虛擬仿真技術(shù)在高校教學(xué)中的應(yīng)用分析

摘"要：虛擬仿真教學(xué)已成為高校轉(zhuǎn)變教育教學(xué)方式、提高教育教學(xué)水平和提升人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要途徑之一。首先對虛擬仿真技術(shù)及其特點進(jìn)行闡述，列舉虛擬仿真教學(xué)的技術(shù)手段；其次對虛擬仿真技術(shù)在高校教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行論述，重點討論虛擬仿真技術(shù)在軍事裝備教學(xué)中的應(yīng)用；最后分析總結(jié)虛擬仿真技術(shù)在高校教學(xué)中應(yīng)用的優(yōu)勢與不足，并提出具體建議。關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)；高校教學(xué)；虛擬仿真教學(xué)0"引言信息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提升了高校教學(xué)質(zhì)量，在一系列教學(xué)手段、方法的改革實踐過程中，越來越多的高校認(rèn)識到了虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用價值，從而加大力度開展虛擬仿真教學(xué)[1]。教育部早在2013年便提出要面向普通本科和軍隊本科院校開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)，這充分體現(xiàn)了虛擬仿真教學(xué)在高校教學(xué)體系中的重要地位[2]。本文首先闡述虛擬仿真技術(shù)及其特點，列舉虛擬仿真教學(xué)所依賴的技術(shù)手段；其次對虛擬仿真技術(shù)在高校教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與趨勢進(jìn)行論述，重點討論虛擬仿真技術(shù)在軍事裝備教學(xué)中的應(yīng)用；最后分析總結(jié)虛擬仿真技術(shù)在高校教學(xué)中應(yīng)用的優(yōu)勢與不足，并提出了具體的方法建議，可為今后高校虛擬仿真教學(xué)的建設(shè)和應(yīng)用提供參考。1"虛擬仿真技術(shù)及其特點虛擬仿真技術(shù)是綜合多種信息技術(shù)來構(gòu)建和展現(xiàn)虛擬世界的一種綜合性復(fù)雜技術(shù)[3]，其中包括計算機(jī)仿真、互聯(lián)網(wǎng)、三維可視化、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、多媒體和移動通信等技術(shù)[3-4]。它可以構(gòu)建人、機(jī)、環(huán)境三位一體分布式多維信息交互的高度仿真模型對象和仿真虛擬環(huán)境；能夠?qū)ν獠肯逻_(dá)的指令作出及時反饋，對復(fù)雜對象的改變進(jìn)行推演，對虛擬對象的內(nèi)在本質(zhì)進(jìn)行表達(dá)，將抽象概念形象化，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于教育、文化、醫(yī)療和娛樂等行業(yè)領(lǐng)域[4-5]。虛擬仿真技術(shù)的主要特點體現(xiàn)在沉浸性、交互性、構(gòu)想性、可伸縮性和智能化等五個方面[3]。2"虛擬仿真教學(xué)技術(shù)手段提到虛擬仿真教學(xué)，現(xiàn)階段更多是指基于計算機(jī)系統(tǒng)融合仿真技術(shù)來賦能教學(xué)，其離不開虛擬現(xiàn)實（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）、混合現(xiàn)實（MR）、數(shù)字孿生、元宇宙等技術(shù)手段的支持[6]。目前，虛擬仿真教學(xué)比較依賴的主流技術(shù)有虛擬現(xiàn)實、增強(qiáng)現(xiàn)實和混合現(xiàn)實三種，而其他幾種技術(shù)多用于工業(yè)制造、工程建設(shè)等領(lǐng)域，存在成本高昂或還處于研發(fā)階段等局限性，并不適合大規(guī)模投入教學(xué)使用。因此，要將虛擬仿真技術(shù)與教學(xué)進(jìn)行深度融合，需探究虛擬現(xiàn)實、增強(qiáng)現(xiàn)實和混合現(xiàn)實這三種技術(shù)的定義及其區(qū)別。