職業教育虛擬仿真資源建設現狀、挑戰及對策

彭梓涵 王運武

【摘 要】隨著當今時代對高素質、高技能的專業性人才需求不斷增長，國家在職業教育領域虛擬仿真資源建設方面也不斷提出新的高要求、高標準。基于職業能力培養虛擬仿真實訓中心建設現狀和職業教育虛擬仿真資源研究現狀，分析當前職業教育虛擬仿真資源建設面臨的四大挑戰，資源建設存在區域差異，阻礙專業人才均衡分布;仿真資源缺乏系統設計，難以遵循學生認知規律;資源的智能化程度較低，實時交互反饋有待加強;資源共建共享機制不足，資源利用率需逐步提高。最后提出了加強區域合作，以強帶弱促發展;符合科學設計，認知規律需遵循;提升智能水平，個性發展求創新;按照逐層設計，共建共享求均衡的四大對策。

【關鍵詞】職業教育;虛擬仿真資源;建設現狀;挑戰及對策

【中圖分類號】G710? ?【文獻標識碼】A? ?【文章編號】1001-8794（2019）01-0076-06

如何利用先進的信息技術推動職業教育的進一步發展是職業教育信息化中的一大難題。早在2008年，教育部頒發的文件中明確指出職業教育要“大力推動仿真、多媒體課件等數字化教學資源開發”，“重點解決常規的教學手段、技術、設施設備難以實現的實習實訓問題，重點滿足教學需求急迫且覆蓋面較大的模擬仿真實訓教學的需要”。[1]2012年，教育部在《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》中強調要充分發揮信息技術在職業教育各環節中的支撐作用，建設優質的職業教育數字化資源，并明確提出要達到完成1 500套虛擬仿真實訓實驗系統建設目標。[2]在最新頒布的《教育信息化2.0行動計劃》中再次強調，升級職業教育專業教學資源庫建設，豐富職業教育學習資源系統。[3]由此可見，國家對我國職業教育的資源建設提出了高要求、高標準。可以說職業教育資源的全面、優化、創新建設是職業教育尋求創新發展的重要突破口。從建設職業教育虛擬仿真資源，到職業教育的教學環節中的創新性應用，再到職業教育教學模式的改變。不斷發展成熟的虛擬仿真技術正在逐步地改變職業教育，虛擬仿真資源的創造性應用為職業教育的創新發展帶來了前所未有的機遇。

一、虛擬仿真資源特征與意義

查閱關于虛擬仿真資源的研究文獻，發現國內外學者對于虛擬仿真資源的概念界定較少且較為模糊。但研究者在開發技術上達成了共識，即認為虛擬仿真資源主要依靠虛擬現實技術和仿真技術進行開發的。其實在虛擬現實技術即VR技術還未發展相對成熟并且得到應用之前，仿真技術早在20世紀初就得已應用，當時的仿真資源就包含了仿真硬件、仿真模型、仿真數據和仿真軟件等。80年代初，隨著VR技術的不斷發展和應用，虛擬仿真資源開始更加注重人機交互的體驗，在原有的仿真模型、場景基礎之上，更加注重從多感官全方位調動用戶的感知能力，使用戶在虛擬的三維空間體驗真實空間的感受。因此，我們可以認為虛擬仿真區別于傳統仿真的關鍵點，就在于這種仿真是基于虛擬現實技術的仿真。2016年我國學者王娟等給出了虛擬仿真資源較為完整的定義，認為虛擬仿真資源是指借助仿真技術和虛擬現實技術開發的、蘊含大量信息、可以被利用的各種顯現的或潛隱的條件和要素，主要涉及基礎設施和設備、實驗材料（素材、案例、影視、動畫、圖片、課件、教具等）、實驗軟件、支持系統等，通常包括仿真模型、仿真數據、仿真軟件和仿真平臺。[4]

（一）虛擬仿真資源的特征

1.逼真性

環境逼真且環境對人所做的反應符合客觀世界的規律。首先是模擬的環境與現實世界中的環境非常相像，給人感覺非常逼真。其次是當人以自然的行為作用于虛擬環境時，環境做出的反應也符合客觀世界的規律。如當給虛擬物體施加一個力，該物體的運動就會符合力學定律，會沿著力的方向產生加速度。又如在虛擬場景中做化學實驗，實驗所產生的現象也符合化學反應的相應規律。

