虛擬仿真技術在現(xiàn)代教育技術中的應用

摘要：為提高現(xiàn)代教育的質(zhì)量水平，文章在現(xiàn)代教育技術中引入了虛擬仿真技術。文章首先明確了教學內(nèi)容與目標，從基礎知識、實踐操作、案例分析和互動討論等方面，完成對教學場景的分區(qū)設計；然后，在教學場景內(nèi)創(chuàng)建虛擬物體與角色，導出適合在虛擬仿真教育交互場景中使用的格式，使教學場景更加生動，激發(fā)了學生的興趣；最后，使用虛擬現(xiàn)實技術實施虛擬仿真教育，為學生提供更加真實、沉浸的學習體驗。實驗結果表明：虛擬仿真技術在提升學生學習效果方面發(fā)揮了積極作用。

關鍵詞：虛擬仿真技術；現(xiàn)代；教育；技術；學習體驗

中圖分類號：G431 "文獻標志碼：A

0 引言

現(xiàn)代教育技術以信息技術為核心，致力于提高教育教學的效率和質(zhì)量。然而，隨著信息技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)代教育技術也在面臨著前所未有的變革和挑戰(zhàn)。一方面，信息技術的廣泛應用使得教育資源更加豐富多樣，教育形式更加靈活多變；另一方面，信息技術的快速發(fā)展也對教師的專業(yè)素養(yǎng)和教學能力提出了更高的要求［1］。

在這種背景下，虛擬仿真技術作為一種新興的信息技術，展現(xiàn)了顯著的優(yōu)勢，為現(xiàn)代教育技術帶來了新的發(fā)展機遇［2］。虛擬仿真技術，又稱虛擬現(xiàn)實技術，是一種能夠創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機技術［3］，通過模擬真實世界的物理、化學、生物等過程，為用戶提供一個沉浸式的、交互式的虛擬環(huán)境。這種技術具有高度的真實感、沉浸感和交互性，使用戶能夠在虛擬環(huán)境中進行各種操作和實踐。

本文旨在探討虛擬仿真技術在現(xiàn)代教育技術中的運用，以期為教育實踐提供新的思路和方法。

1 虛擬仿真教育交互場景設計

在設計虛擬仿真教育交互場景時，首先，研究人員應明確教學目標、內(nèi)容與創(chuàng)建教學場景的目的。這一過程包括聚焦于學生通過場景應掌握的知識、技能及情感態(tài)度，傳達核心信息或體驗［4］。在這一階段，本文梳理了教學內(nèi)容并確定哪些知識點須通過虛擬仿真強化。其次，本文分析了學生需求與興趣，確保所設計的場景能夠引起學生的興趣，激發(fā)學生的學習動力［5］。只有真正了解學生，研究人員才能設計出符合其需求的教學場景，從而更有利于提升學生的學習能力。

為此，本文按照如下步驟完成對虛擬仿真教育交互場景的設計。

步驟1：確定交互形式。本研究根據(jù)教學內(nèi)容和目標，確定合適的交互形式，如拖拽、點擊等，確保交互形式符合學生的學習習慣和能力。

步驟2：場景分區(qū)設計。在確定交互形式后，本研究設計了包括基礎知識、實踐操作、案例分析和互動討論等在內(nèi)的場景區(qū)域，確保每個區(qū)域都應明確其教學目的和內(nèi)容。

步驟3：界面元素設計。在設計虛擬仿真教育交互場景時，應確保界面元素易于導航，如設計清晰的地圖、直觀的菜單欄等，同時提供額外信息和資源，以滿足學生的不同學習需求。

步驟4：調(diào)整場景分區(qū)。場景分區(qū)應根據(jù)具體教學內(nèi)容和目標來調(diào)整，考慮學生年齡、興趣和學習習慣以及教學目標和評估要求，創(chuàng)造豐富、有趣且富有挑戰(zhàn)性的虛擬仿真場景。若內(nèi)容復雜，則可設計多層級結構，確保學生能在不同層級間的自由切換。

步驟5：設計啟動畫面和主界面。設計吸引性較強的啟動畫面，展示學校標志、課程名稱和場景簡介。隨后，學生點擊進入主界面。主界面中包含地圖和功能選項，簡潔明了地展示主要功能區(qū)域和導航元素。