2.1"虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實是以計算機(jī)仿真技術(shù)為核心，融合相關(guān)科學(xué)技術(shù)，將一定范圍內(nèi)的物理環(huán)境構(gòu)建成與之高度相似的數(shù)字化環(huán)境[6-7]。即多元化信息融合的虛實交互式三維動態(tài)系統(tǒng)仿真，能夠通過計算機(jī)形成高度逼真的虛擬世界，具有沉浸性、交互性和構(gòu)想性三大特性[3]，主要是針對虛擬對象的外在表現(xiàn)進(jìn)行表達(dá)，重點關(guān)注讓使用者在視覺、觸覺、聽覺和嗅覺等多感官和表情、肢體的控制方面，感受到接近被模仿環(huán)境的效果。2.2"增強(qiáng)現(xiàn)實相對虛擬現(xiàn)實的純虛擬環(huán)境而言，增強(qiáng)現(xiàn)實則是在可見物理環(huán)境基礎(chǔ)上進(jìn)行局部虛擬化，通過將相關(guān)虛擬信息疊加在以現(xiàn)實場景可見物為基準(zhǔn)的某一局部位置實現(xiàn)實時交互虛擬信息，達(dá)到視覺增強(qiáng)的特殊效果[6-7]。其具有人機(jī)實時交互、虛擬現(xiàn)實結(jié)合和三維跟蹤注冊三大特征，主要應(yīng)用的終端產(chǎn)品形態(tài)集中在智能眼鏡、頭戴設(shè)備等方面[3]。2.3"混合現(xiàn)實混合現(xiàn)實是虛擬現(xiàn)實與增強(qiáng)現(xiàn)實融合產(chǎn)物的最終形態(tài)[6-8]。通過將現(xiàn)實場景信息引入虛擬環(huán)境中，形成數(shù)字化對象與物理對象交互共存的全新可視化環(huán)境，同時在虛擬、現(xiàn)實和使用者三者之間搭建信息交互反饋回路，以增強(qiáng)使用者的真實感。相對于增強(qiáng)現(xiàn)實，其核心能力是可以實現(xiàn)對可視化虛擬對象進(jìn)行操控，因其對虛擬對象的物理特性建模要求較高，技術(shù)復(fù)雜程度較高，故應(yīng)用范圍較受局限。3"虛擬仿真技術(shù)在高校教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀從發(fā)展歷程看，我國虛擬仿真教學(xué)總體上可分為三個階段[9]：2013—2016年，為虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)階段；2017—2019年，為虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)階段；2020年至今，為虛擬仿真教學(xué)平臺化發(fā)展階段。虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用場景包括賦能理論和實踐教學(xué)、實驗室教學(xué)、實習(xí)實訓(xùn)，輔助共享互動教育，助力開展虛擬教室、數(shù)字圖書館、數(shù)字校園和虛擬場館的建設(shè)等?？梢钥闯?，虛擬仿真技術(shù)正在深度融入教學(xué)全過程，并構(gòu)建出一種虛實結(jié)合的學(xué)習(xí)方式和教學(xué)模式。3.1"輔助理論教學(xué)，提升課堂教學(xué)質(zhì)量很多專業(yè)課程涉及抽象性概念、原理和結(jié)構(gòu)。如機(jī)械工程專業(yè)課程中的發(fā)動機(jī)工作原理和復(fù)雜結(jié)構(gòu)，大學(xué)基礎(chǔ)物理課程中所提到的相對論、量子效應(yīng)等概念。這些內(nèi)容單憑課堂講解、模型或平面圖的簡單示意，很難讓學(xué)生全面掌握和理解，而利用虛擬仿真技術(shù)輔助理論教學(xué)，可將工作原理、工作過程等用更直觀、立體、動態(tài)的方式呈現(xiàn)給學(xué)生，使抽象的理論知識具體化，這樣既可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也可為教學(xué)過程中涉及的抽象理論、復(fù)雜流程的教學(xué)提供技術(shù)支撐。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到課堂教學(xué)中，給學(xué)生構(gòu)建一個真實可感的實踐環(huán)境。學(xué)生既可以在理論教學(xué)的課堂上同步完成驗證性實踐活動，又可以實時反饋實踐活動評價結(jié)果，從而實現(xiàn)理論教學(xué)與驗證性實踐活動在課堂上的深度融合。引入虛擬仿真教學(xué)加強(qiáng)了理論教學(xué)與實踐教學(xué)相關(guān)知識的聯(lián)系，教學(xué)過程形象逼真，使學(xué)生能夠更加直觀地掌握抽象的理論知識要點，從而提升自身專業(yè)技能，強(qiáng)化綜合能力。