2.沉浸性

沉浸，理解為全神貫注于某種事物。虛擬仿真資源的首要特征就是沉浸性，即用戶全身心貫注于計算機圖形學、圖像處理與模式識別、多傳感器等多種技術模擬的多感官的三維虛擬世界中。這種沉浸感是深層次的，不僅僅局限于視覺感受的沉浸，還因其多重感官的刺激作用，如觸覺、力覺、嗅覺甚至運動感知和身體感知，實現用戶的心理沉浸。最終實現用戶突破第三者的觀察視角，而以主觀者的視角全身心地參與到虛擬環境的活動中。如虛擬維修培訓從視覺、聽覺、觸覺等各個渠道激活人的感官，從而“沉浸”于虛擬環境中，符合客觀的認知規律，它可以非常方便地解決航空器維修培訓中的理論與實踐問題，能瞬時反饋各種信息，并檢查培訓成績，對于同一項目可多次反復訓練。[5]

3.交互性

所謂的交互性是指當使用虛擬仿真資源時，不僅是虛擬的環境作用于人，人也可以對虛擬的環境進行控制，并且虛擬環境還能夠對人的操作予以實時的反應。如在汽車、數控、電子等制造工業中，利用虛擬仿真應用程序，通過參數控制模擬真實設備的機械性能，實時反饋實驗結果，檢驗各種指令的正確性，通過反復練習達到操作練習的目的。[6]

4.構想性

虛擬仿真資源所呈現的環境是由人利用計算機模擬出來的，在這個虛擬環境中可能呈現出現實世界過去或現在真實存在的場景，也可呈現出現實世界未來可能存在的場景，甚至是現實世界并不可能存在的場景。用戶沉浸在虛擬環境中，可通過與環境的感知、交互等行為，發揮自身的創造性。

（二）職業教育中虛擬仿真資源建設的意義

1.增強學習體驗，提升教學效果

體驗學習是教育者引導學生將自己的全部身心投入到與外部世界的交往之中，進而生成反思與實踐的學習方式。[7]在職業教育中，體驗式學習是最為關鍵的一種學習方式之一。虛擬仿真資源可為學習者構建一個較為真實的實訓教學的環境，學習者在這個環境中可以不斷地試錯，引起學習者不斷反思，想象如果在真實環境中遇到類似的問題應該如何處理，直到掌握該項技能。除了技能教學之外，職業領域的理論知識教學也尤為重要，結合虛擬仿真資源講解理論知識，以可視化的呈現方式對理論進行深層次的剖析，不但可以激發學習者的學習興趣，還對理論知識的深刻理解有極大的促進作用。

2.創造虛擬情境，強化技能訓練

任何一項技能都不只是在某種單一且特定的情境下通過強化而習得的，而是在復雜的且不斷變化的情境中通過不間斷地練習來掌握的。虛擬仿真資源可為職業教育中典型的實訓教學創設復雜的、多樣的教學情境，允許學習者在可能預見不同的情境中創造性應用所學技能，實現不斷強化技能的效果。例如，航天飛行學習者在獲得基本的駕駛技能之后開始實際的飛行體驗，但在這個過程中不可能遇見所有的天氣情況，這也局限了學習者技能的全面提升和熟練掌握。但虛擬仿真的飛行駕駛場景可營造幾乎所有可預見的不同可能情境，直觀且真實地呈現給學習者，允許學習者反復訓練。

3.突破時空限制，降低教學成本

在職業教育中，存在部分技能的實訓會受到時間與空間的限制，使得實訓難以開展。例如路橋專業的野外筑路實訓、采礦工程專業的基礎采礦實訓、建筑施工專業的工程實施實訓等，都對時間及空間提出了較高的要求，而虛擬仿真資源的有效提供可突破時間和空間的限制，滿足學習者技能訓練中對時間及場地的高要求。