通過以上步驟，本文系統(tǒng)地完成了教學場景的分區(qū)設計，確保虛擬仿真教育交互場景能夠有效地支持教學目標和學生的學習需求。虛擬仿真教育交互場景示例如圖1所示。

2 創(chuàng)建虛擬物體與角色

在設計虛擬仿真教育交互場景后，本文著手在交互場景中創(chuàng)建虛擬物體與角色。

首先，本文借助專業(yè)的Illustrator繪圖軟件，繪制角色的詳細外貌并賦予角色獨特的性格特征。這一過程不僅增強了角色的個性化，還在后續(xù)的動畫和交互中為角色增添了生動性。在此基礎上，根據(jù)教學內(nèi)容，本研究為不同角色設定背景故事，旨在加深角色的層次感和豐富性。

其次，本文針對虛擬仿真教育交互場景中的物體展開設計，包括結構、外觀與交互設計。物體的內(nèi)部結構根據(jù)其功能和使用場景進行量身打造，以確保物體在虛擬環(huán)境中的穩(wěn)定性和功能性。同時，本研究使用繪圖軟件繪制物體的詳細外觀，包括形狀、顏色、紋理等細節(jié)元素。

再次，在物體的交互設計方面，本文充分考慮用戶的使用習慣，設定了通過點擊、拖動等方式與物體進行互動的功能，使用Blender三維建模軟件，建立角色和物體的基本模型。通過繪制或?qū)胭N圖，本研究為模型賦予了逼真的材質(zhì)和貼圖，使其看起來更加真實和生動。同時，根據(jù)實際的教育需求，適度減少模型的頂點數(shù)量，確保其在虛擬環(huán)境中的穩(wěn)定性和性能。

最后，為了增強場景的動態(tài)效果，本文利用關鍵幀動畫技術，為角色和物體添加動畫效果，包括行走、奔跑、跳躍等基本動作以及特定的表情和動作，使場景更加生動、有趣。

在完成所有制作后，本文將創(chuàng)建的角色和物體導出為適合在虛擬仿真教育交互場景中使用的格式并發(fā)布到相應的平臺中。

3 虛擬仿真教育實施

虛擬仿真教育的實施旨在利用虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術，為特定學員群體（如科學、醫(yī)學或工程學生）提供更為真實、沉浸的學習體驗。在正式實施前，研發(fā)人員應明確教學目標和期望達到的教學效果，如加深對抽象概念的理解、提高實踐技能等。

首先，研究組組織了VR設備操作培訓，確保學員能夠熟練使用VR設備。其次，本文通過設計的虛擬仿真教育交互場景，引導學員明確學習目標，激發(fā)興趣。在設計交互任務時，研究人員應緊密圍繞教學目標，設定具體、可衡量的目標并將其置于真實或模擬情境中?？紤]到學員間的能力差異，任務難度應根據(jù)學員能力調(diào)整并按邏輯順序組織任務內(nèi)容。再次，研究人員還應提供必要的引導和提示，幫助學員更好地完成任務。在教學過程中，教師可通過VR軟件監(jiān)控學員進度并給予及時的指導和反饋。最后，研究人員設計結束狀態(tài)，如完成任務的慶祝動畫或總結，以進一步增強學員的學習體驗。

通過這一系統(tǒng)化的實施流程，VR技術得以充分發(fā)揮其潛力，可以有效促進虛擬仿真教育的實施，為學員提供更加豐富、真實的學習體驗。

4 實驗與結果分析

本次實驗對象為某市實驗中學高一年級生物班級高一（X）班，共50名學生（男女各半），年齡為15～16歲，生物學科基礎各異。實驗環(huán)境配置包括Windows 10 Pro 64位操作系統(tǒng)、Intel Core i7-10700K處理器、NVIDIA GeForce RTX 3060 Ti顯卡、Oculus Rift S配備相應的控制器和追蹤系統(tǒng)、512 GB NVMe SSD硬盤（用于操作系統(tǒng)和虛擬仿真軟件）、16 GB DDR4 RAM的內(nèi)存，溫度控制在20～25℃，相對濕度保持在50%～60%，確保設備和軟件的穩(wěn)定運行。