應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，進(jìn)一步提升實踐教學(xué)的真實感，構(gòu)建完善的實踐教學(xué)體系，全方位提升教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果[10]。3.2"解除限制，補(bǔ)齊短板，轉(zhuǎn)變實驗教學(xué)模式傳統(tǒng)實驗教學(xué)通常以固定實驗步驟方法、確定實驗結(jié)果的方式進(jìn)行。其優(yōu)點是實驗集中規(guī)范、管理嚴(yán)密便捷、評價標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一；缺點是實驗內(nèi)容固化，實驗過程機(jī)械，抑制了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性[11]。同時，與信息化教學(xué)相比，傳統(tǒng)實驗教學(xué)方式在部分實驗項目的實際教學(xué)過程中還存在高危險、高消耗、高成本和污染嚴(yán)重等問題，存在不具備、不可及、不可逆和不可開設(shè)等一系列難以克服的條件，項目受時間、地點、人物等條件的限制，導(dǎo)致實驗教學(xué)計劃不能安全有效地開展，嚴(yán)重制約了實驗教學(xué)的質(zhì)量[5]。因此，引入虛擬仿真技術(shù)創(chuàng)新實驗教學(xué)技術(shù)手段逐漸成為重塑實驗教學(xué)課程體系的重要突破口。虛擬實驗室是虛擬仿真技術(shù)最重要的教育應(yīng)用場景之一，為實驗教學(xué)提供了全新環(huán)境，既能克服傳統(tǒng)實驗教學(xué)的弊端，打破實驗內(nèi)容體系固化、受限于教材的現(xiàn)狀，彌補(bǔ)當(dāng)前實驗教學(xué)中的系列短板，又能形象逼真地構(gòu)建虛擬場景，多元化實驗內(nèi)容，再現(xiàn)實驗過程[12]。在充分發(fā)揮學(xué)生的積極性、主動性和創(chuàng)造性，促進(jìn)其能力提升全面發(fā)展的同時，優(yōu)化整合教育資源，拓展實驗教學(xué)的內(nèi)容深度和廣度，提高實驗教學(xué)質(zhì)量和水平。高校虛擬仿真實驗教學(xué)作為一種全新的教學(xué)形態(tài)，其發(fā)展過程經(jīng)歷了三大階段：2013—2016年，面向普通本科高校、軍隊本科高校，以國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心為主要載體；2017—2019年，虛擬仿真實驗教學(xué)項目成為基本單元；2019年底至今，虛擬仿真實驗教學(xué)項目基本單元向虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程轉(zhuǎn)變。虛擬仿真實驗教學(xué)已經(jīng)展現(xiàn)出實驗內(nèi)容多元化、實驗過程自主化、質(zhì)量評價規(guī)范化、教學(xué)裝備智能化、教學(xué)應(yīng)用常態(tài)化等內(nèi)涵和特征[11-13]。推進(jìn)虛擬仿真實驗教學(xué)應(yīng)始終堅持問題導(dǎo)向和需求導(dǎo)向，面向“自主化、體系化、資源化、裝備化和標(biāo)準(zhǔn)化”的新理念方向發(fā)展[13-14]；加快構(gòu)建以學(xué)生為主體的自主學(xué)習(xí)空間，形成完善的虛擬仿真教學(xué)體系，拓展虛擬仿真實驗教學(xué)組織形式；研發(fā)多單位、多學(xué)科和多專業(yè)類別的虛擬仿真教學(xué)資源；配備多種智能教學(xué)終端，構(gòu)建開放式虛擬仿真教學(xué)平臺；滿足相關(guān)教育行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。3.3"虛實一體，智慧教學(xué)，提升實習(xí)實訓(xùn)效果實習(xí)實訓(xùn)是高校開展工程實踐教學(xué)的一門必修課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，提升其專業(yè)技能。將新一代信息技術(shù)和實習(xí)實訓(xùn)深度融合，構(gòu)建虛實一體的新型實習(xí)實訓(xùn)模擬系統(tǒng)，用3D虛擬建模的手段設(shè)計實訓(xùn)工具、器材，可以節(jié)約設(shè)備的更新維護(hù)、場地的鋪設(shè)管理成本。