高校教育結(jié)合虛擬仿真技術(shù)的探索與創(chuàng)新應(yīng)用

摘要：目的：高校教育的信息化程度與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平息息相關(guān)。文章以藝術(shù)學(xué)與生物學(xué)兩個(gè)代表性學(xué)科為例，探討虛擬仿真技術(shù)在高校教育中的創(chuàng)新潛力與應(yīng)用前景。方法：首先，對虛擬仿真技術(shù)的起源、類型、特征以及在我國的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行概述。然后，分別對藝術(shù)學(xué)、生物學(xué)與虛擬仿真技術(shù)融合的優(yōu)勢與不足進(jìn)行深入探討，并提出相應(yīng)的教學(xué)改革建議。結(jié)果：虛擬仿真技術(shù)作為一種新型教學(xué)輔助工具，在高校的應(yīng)用日益廣泛，逐漸融入藝術(shù)學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。特別是在藝術(shù)學(xué)與生物學(xué)領(lǐng)域，虛擬仿真技術(shù)不僅能提供生動、豐富的交互性學(xué)習(xí)體驗(yàn)，而且能突破傳統(tǒng)教學(xué)對材料和空間的限制，實(shí)現(xiàn)教學(xué)方式創(chuàng)新。但虛擬仿真技術(shù)仍面臨著操作真實(shí)感有待增強(qiáng)、個(gè)性化學(xué)習(xí)欠缺等挑戰(zhàn)。構(gòu)建資源共享平臺，培養(yǎng)高校教師隊(duì)伍，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力，促進(jìn)學(xué)科之間交叉協(xié)作與建立學(xué)生反饋機(jī)制，有助于藝術(shù)學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科與虛擬仿真技術(shù)深度融合，建設(shè)一個(gè)更加智能、全面的虛擬仿真教學(xué)平臺。結(jié)論：虛擬仿真技術(shù)為激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提升教師的教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)交叉學(xué)科人才提供了支持。教育科研人員、技術(shù)開發(fā)人員與政策制定者需要共同探索，更好地發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢，因材施教。

關(guān)鍵詞：高校教育；虛擬仿真技術(shù)；藝術(shù)學(xué)；生物學(xué)；創(chuàng)新

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-9436（2024）15-00-03

0 引言

在全球科技水平不斷提高的背景下，現(xiàn)代教育對新型信息技術(shù)有著迫切的需求。虛擬仿真技術(shù)作為其中的一個(gè)重要分支，已逐步滲透到高校教育的各個(gè)學(xué)科。該技術(shù)打破了傳統(tǒng)教學(xué)所受的材料和空間限制，以高度的仿真環(huán)境和豐富的互動體驗(yàn)，給學(xué)生帶來更直觀、生動的學(xué)習(xí)感受。將抽象的理論知識轉(zhuǎn)化為可視化、可操作的仿真內(nèi)容，便于學(xué)生在虛擬環(huán)境中親身實(shí)踐，更好地掌握知識。尤其是在藝術(shù)學(xué)和生物學(xué)教學(xué)中，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用潛力愈發(fā)凸顯。在藝術(shù)學(xué)科教學(xué)中，借助虛擬仿真技術(shù)構(gòu)造三維立體的藝術(shù)作品，能讓學(xué)生從不同的角度欣賞，甚至參與到創(chuàng)作過程中［1］；在生物學(xué)科教學(xué)中，學(xué)生可以模擬實(shí)驗(yàn)操作，觀察生物微觀結(jié)構(gòu)，從而深化認(rèn)知［2］。藝術(shù)學(xué)的實(shí)踐教學(xué)通常依賴實(shí)物材料，生物學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)則更強(qiáng)調(diào)動手能力和安全性，應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)開展教學(xué)，既可以保留傳統(tǒng)教育方式的優(yōu)勢，又能調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而有效提高教學(xué)質(zhì)量。本文以藝術(shù)學(xué)和生物學(xué)兩種不同類型的學(xué)科為例，分別闡述虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并提出具有針對性的優(yōu)化策略。

1 虛擬仿真技術(shù)發(fā)展概況

虛擬仿真技術(shù)是一種利用計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)建和模擬現(xiàn)實(shí)或虛構(gòu)環(huán)境，使用戶能夠進(jìn)行交互式體驗(yàn)的技術(shù)。其核心在于通過軟件和硬件的協(xié)同工作，構(gòu)建一個(gè)三維或多維的虛擬空間，便于觀察、操作甚至是情感體驗(yàn)，從而獲取知識、提高技能或開展科學(xué)研究。該技術(shù)源自20世紀(jì)60年代的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和人工智能領(lǐng)域，20世紀(jì)90年代才真正進(jìn)入大眾視野，并廣泛應(yīng)用于教育領(lǐng)域［3］。隨著圖形處理能力的發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的普及，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和混合現(xiàn)實(shí)（MR）等技術(shù)迅速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)開始走進(jìn)課堂，成為教育改革的前沿陣地。

