該與信息化技術(shù)的發(fā)展相結(jié)合,加強(qiáng)師資力量的建設(shè),增強(qiáng)教師對(duì)虛擬仿真技術(shù)的掌控力,以雙師型教師教育為重點(diǎn),通過教師下企業(yè)實(shí)踐或聘請(qǐng)專家團(tuán)隊(duì)的方式培養(yǎng)師資。確保職業(yè)學(xué)校教師在使用虛擬仿真技術(shù)時(shí),能夠從根本上發(fā)揮出自身優(yōu)勢,不斷提升教師的專業(yè)教育和虛擬仿真技術(shù)操作水平,不斷強(qiáng)化對(duì)虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用,并制定相關(guān)的教學(xué)實(shí)踐計(jì)劃,使虛擬化教育實(shí)踐可以快速地在職業(yè)學(xué)校中展開。這也是職業(yè)學(xué)校在后續(xù)階段開展虛擬仿真技術(shù)的教育實(shí)踐計(jì)劃中,實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要保證。

(二)校企合作促進(jìn)產(chǎn)教融合

“校企合作”是一種以“校企”為主體的新型人才培養(yǎng)模式。針對(duì)虛擬仿真技術(shù)裝備價(jià)格昂貴、維護(hù)費(fèi)用高等問題,學(xué)校與企業(yè)、公司進(jìn)行合作,職業(yè)學(xué)校為企業(yè)培訓(xùn)提供裝備。堅(jiān)持把深化產(chǎn)教融合、校企合作作為提高職業(yè)教育適應(yīng)性的重要著力點(diǎn),堅(jiān)持把目標(biāo)導(dǎo)向和問題導(dǎo)向相結(jié)合作為提高職業(yè)教育適應(yīng)性的重要方法,尋求行之有效的途徑,強(qiáng)化機(jī)制建設(shè),提高融合效果。在路徑上,以在全國范圍內(nèi)推進(jìn)產(chǎn)教融合試點(diǎn)城市、試點(diǎn)企業(yè)建設(shè)為機(jī)遇,積極與相關(guān)企業(yè)展開合作,將先進(jìn)技術(shù)、制度等引入學(xué)校,促進(jìn)產(chǎn)教融合。在效果方面,學(xué)校應(yīng)該吸納企業(yè)工程師,深度參與教育教學(xué)和人才培養(yǎng),提高資源的共享程度,不斷提高學(xué)校與企業(yè)之間的合作程度,建立“校企共同體”。

(三)出臺(tái)操作層面的政策或措施

新一代信息技術(shù)發(fā)展對(duì)國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重要作用,是經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)健康發(fā)展的重要支撐,虛擬仿真技術(shù)在教育行業(yè)的推廣應(yīng)用同樣如此。自2017年7月起,教育部高教司便啟動(dòng)了國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目認(rèn)定工作,用四年的時(shí)間,面向60個(gè)專業(yè)類,遴選1000個(gè)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目,2019年將該項(xiàng)目納入一流本科課程建設(shè)。近幾年,教育部和江西省政府合力推動(dòng)虛擬仿真技術(shù)與教育教學(xué)深度融合,依托現(xiàn)有資源,在全國范圍內(nèi)率先建立了第一個(gè)國家級(jí)高職院校虛擬仿真示范訓(xùn)練基地,在8個(gè)專業(yè)類別中建立了虛擬仿真教學(xué)區(qū)域,并在此基礎(chǔ)上,將虛擬仿真教學(xué)與云計(jì)算技術(shù)有機(jī)結(jié)合,形成了以虛擬仿真教學(xué)為核心的云計(jì)算服務(wù)平臺(tái),為教師和學(xué)生提供了一整套虛擬仿真技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)智慧教育的綜合解決方案。

(四)借用或自主研發(fā)系統(tǒng)平臺(tái)

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)課可以借用思科的Packet Tracer,學(xué)生可以在這個(gè)軟件里完成網(wǎng)絡(luò)搭建、配置,物聯(lián)網(wǎng)、智能家居等方面的實(shí)訓(xùn)操作。如果學(xué)校教師有實(shí)力可以自行設(shè)計(jì)虛擬平臺(tái),如我校陳老師經(jīng)過多年的實(shí)踐,自行設(shè)計(jì)了一個(gè)“物聯(lián)網(wǎng)安卓物聯(lián)網(wǎng)客戶端程序”,用于控制物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)軟件,其實(shí)現(xiàn)功能涵蓋了真實(shí)物聯(lián)設(shè)備的大部分功能和接口,學(xué)生在模擬設(shè)備上學(xué)習(xí)和訓(xùn)練軟件開發(fā)編程技能,最終將掌握的技能運(yùn)用于真實(shí)設(shè)備。

五、結(jié)語

隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展,對(duì)中等職業(yè)教育教學(xué)的積極影響將會(huì)越來越大,中等職業(yè)教育的教學(xué)內(nèi)容和形式也將會(huì)發(fā)生變化。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于職業(yè)院校教學(xué),是職業(yè)院校教學(xué)改革的必然選擇。

當(dāng)前,在中等職業(yè)教育中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行教學(xué)的過程中,還沒有形成一套完整的、系統(tǒng)的教育理論,也沒有形成一套行之有效的教學(xué)模式。雖然現(xiàn)在虛擬仿真技術(shù)在中等職業(yè)教育中的應(yīng)用還沒有被廣泛地運(yùn)用和開發(fā),但是隨著信息技術(shù)的發(fā)展,虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展以及硬件設(shè)備的成本的持續(xù)下降,它將會(huì)以其獨(dú)特的教學(xué)優(yōu)勢和潛在的應(yīng)用價(jià)值,在中等職業(yè)教育中起到越來越大的作用。