通過構(gòu)建不同配置的虛擬實訓(xùn)環(huán)境，設(shè)置不同的虛擬參數(shù)，可以降低任務(wù)安全風(fēng)險，克服教學(xué)過程中看不到、進(jìn)不去的弊端，打破傳統(tǒng)實習(xí)實訓(xùn)的固化機(jī)制，讓學(xué)生能夠反復(fù)多次進(jìn)行實踐技能訓(xùn)練，進(jìn)一步強(qiáng)化實操能力，加深對理論的理解，激發(fā)培訓(xùn)熱情，最大程度發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性思維，提升實習(xí)實訓(xùn)效率[15-16]。同時，利用虛擬仿真技術(shù)可再現(xiàn)企業(yè)制造空間，針對學(xué)生在企業(yè)實習(xí)環(huán)節(jié)中面臨的時間、空間、技術(shù)和安全等限制條件進(jìn)行改善和強(qiáng)化，高效推動實習(xí)實訓(xùn)工作的開展。在新工科建設(shè)背景下，為培養(yǎng)高素質(zhì)、高水平技術(shù)人才，對接企業(yè)目標(biāo)需求，高校可以將虛擬仿真教學(xué)軟件、教學(xué)平臺同現(xiàn)實生產(chǎn)相結(jié)合，構(gòu)建校企合作的虛擬仿真實習(xí)實訓(xùn)教學(xué)模式，實施一種全新的智慧教學(xué)方案[17]。同時，在校內(nèi)理論和實踐教學(xué)的基礎(chǔ)上，配置企業(yè)專業(yè)技術(shù)導(dǎo)師，共同引導(dǎo)學(xué)生完成實習(xí)實訓(xùn)任務(wù)，使學(xué)生在參與虛擬仿真實習(xí)實訓(xùn)過程中達(dá)成掌握知識、提升職業(yè)技能的目標(biāo)。3.4"虛擬互動，遠(yuǎn)程共享，減少教育資源浪費當(dāng)前，部分高校擁有高質(zhì)量的特色專業(yè)教學(xué)資源，絕大部分教學(xué)資源的應(yīng)用范圍僅限于本校、本學(xué)科和本專業(yè)，很少與其他院校、專業(yè)和社會機(jī)構(gòu)互動共享[13]。隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展，異地多人協(xié)同的虛擬仿真互動共享教學(xué)成為減少教育資源浪費的有力措施之一。通過各單位之間相互研討、交流和借鑒，建設(shè)適于本校專業(yè)教學(xué)目標(biāo)的線上線下混合的特色教學(xué)資源，統(tǒng)一管理；整合校內(nèi)外、相關(guān)企事業(yè)單位的虛擬仿真資源，開放虛擬仿真綜合教學(xué)平臺，共享基于軟件、儀器和遠(yuǎn)程控制的虛擬仿真教學(xué)資源，實現(xiàn)校內(nèi)外教學(xué)資源互通，最終滿足跨地區(qū)、跨領(lǐng)域、跨高校和跨專業(yè)的高質(zhì)量教學(xué)資源互動、共享需求[18]。教育實踐表明，基于虛擬仿真技術(shù)的混合式教學(xué)和學(xué)習(xí)模式可為綜合協(xié)作、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃挑戰(zhàn)、學(xué)科競賽和科創(chuàng)興趣團(tuán)隊等實踐活動內(nèi)容的設(shè)計和實現(xiàn)創(chuàng)造優(yōu)勢條件。通過打破傳統(tǒng)的專業(yè)思維局限，構(gòu)建跨專業(yè)交流的在線學(xué)習(xí)環(huán)境、平臺和工具，不同專業(yè)之間形成優(yōu)勢師資互補(bǔ)，使教學(xué)資源向高質(zhì)量、多樣化方向發(fā)展，幫助學(xué)生提升專業(yè)水平，強(qiáng)化解決專業(yè)問題的能力。3.5"虛擬仿真聯(lián)教聯(lián)訓(xùn)助力軍事裝備教學(xué)當(dāng)前，軍事院校裝備教學(xué)經(jīng)常面臨實際裝備資源不足、裝備迭代更新快、裝備過度損耗、裝備拆卸困難等問題，加之操作訓(xùn)練人員多、重復(fù)性強(qiáng)、過程復(fù)雜，導(dǎo)致裝備教學(xué)安全風(fēng)險加大，學(xué)員崗位培訓(xùn)實踐范圍受限[19-21]。采用虛擬仿真技術(shù)手段的虛實結(jié)合教學(xué)可以有效克服上述問題，是提高裝備教學(xué)效果，提升軍事人才培養(yǎng)質(zhì)量的高效途徑，也是服務(wù)于崗位任職培訓(xùn)的重要舉措。例如：通過構(gòu)建虛擬仿真裝備機(jī)電教學(xué)系統(tǒng)，可有效解決實際裝備不足、迭代更新?lián)p耗快的問題；虛擬仿真裝備實驗教學(xué)平臺可融合多學(xué)科交叉優(yōu)勢，整合優(yōu)勢資源，實現(xiàn)裝備靜態(tài)建模、虛擬拆卸裝配和仿真模擬等功能；學(xué)員可重復(fù)操作、反復(fù)實驗練習(xí)，進(jìn)一步擴(kuò)大實踐范圍、降低安全風(fēng)險，保障了人員與裝備安全[19]。