虛擬仿真技術(shù)經(jīng)歷了從單一感官模擬到多感官沉浸式體驗(yàn)的轉(zhuǎn)變。早期的虛擬環(huán)境主要是視覺上的模擬，如簡單的圖形界面。隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件算法的創(chuàng)新，虛擬仿真技術(shù)逐漸突破了視覺的局限，融入聽覺、觸覺、嗅覺甚至味覺的模擬，為用戶帶來了更真實(shí)的沉浸感。此外，交互性是虛擬仿真技術(shù)的另一個(gè)重要特征，從初期的單向輸入發(fā)展到現(xiàn)在的雙向或多向交互，用戶可以通過手柄、手套、頭盔和眼球追蹤等多種設(shè)備參與，使學(xué)習(xí)過程更為生動，從而提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造力［4］。

近年來，我國各級教育部門積極推進(jìn)虛擬仿真教學(xué)，進(jìn)一步加速了其在高校教育中的應(yīng)用。自2017年啟動示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目以來，越來越多的高校參與其中。通過建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室和線上課程等形式，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到藝術(shù)學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)與管理學(xué)等多個(gè)學(xué)科教學(xué)中。該類項(xiàng)目的順利實(shí)施不僅豐富了教學(xué)資源，促進(jìn)了跨學(xué)科交流，提升了教學(xué)效率，還在一定程度上解決了實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴、實(shí)驗(yàn)材料不足和存在安全隱患等問題。

2 藝術(shù)學(xué)與生物學(xué)的虛擬仿真教學(xué)實(shí)踐

2.1 藝術(shù)學(xué)的虛擬仿真教學(xué)探索

對藝術(shù)學(xué)教學(xué)而言，理論與實(shí)踐的緊密結(jié)合至關(guān)重要，而傳統(tǒng)教學(xué)模式往往受限于實(shí)物材料和實(shí)地操作，導(dǎo)致理論知識與實(shí)踐技能脫節(jié)。饒正杉等人指出，虛擬仿真技術(shù)能夠彌補(bǔ)這一缺口，通過在數(shù)字化、可操控的環(huán)境中模擬藝術(shù)創(chuàng)作過程，使學(xué)生在虛擬空間進(jìn)行無實(shí)物或低成本的技能訓(xùn)練，從而有效整合理論與實(shí)踐［5］。國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺顯示，虛擬仿真技術(shù)已成功運(yùn)用到美術(shù)學(xué)、設(shè)計(jì)學(xué)、藝術(shù)學(xué)、音樂與舞蹈學(xué)、戲劇與影視學(xué)等學(xué)科，展現(xiàn)了其在藝術(shù)學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新潛力。例如，中國人民大學(xué)藝術(shù)學(xué)院的“視聽敘事虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目，利用虛擬仿真技術(shù)復(fù)原經(jīng)典影片的拍攝場景，使學(xué)生能夠在虛擬環(huán)境中親身體驗(yàn)電影制作的各個(gè)環(huán)節(jié)。河南大學(xué)的“黃泛區(qū)考古與文物保護(hù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目，將虛擬仿真技術(shù)用于文物保護(hù)工作，通過數(shù)字化手段記錄文物信息、模擬修復(fù)過程，為文化遺產(chǎn)保護(hù)提供了技術(shù)支持。武漢體育學(xué)院的“中國民俗舞蹈——朝鮮族‘農(nóng)樂舞’儀式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目，利用虛擬仿真技術(shù)幫助學(xué)生更直觀地了解朝鮮族“農(nóng)樂舞”的表演形式與演化歷程。

學(xué)生運(yùn)用數(shù)字工具進(jìn)行藝術(shù)創(chuàng)作，能夠擺脫實(shí)物限制，豐富創(chuàng)作手段。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，學(xué)生可以創(chuàng)作雕塑、繪畫等作品，并從不同的角度觀察與修改。通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，學(xué)生可以借助手機(jī)或頭戴式設(shè)備，將藝術(shù)作品融入日常生活中，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中感受虛擬藝術(shù)作品。這樣既能增強(qiáng)學(xué)生的藝術(shù)感受力，又能鍛煉他們對藝術(shù)作品的多維度解讀能力。另外，應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生能夠根據(jù)自己的節(jié)奏探索學(xué)習(xí)，自由嘗試不同的藝術(shù)創(chuàng)作方法，避免傳統(tǒng)教學(xué)模式下材料浪費(fèi)或安全隱患等問題。