此外，數控專業的零件加工實訓、焊接專業的焊接實訓等都需要耗費大量的實驗材料，虛擬仿真資源具備可重復利用的特點，大大減少了在實驗設備和實驗材料的耗資。又如，分子生物學虛擬仿真教學平臺只需要學生在電腦上按照軟件的操作提示就可獲得正確的實驗結果， 學生既能更好地理解實驗原理及操作步驟， 又能節約更多的時間反復操作加深理解， 能更系統地完成整個分子生物學實驗的學習。[8]目前，大多虛擬仿真訓練系統都融入了人工智能技術，可對學習者的操作進行跟蹤并給出及時反饋，一定程度上解決了職業教育實訓時師資不夠的問題。因此無論是在人力還是物力方面虛擬仿真資源的使用都大大降低了教學成本。

二、職業教育虛擬仿真資源建設現狀及挑戰

（一）職業虛擬教育仿真資源建設現狀

1.職業能力培養虛擬仿真實訓中心建設現狀

2015年教育部發布《高等職業教育創新發展行動計劃（2015—2018年）》提出要大力開展職業能力培養虛擬仿真實訓中心建設，從建設職業教育的資源建設方面主動適應數字化、網絡化、智能化制造需要。[9]經過兩年的不懈努力，究竟取得了什么樣的階段性成果呢？我們不妨來分析一下教育部發布的關于2016年和2017年《高等職業教育創新發展行動計劃（2015—2018年）》執行情況及有關工作完成情況的通報，在省級教育行政部門承接項目執行情況里有一項任務就是建成一批職業能力培養虛擬仿真實訓中心（50個左右）。[10—11]基于教育部所提供的高等職業教育創新發展行動計劃2016年及2017年份任務（項目）承接省份啟動情況一覽表中的數據，做出以下分析。

在2016年，共24省啟動了虛擬仿真實訓中心項目，一共啟動了595個虛擬仿真實訓中心項目的開展工作，2017年在2016年的基礎上有所增加，共啟動692個虛擬仿真實訓中心項目的開展工作。兩年內，在全國范圍的虛擬仿真實訓中心啟動項目實際布點數量共計1 287個。其中各地區、各省份的參與情況有所不同，反映出在虛擬仿真資源的建設方面存在著地區差異。

首先，從地區上的分布上來看，華東地區和華中地區在全國范圍內的職業能力培養虛擬仿真資源的建設中走在前面，虛擬仿真實訓中心啟動項目所占百分比分別為33.95%和23.31%。西南地區、華北地區、華南地區僅次于華東地區和華中地區，而西北地區和東北地區的虛擬仿真資源的建設則相對落后，尤其是東北地區，其2016及2017兩年內虛擬仿真實訓中心啟動項目所占百分比僅為0.39%。

其次，從各個省份和直轄市的分布情況來看，天津、云南、湖北、江蘇及福建在職業能力培養虛擬仿真實訓中心的資源的建設上最為積極，在職業教育虛擬仿真實訓中心啟動項目實際布點數量上存在明顯的優勢。山西、四川、重慶、河南、湖南、山東、上海、浙江、江西也在職業能力培養虛擬仿真實訓中心的資源的建設方面做出了努力，兩年時間內取得了一定的階段性成果。而其余省份和直轄市則相對而言則需要更多財力和物力的投入，加快職業教育虛擬仿真資源的建設。

2.職業教育虛擬仿真資源建設的研究成果現狀

以中國知網（CNKI）數據庫為數據源，在CNKI數據庫中選擇高級檢索類型，選擇“主題”檢索，以檢索條件為 “虛擬仿真&職業教育”，搜索時間不限，搜索相關文獻，獲得164篇相關文獻，經過手動篩選出了160篇，再以檢索條件為“虛擬仿真實訓&資源”“虛擬仿真實驗&職業”手動篩選出46篇與職業教育領域的虛擬仿真相關的文獻，最終總共獲得與職業教育中虛擬仿真資源建設相關的文獻206篇。