虛擬仿真技術(shù)在軍事裝備教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍包括：軍事裝備理論教學(xué)、軍事裝備操作教學(xué)、軍事裝備維修教學(xué)、軍事裝備研制開發(fā)等。通過打破時間、地域限制，營造裝備虛擬戰(zhàn)時場景氛圍，縮短與部隊之間的裝備環(huán)境差異，擺脫傳統(tǒng)灌輸式教學(xué)模式，充分發(fā)揮學(xué)員的主觀能動性，實現(xiàn)真正的參與式教學(xué)[21]，使裝備理論教學(xué)內(nèi)容生動形象化、裝備維修戰(zhàn)時場景虛擬現(xiàn)實化、裝備操作能力培養(yǎng)具體任務(wù)化、裝備研制開發(fā)設(shè)計過程系統(tǒng)化。遠(yuǎn)程虛擬仿真聯(lián)教聯(lián)訓(xùn)教學(xué)機(jī)制是深入推進(jìn)軍事裝備教學(xué)的重要發(fā)展方向。通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接，構(gòu)建院校與部隊的遠(yuǎn)程共享平臺，可實現(xiàn)教學(xué)資源的同步共享，根據(jù)實戰(zhàn)環(huán)境進(jìn)行虛擬場景的轉(zhuǎn)換開發(fā)，充分對接需求供給雙方[20]。院校要積極探索遠(yuǎn)程虛擬仿真教學(xué)手段，加快構(gòu)建、改善虛擬仿真教學(xué)環(huán)境，建立完善的虛擬課程標(biāo)準(zhǔn)管理體系，實現(xiàn)各裝備教學(xué)單元、要素和系統(tǒng)的互聯(lián)互通，精確掌控裝備教學(xué)的全過程，實時記錄和備份教學(xué)資源數(shù)據(jù)，為切實縮小院校與部隊之間的差距，為部隊培養(yǎng)輸送裝備技術(shù)人才，有效提升部隊?wèi)?zhàn)斗力提供保障支持。4"虛擬仿真教學(xué)的優(yōu)勢與不足4.1"虛擬仿真教學(xué)的優(yōu)勢關(guān)于虛擬仿真教學(xué)的優(yōu)勢可以從三個方面進(jìn)行分析。1）學(xué)生方面。虛擬仿真教學(xué)以學(xué)生為中心，通過人機(jī)交互的虛擬場景調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，提高其學(xué)習(xí)積極性，使其達(dá)到深度學(xué)習(xí)效果，提高學(xué)習(xí)效率。在促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力養(yǎng)成的同時，使其避免實踐操作中的潛在危險，增強(qiáng)教學(xué)安全性。2）教師方面。打破傳統(tǒng)教學(xué)受到時間、地域限制的局限性，通過虛擬仿真師生交互的形式對教學(xué)內(nèi)容講解進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)充，幫助教師跳出各種煩瑣性、低階性、過程性和操作性的指導(dǎo)環(huán)節(jié)，全身心投入教授學(xué)生知識內(nèi)容、創(chuàng)新方法、思維能力等高階性指導(dǎo)中去。3）學(xué)校方面。引入虛擬仿真教學(xué)能夠營造一個更加生動直觀、實踐性強(qiáng)的學(xué)習(xí)與教學(xué)環(huán)境；節(jié)省教育成本，改變由于經(jīng)費條件限制導(dǎo)致的現(xiàn)有教學(xué)條件和設(shè)施落后的問題；豐富教學(xué)內(nèi)容，解決部分教學(xué)內(nèi)容教學(xué)效果差或不能實現(xiàn)的問題；優(yōu)化資源配置，彌補(bǔ)遠(yuǎn)程教學(xué)條件的不足，最大程度實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的充分使用和開放共享；降低教學(xué)風(fēng)險，破解理論教學(xué)、實踐教學(xué)、實驗教學(xué)、實習(xí)實訓(xùn)等過程中的難題，對提高教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)數(shù)字化校園建設(shè)發(fā)展具有重要作用[22]。4.2"虛擬仿真教學(xué)的不足研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段虛擬仿真教學(xué)的不足主要體現(xiàn)在：1）配套硬件設(shè)備