虛擬仿真技術(shù)為藝術(shù)教育開辟了一條新的道路，對培養(yǎng)學(xué)生的藝術(shù)創(chuàng)新思維和動手能力大有裨益。然而，虛擬仿真技術(shù)在藝術(shù)學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用同樣面臨挑戰(zhàn)。首先要解決的問題是如何保證學(xué)生在高度沉浸于虛擬環(huán)境的同時(shí)，獲得與實(shí)物材料交互的真實(shí)感。高校教師也應(yīng)思考，如何設(shè)計(jì)出既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能引導(dǎo)學(xué)生對藝術(shù)學(xué)課程進(jìn)行深入探究的教學(xué)活動。

2.2 生物學(xué)的虛擬仿真教學(xué)創(chuàng)新

相較于傳統(tǒng)的教學(xué)方式，虛擬仿真教學(xué)對呈現(xiàn)生物學(xué)授課內(nèi)容、模擬實(shí)驗(yàn)操作以及提升學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)具有重要作用。韓利紅等指出，虛擬仿真技術(shù)在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，不僅革新了教學(xué)模式，還極大地提高了教學(xué)效率，對培養(yǎng)應(yīng)用型和創(chuàng)新型生物專業(yè)人才具有重要作用。在國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺上，虛擬仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生物科學(xué)、生物技術(shù)、生物工程和生態(tài)學(xué)等多個(gè)學(xué)科。例如，揚(yáng)州大學(xué)的“高致病性病原微生物檢測虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目，能使學(xué)生在保障自身安全的情況下，掌握高致病性病原微生物檢測的各個(gè)環(huán)節(jié)和生物安全操作規(guī)范。重慶大學(xué)的“蛋白酶表達(dá)純化及活性測定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)：以新冠病毒及細(xì)胞自噬蛋白酶為例”項(xiàng)目，通過四個(gè)模塊的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，幫助學(xué)生熟練操作蛋白的表達(dá)、蛋白純化、酶活性測定，并在線完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。董彬等人所開展的黃河三角洲鹽地堿蓬多糖提取與活性研究實(shí)驗(yàn)，取得了較好的教學(xué)效果［6］。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)為高校生物學(xué)教學(xué)帶來了全新的視角，使學(xué)生能夠在安全、低成本的環(huán)境中探索生物的奧秘。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，學(xué)生可以進(jìn)行細(xì)胞分裂觀察、虛擬生物解剖、生物進(jìn)化和生物發(fā)酵過程模擬等各種生物實(shí)驗(yàn)［7］；利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將虛擬的生物模型融入現(xiàn)實(shí)環(huán)境，如在公園內(nèi)觀察虛擬的昆蟲生態(tài)［8］，既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能加深其對生物的生態(tài)作用的認(rèn)識。另外，虛擬仿真技術(shù)具有交互性，學(xué)生能夠在模擬環(huán)境中實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)，基于不同角度、不同實(shí)驗(yàn)條件觀察生物結(jié)構(gòu)，從而加深對生物原理的理解。學(xué)生根據(jù)自己的進(jìn)度進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，教師可以同步追蹤學(xué)生的課堂表現(xiàn)，通過數(shù)據(jù)分析功能對其進(jìn)行個(gè)性化引導(dǎo)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)還支持學(xué)生之間的遠(yuǎn)程協(xié)作，共享實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，共同解決問題，對培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和批判性思維具有重要作用。

然而，虛擬仿真技術(shù)在生物學(xué)教學(xué)過程中的應(yīng)用仍存在多方面的不足。如何在虛擬環(huán)境下模擬操作的真實(shí)感，確保學(xué)生的動手能力得到充分鍛煉，是需要重點(diǎn)關(guān)注的課題。此外，需要慎重考慮的問題還有如何平衡虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)際操作之間的關(guān)系，如何將實(shí)驗(yàn)倫理教育融入虛擬實(shí)驗(yàn)之中。教育者和研究者應(yīng)繼續(xù)探索如何在虛擬與現(xiàn)實(shí)之間找到最佳的平衡點(diǎn)，確保該技術(shù)能夠充分挖掘?qū)W生的潛能。