為考察職業教育虛擬仿真資源建設的研究成果，基于所選的文獻，形成了職業教育虛擬仿真資源建設相關的研究文獻的時間分布圖譜，如圖1所示。

總體來看，在職業教育領域關于虛擬仿真資源的研究文獻的總數量很少，反映出虛擬仿真資源的系統設計、模型構建以及實際教學或實訓中的應用方法、模式、策略等方面的理論成果很少。但整體呈上升趨勢，表明隨著仿真技術和虛擬現實技術的不斷發展，虛擬仿真資源的相關研究開始受到一定的重視，但是程度仍然還遠遠不夠。為開發更多不同職業技能培訓的虛擬仿真資源，進一步加強虛擬仿真資源的有效運用，職業教育領域內關于虛擬仿真資源的理論研究是不可缺少的重要部分。因此，在職業教育領域內，擴大對虛擬仿真資源建設的相關研究范圍，加強研究力度，形成更多的理論成果，將對虛擬仿真資源的建設起到促進作用。

（二）職業教育虛擬仿真資源建設面臨的挑戰

1.資源建設存在區域差異，阻礙專業人才均衡分布

職業教育可培養大批專門的專業技術人才，為我國各產業提供高素質、高技術的優秀技能性人才。我國在十九大報告中明確提出，提倡我國的產業鏈要更加均衡、充分的發展，也就意味著對人才的培養也要實現均衡培養，這種均衡不僅僅體現在專業人才的類型上，還應體現在區域的分布上。然而，目前在職業教育虛擬仿真實訓中心的建設上就存在著明顯的地區差異性，普遍來看，經濟發達區域和城市的虛擬仿真資源建設要明顯優于欠發達地區和城市。其中西北地區和東北地區在職業教育虛擬仿真資源建設方面存在著明顯的不足，這也將阻礙當地各大職業院校培養更加精通技術、具有創造性能力的新時代高端技術人才。從而導致發達地區更加發達，而落后地區仍然落后的現象，這也違背了中國特色社會主義所要求的共同富裕原則。因此，如何努力均衡資源的分布、縮小資源配置的區域差異性，是職業教育虛擬仿真資源建設所面臨的巨大挑戰之一。

2.仿真資源缺乏系統設計，難以遵循學生認知規律

認知心理學家認為：學習是學習者對事物進行認識、辨別、理解，從而獲得新知識的過程;學習者在學習情境中，運用已有的認知結構去認識、辨別，以至理解各個刺激之間的關系，增加自己的經驗，從而改變自己的認知結構;常見的認知規律包括循序漸進、由淺入深、由表及里等規律。[12]虛擬仿真資源為學習者提供了虛擬的技能操作情境，而學習者能否在這個虛擬的情境中主動去探索、運用、創造，主要還是取決于資源本身的系統設計。目前，大多虛擬仿真教育資源仍然停留在學生的視覺認知層面，即從視覺上注重場景的還原與呈現，追求逼真的三維視覺效果。而在學生更為深層次的理解與記憶的認知層次則關注較少。虛擬仿真資源包含了虛擬仿真平臺、虛擬仿真系統、虛擬仿真軟件等多方面的內容，每一類資源都不單單停留在實現虛擬情境的基礎上，而是要符合職業教育中技能習得的相關規律，循序漸進、由淺入深，從情景性、過程性和操作性多方面進行設計，讓虛擬仿真資源不僅可以成為學生提高實踐技能的幫手，同時也是培養學生創新意識和能力、內化理論知識的有效認知工具。

3.資源的智能化程度較低，實時交互反饋有待加強

虛擬仿真資源必將趨于更加智能化，符合職業教育教學理念的要求，同時也是人工智能技術不斷發展成熟的必然結果。目前，大多數虛擬仿真資源更加注重虛擬場景的搭建，而智能化程度卻有待提高。例如在機械設備拆裝培訓仿真軟件中，提供的功能只包含了機械演示、自動演示、手動組裝等演示和操作功能，而缺少對使用者行為的記錄、自動化的測評，因此在操作訓練完成之后，學習者并不能及時獲得學習效果反饋，也不清楚究竟哪部分內容需要加強訓練。雖然職業教育領域內虛擬仿真資源的建設是想通過虛擬手段解決現實無法實現之為，提高教學效率、降低教學成本，但是卻不能僅僅局限在“虛擬仿真”層面，而是要融入人工智能技術，達到虛擬仿真資源高度智能化的高要求層面。所以虛擬仿真資源的建設如何有效運用自然語言處理技術、機器學習技術、語音及圖像識別等人工智能主要技術，實現虛擬仿真系統的智能化考評、個性化指導、學情檢測等功能是職業教育虛擬仿真資源建設的又一大挑戰。