實驗前，教師評估了學生的生物基礎、興趣和習慣，發(fā)現(xiàn)學生對生物抽象概念理解困難，故引入虛擬仿真技術輔助教學。學生被分為10個小組，每組5人，包括不同基礎的學生。實驗旨在通過虛擬仿真幫助學生理解細胞結構和功能等抽象概念，提高學習興趣和參與度。

追蹤數(shù)據(jù)顯示，班級平均登錄次數(shù)為11次，平均實驗時長為16.25 h，平均嘗試次數(shù)為137.5次。這些數(shù)據(jù)有助于教師了解學生在虛擬仿真平臺上的活動情況，評估教學效果。通過前后測試對比，本文量化分析了虛擬仿真技術在教育中的應用效果，包括最高分、最低分、平均分與成績標準差。其中平均分與標準差的計算公式分別如下：

x=1n∑ni=1xi（1）

s=1n-1∑ni=1xi-x2（2）

其中，n為學生數(shù)量，xi為第i位學生的成績，x為所有成績的平均值，s為成績標準差。通過計算，可得該班級學生成績統(tǒng)計結果：最高分為95分；最低分為65分；平均分為82.3分；標準差為7.1。說明大部分學生能夠較好地掌握生物學科的基本知識和技能，虛擬仿真技術的運用效果優(yōu)勢顯著。成績分布情況如圖2所示。

由圖2可知，學生之間的成績存在一定差異，但整體分布較為均衡。有30%的學生取得了90分及以上的高分，顯示出他們對生物學科的深入理解和扎實掌握。從成績分布情況來看，大部分學生能夠較好地理解和應用所學知識，這說明虛擬仿真技術在提升學生學習效果方面發(fā)揮了積極作用。

5 結語

綜上所述，本文提出的將虛擬仿真技術應用于現(xiàn)代教育技術中的研究具有重要意義。首先，虛擬仿真 "技術能夠打破時間和空間的限制，讓學生在任何時間、任何地點都能進行實踐學習。其次，虛擬仿真技術能夠模擬復雜的實驗環(huán)境和過程，讓學生在安全、無風險的環(huán)境中進行實踐操作。最后，虛擬仿真技術能夠為學生提供一個沉浸式的、交互式的虛擬環(huán)境以及豐富的學習資源，激發(fā)學生的學習興趣和主動性，讓學生在實踐中學習和掌握知識，提高學生的學習效果和實踐能力。

參考文獻

［1］李曉菲.基于虛擬仿真技術的智能檢測與自動化裝置實踐教學改革研究［J］.濮陽職業(yè)技術學院學報，2024（2）：52-55.

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［3］王磊.虛擬仿真技術在電工電子技術教學中的應用［J］.集成電路應用，2023（6）：126-127.

［4］楊成，樊文彬，馬翔，等.基于PBL的虛擬仿真技術在中醫(yī)學實訓教學的應用［J］.中國中醫(yī)藥現(xiàn)代遠程教育，2023（7）：18-20.

［5］許侃雯，李洋，吳群彪，等.基于虛擬仿真技術的機器人專業(yè)教學方法探索［J］.裝備制造技術，2022（12）：186-188.

（編輯 王雪芬編輯）

Application of virtual simulation technology in modern educational technology

LIU" Haisong

（Experimental Training Center，Nanjing Xiaozhuang University， Nanjing 211171，China）

Abstract： To improve the quality level of modern education，this study introduces virtual simulation technology into modern educational technology. This study firstly clarifies the teaching content and objectives， and completes the zoning design of teaching scenarios from the aspects of basic knowledge， practical operations， case analysis， and interactive discussions. Then， this study creates virtual objects and characters within the teaching scene，and exports them in a format suitable for using in virtual simulation educational interaction scenes， making the teaching scene more vivid and stimulating students’ interests. Finally， this study uses virtual reality technology to implement virtual simulation education， providing students with a more realistic and immersive learning experience. The experiment results show that the virtual simulation technology plays a positive role in improving the learning effectiveness of students.

Key words： virtual simulation technology; modern; education; technology; learning experience