3 虛擬仿真技術(shù)與高校教育深度融合的策略

高校教育的智能化水平離不開科學(xué)技術(shù)的支持。虛擬仿真技術(shù)在高校教育領(lǐng)域的應(yīng)用正以前所未有的速度發(fā)展，為學(xué)生提供了一個(gè)直觀、安全且高效的學(xué)習(xí)平臺，逐步成為提升教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要工具。與此同時(shí)，該技術(shù)也面臨著開發(fā)成本高、真實(shí)性欠缺和學(xué)生適應(yīng)能力存在差異等問題，亟須進(jìn)一步完善。筆者結(jié)合自身的高校虛擬仿真教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，從以下五個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化，推動虛擬仿真技術(shù)與高校教育深度融合，充分發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢。

第一，加快構(gòu)建資源共享平臺。教育部門應(yīng)加大對虛擬仿真技術(shù)的投入力度，加快建設(shè)虛擬仿真教學(xué)平臺。同時(shí)，鼓勵高校之間共享優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，建立內(nèi)容更豐富的虛擬仿真教育資源庫，提高平臺利用度。

第二，加強(qiáng)高校教師隊(duì)伍培養(yǎng)。教師是推動虛擬仿真技術(shù)與高校教育融合的紐帶。高校需要定期組織教師參加虛擬仿真培訓(xùn)課程，使其熟練掌握虛擬仿真技術(shù)的操作方法和教學(xué)策略，提高教師的基本素質(zhì)。

第三，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)意項(xiàng)目等形式，將虛擬仿真技術(shù)與實(shí)踐活動緊密結(jié)合。同時(shí)，鼓勵高校與企業(yè)合作，提供實(shí)習(xí)機(jī)會，讓學(xué)生在實(shí)際操作中豐富經(jīng)驗(yàn)。

第四，促進(jìn)學(xué)科交叉協(xié)作。高校之間或?qū)W科之間應(yīng)打破傳統(tǒng)壁壘，以虛擬仿真技術(shù)為主題開展聯(lián)合攻關(guān)項(xiàng)目、課程設(shè)置和團(tuán)隊(duì)建設(shè)，加強(qiáng)不同學(xué)科的跨界合作，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新靈感。

第五，注重學(xué)生的反饋。建立健全學(xué)生反饋機(jī)制，及時(shí)了解學(xué)生在使用虛擬仿真技術(shù)過程中遇到的問題，不斷優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)平臺。

4 結(jié)語

本文探討了虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于高校教育中的優(yōu)勢與不足。一方面，該技術(shù)打破了傳統(tǒng)教學(xué)壁壘，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，并促進(jìn)了教學(xué)方式創(chuàng)新；另一方面，該技術(shù)面臨操作真實(shí)感有待增強(qiáng)、個(gè)性化學(xué)習(xí)欠缺等不足。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，虛擬仿真教學(xué)平臺的智能化水平逐漸提高，通過大數(shù)據(jù)分析和人工智能，能夠?yàn)閷W(xué)生提供更精準(zhǔn)的個(gè)性化學(xué)習(xí)方案。教育科研人員、技術(shù)開發(fā)人員、政策制定者應(yīng)協(xié)同努力，結(jié)合理論研究、技術(shù)創(chuàng)新和政策支持，促進(jìn)虛擬仿真技術(shù)在藝術(shù)學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科教育中深入應(yīng)用，推動其在高校教育改革中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 胡慶喆.虛擬仿真技術(shù)在藝術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究：以《藝術(shù)與科技》為例［J］.信息與電腦（理論版），2024，36（13）：191-193，197.

［2］ 韓利紅，劉潮，吳麗芳，等.虛擬仿真技術(shù)在高校生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.當(dāng)代畜牧，2019（13）：26-27.

［3］ 徐峰.基于虛擬仿真技術(shù)的新形態(tài)教材數(shù)字化應(yīng)用［J］.數(shù)字通信世界，2023（9）：101-103.

［4］ 蔣艷，張欣莉，周子凱，等.虛擬仿真學(xué)習(xí)對大學(xué)生創(chuàng)造力的影響機(jī)制研究［J］.高教學(xué)刊，2024，10（28）：5-9，15.

［5］ 饒正杉，孟霓霓.虛擬仿真技術(shù)在藝術(shù)設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用探究［J］.上海工藝美術(shù)，2020（4）：62-64.

［6］ 董彬，吳濤，姚志剛，等.基于虛擬仿真技術(shù)的生物工程類綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐［J］.生物工程學(xué)報(bào)，2022，38（4）：1671-1684.

［7］ 趙倩茹.以創(chuàng)新型人才培養(yǎng)為目標(biāo)的細(xì)胞生物學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)微生物，2024，54（4）：176-178.

［8］ 武承旭，于曉飛，楊茂發(fā)，等.“森林昆蟲學(xué)”課程教學(xué)改革探索［J］.教育教學(xué)論壇，2022（10）：59-62.