4.資源共建共享機制不足，資源利用率需逐步提高

優質的虛擬仿真資源應當是開放共享的，而不是封閉已有的。目前，用于提升專業技能的虛擬工廠、虛擬實訓室與實操演練平臺等虛擬仿真資源的使用情況存在著較大的差異性，部分職業院校資源較為充足，而部分職業院校卻只擁有較少的虛擬仿真資源或者幾乎沒有虛擬仿真類型的資源。在這些擁有較多資源的職業院校里，也存在虛擬仿真資源的利用率不高的現象。如何讓這些耗費了大量人力、物力和財力的優質虛擬仿真資源不閑置并且發揮其最大的效用，是非常重要的問題。因此，職業教育領域結合專業技能性人才培養的需求，建設一批優質的虛擬仿真資源之后，如何建立一種有效的共享機制，以擴大資源的覆蓋范圍和推動資源共享的可持續效應也是至關重要的。

三、職業教育虛擬仿真資源建設的對策

（一）加強區域合作，以強帶弱促發展

首先，國家做好職業教育資源建設的頂層設計是推動職業教育領域虛擬仿真資源建設的前提，在結合我國職業教育資源建設的特征與需求的基礎之上，融入國際視野，與國際上職業教育資源建設接軌，引進國際職業教育資源建設的技術標準、評價標準等。各地區、各省、各職業院校再結合自身的條件及需求，積極響應國家的政策，建設一批高質量的國家級、省級虛擬仿真實訓資源庫，積極申請與職業教育虛擬仿真資源建設相關課題，開展實踐與研究。最終形成國家、省、職業院校三級結構的、組織有序的職業教育虛擬仿真資源建設組織結構。

其次，加強區域合作是均衡、協調各地區職業教育虛擬仿真資源建設的有效途徑。一方面，要加強跨地區之間的交流與合作，例如，在職業教育虛擬仿真資源的建設的整體規劃、策略制定、校企合作等經驗上，各個不同地區可定期進行交流，借鑒成功經驗，加快虛擬仿真資源的建設。另一方面，不同地區的職業院校可定期開展虛擬仿真資源遠程共享、學術交流等活動。通過以強帶弱的方式，支持和指導在虛擬仿真資源建設方面較為落后的地區和職業院校。這種方式不僅可以促進職業教育領域內虛擬仿真資源建設的均衡分布，同時也對職業教育所培養的高技術性人才的均衡分布起到一定的促進作用。

（二）符合科學設計，認知規律需遵循

虛擬仿真教育資源在還原和虛擬三維場景的基礎之上，還應遵循學習者的認知規律。認知科學主張，要了解人的認知過程、記憶知覺、思維等認知形象是怎樣相互交織在一起的，再把人的認知過程整體、綜合地加以分析。[13]虛擬仿真設計的認知因素更多地表現在產品開發過程中的認知方面，即人們對所感知的信息進行認識、理解、鑒別、判斷、分析、推理等的心理與思維過程。[14]因此，虛擬仿真資源所蘊含的知識體系一定是經過系統設計的，而不是雜亂無章地呈現給學習者。

第一，虛擬仿真教育資源要符合視覺認知規律。這其中就包含了在資源設計過程中應考慮顏色、亮度感知、線條設計、空間布局及注意搜索等因素。第二，虛擬仿真教育資源要遵循記憶認知規律。根據學習者在不同學習場景對信息進行編碼、儲存和提取過程的特點，即記憶認知的規律，對虛擬仿真資源所蘊含的知識點有組織、系統地設計嵌入到虛擬仿真資源的觀摩學習和實踐使用過程中。第三，虛擬仿真教育資源要遵循理解學習認知規律。虛擬仿真教育資源在職業教育領域大多用在學生的技能實訓環節中，要求讓學生在使用相關專業技能訓練的虛擬仿真資源后，有效地幫助學生深入理解所學的內容“是什么”“怎么樣”“為什么”。即在識別和辨別的基礎之上，不僅要理解所學知識的原理和法則等內涵，還要系統化和具體化，對知識重新建立或者調整認知結構，達到知識的融會貫通，具備遷移運用的能力。即使置身于真實的不同場景，學習者仍然能夠靈活地運用所學的專業化知識技能解決實際問題。

（三）提升智能水平，個性發展求創新

人工智能技術與虛擬仿真技術進行深度結合，構建智能化的虛擬仿真場景和學習輔助工具，是未來虛擬仿真資源建設的重點方向。當前，職業教育領域需要更加智能化、個性化的虛擬仿真資源，以實現職業教育學生技能訓練的個性化、高效化。

智能化的虛擬仿真系統可實現對學生的操作行為進行實時跟蹤與記錄、智能測評與即時反饋的功能，甚至還可實現對學習者行為的預測功能。人工智能與虛擬仿真技術的結合，將會實現整合學生心理和行為數據進行統籌分析，來刻畫學習者數據化肖像模型，提供個性化的操作技能指導。例如，同一學生在使用同一虛擬仿真系統進行技能訓練時，系統對其行為有記憶功能，當在某個關鍵步驟總是出錯時，系統則會提前給予適當的提示，并給出正確操作的指引，當下次該同學再次使用該系統練習時，系統則會智能預測學生的操作行為意向，提供個性化的指導。不僅要讓學生在高度逼真的虛擬環境中進行技能學習，還要讓學生在高度智能化的虛擬情境中進行真正個性化的創新學習才是虛擬仿真教學資源的發展方向。因此，在當前虛擬仿真教學資源的開發過程中，要將虛擬仿真技術和人工智能技術有效地結合。

要實現職業教育的學生個性化的創新發展，一方面，要靠教學過程中通過教學模式與方法的運用努力培養學生解決實際問題和創新創造的能力。另一方面，需要通過提供智能化的學習資源，促進個性化的技能習得。校企合作開發是實現智能化虛擬仿真教學資源建設的主要途徑之一，企業提供虛擬仿真與人工智能關鍵技術，校方則依據教學需求、教學規律等提供設計與開發思路，通過雙方合力共同開發智能化的虛擬仿真教學資源。

（四）按照逐層設計，共建共享求均衡

在職業教育虛擬仿真資源的建設與應用方面，要形成國家層面統籌引領、區域層面貫徹推進、院校層面落地實踐的局面。在職業教育虛擬仿真資源建設的技術、指標、評價標準等各個方面，通過逐層設計、有針對性地切入當前職業教育教學需求最大的領域，解決職業教育專業技能訓練中教學與學習資源短缺的實際問題，節約教學成本、提升學生專業技能訓練的效果。例如，在學校層面，虛擬資源建設可采用三種模式，分別為外購、合作開發和自主開發三結合的立體建設模式，[15]而不是采用其中某種單一的建設模式，或是完全依靠外購來滿足教學需求，應形成一支在虛擬仿真資源開發技術等方面有深入研究的專業團隊。

其次，還應建立合理、完善的虛擬仿真資源共建共享機制，其中包含了調控機制、管理機制、規范機制、評價機制等一系列系統的機制。其目的一方面是形成資源共享，一方面是優化區域的配置。例如，在調控機制方面，各區域從區域的職業教育虛擬仿真資源發展的戰略出發，制定、頒布有關虛擬仿真資源共建共享的政策，全方位提升各級組織和學校在資源共建共享方面的意識。在管理機制方面，打破教育行政部門主導的管理機制，形成教育行政和職業院校合作管理的機制，使學校成為虛擬仿真資源建設與應用的主體，成為資源共建共享機制探索的中堅力量。此外，創新機制是促進資源流動、共享的根本動力。所謂的創新機制是指不同區域必須結合本身的發展特點和當地職業教育的發展趨勢，創造出具有特色的、有利于自身不斷發展的資源共建共享的觀念和模式。

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