國內外虛擬仿真教學的發展現狀

柳洪潔 宋月鵬 馬蘭婷 張觀山 張智龍 王征

[摘 要] 虛擬仿真教學是改革傳統教學方法重要的引領手段之一，對于課堂教學方法、模式、體系及手段的改進具有積極促進作用，由于具有良好的教學效果日益受到國內外高校的普遍重視。該文分析了虛擬仿真教學建設意義及其應用的信息技術，闡述了國內外發展現狀與趨勢，討論了我國虛擬仿真教學存在的問題與解決方法。

[關鍵詞] 虛擬仿真教學;發展現狀;實踐教學模式;教學改革

[基金項目] 2018年度山東省本科教改項目（M2018X233）;2016年度教育部產學合作協同育人項目（201602034025）;2017年度山東農業大學“十三五”教改項目（X2017004）;2017年度山東省一流學科建設基金（FSDTP2017）

[作者簡介] 柳洪潔（1972—），女，碩士，山東農業大學動物科技學院高級實驗師，主要從事動物醫學實驗教學與研究;宋月鵬（1971—），男，山東農業大學機械與電子工程學院、國家級農業機械化及其自動化虛擬仿真實驗教學中心教授，博士生導師，主要從事農業機械與裝備研究（通訊作者）。

[中圖分類號] G642.0 ? ?[文獻標識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2020）17-0124-03 ? ?[收稿日期] 2020-02-23

深化人才培養過程中的教學改革、加強實踐教學環節，是培養中國特色社會主義新時代建設人才的必然要求，也是國家全面提高教育質量的重要內容[1]。“十三五”是我國高等教育鞏固成果、深化改革、提高質量、持續發展的關鍵時期[2]。在新形勢下，高等教育必須適應新時代人才培養的需要，將新技術與實踐教學相結合，強化學生理論知識學習，提高實踐動手和解決實際問題的能力，從而提高人才培養質量，更好服務于社會與經濟的發展[3]。

當今社會信息技術的應用為提高教學質量提供了堅實基礎條件，在眾多教學方法或教學手段改革實踐過程中，虛擬仿真教學成為當前高等教育改革的熱點之一[4]。2013年8月，教育部決定開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作[5]，充分體現了虛擬仿真教學在高校實踐教學體系中的重要地位。

本文通過對國內外虛擬仿真教學發展現狀與趨勢進行綜述，深入分析總結了我國目前在此領域存在的問題，以期為今后我國虛擬仿真教學的發展提供啟示與借鑒。

一、虛擬仿真教學意義及其應用的信息技術

目前虛擬現實技術作為信息技術的代表，同多媒體技術、網絡技術公認為三大前景最好的計算機技術。最初應用于軍事、企業界及學術實驗室中，隨著應用成本的不斷降低，逐步進入教育教學領域，極大豐富了教學手段，因此，虛擬仿真教學是對傳統教學方法和手段的革新[6]。

首先，可以有效解決傳統教學實踐過程中出現的經費有限、實習資源有限等問題。目前我國有些高校教學與實踐的資金緊缺，實驗設備陳舊、更新較慢，新增儀器、價格昂貴的設備臺套數量不足，學生實驗實踐過程中分組人數過多、實驗周期超長，已嚴重影響到實踐教學效果，利用虛擬仿真教學方法是解決上述問題最理想的措施。

其次，某些傳統實習實踐教學過程中，不具備現實實驗條件或屬高成本、高消耗、極端危險環境、高污染、不可逆操作等教學及實踐環節，如專業課程實習實踐過程中的高壓蒸汽滅菌設備、數控機床、激光加工等設備存在耗材費用高、操作存在一定危險性等問題;動物傳染病診斷實驗中存在的病毒傳染性問題;鑄造、焊接實習存在工藝的全過程實踐等問題，虛擬仿真教學完全可以輕而易舉的加以解決，充分體現出它的優勢和價值。

再次，虛擬仿真教學的實施對提高學生綜合設計與創新能力，提高教師隊伍教學能力、拓展實踐領域、豐富教學內容等有很大的幫助。如對于“微生物學實驗”“機械制造”等課程工藝規劃方面的教學與實驗，通過虛擬仿真教學方法，實現教師與學生的充分互動、深度融合，可取得理想的教學效果。

最后，虛擬仿真教學與其他先進教育教學手段相結合，如MOOCs、翻轉課堂等，有助于建立激發學生學習興趣、激勵學生學習自主性、提高學生創新能力的教學效果考核、評價和反饋機制的形成。借助虛擬實驗系統的考核體系，形成了教與學的有機統一。

目前國內外虛擬仿真實驗教學中應用的信息技術主要有十種[6]，在基本原理及應用范圍雖有所差別，但都可進行理論教學、原理演示以及輔助操作訓練的虛擬教學活動。這些技術構建的虛擬世界為教師和學生創建了“同一空間”，使學生產生集體上課的感覺，交流方式也與現實頗為相似，有效縮短了師生間的時間和空間距離。

二、國內虛擬仿真教學的發展現狀

根據《教育信息化十年發展規劃》的指導意見，教育部在2013—2015年啟動了國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作，得到了社會各界的積極的響應和支持。現已遴選出300個國家級虛擬仿真實驗教學中心，分別分布在26個省市自治區，其中理工類211個，農林醫藥類53個，人文社科類36個[6]。

近年來，為推動高校積極探索線上線下教學相結合的個性化、智能化、泛在化實驗教學新模式，教育部2017年印發了關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知，計劃到2020年遴選出1000項示范性虛擬仿真實驗教學項目。國內高校掀起了積極開發應用虛擬仿真教學項目的熱潮。2012—2016年期間，在國內外期刊上發表的有關虛擬現實教育應用、虛擬實驗室網絡化管理的高水平學術論文SCI/EI檢索數量我國均領先于世界其他國家[7]。

中國農業大學建立了機械與農業工程虛擬仿真實驗教學中心，按照實驗教學“虛實結合、相互補充”的原則，提出了“三平臺、九模塊”的虛擬仿真實驗教學體系[8]。

中國科技大學利用虛擬仿真技術進行幾何光學實驗平臺的開發，把物理教學儀器系統演繹到新的領域，搭建虛擬仿真教學應用實驗平臺。

北京郵電大學開發了網絡、通訊、電子三門學科的虛擬實驗系統，采用JAVA Applet技術、B/S結構和J2EE框架等，解決了高校實驗教學設備及場地日益緊張等諸多問題[9]。

山東農業大學國家級農業機械化及其自動化虛擬仿真實驗教學中心構建了較為完善的平臺建設及管理體系，建立了“現代農場虛擬仿真實驗教學系統”等四個虛擬仿真教學模塊。“家禽病毒性傳染病疫苗的生產應用虛擬仿真實驗”入選2018年度國家虛擬仿真實驗教學項目，取得了較好的應用效果。

三、國外虛擬仿真教學的發展現狀與趨勢

國外對虛擬仿真技術的研究起步較早，應用較為廣泛，美國新媒體聯盟（NMC，New Media Consortium）按年度、分系列發布的《國際教育信息化地平線報告》被視為國際教育信息化建設與發展的風向標。該報告認為，虛擬仿真教學將成為今后國內外教育界對傳統教學進行改革、提升人才培養質量的重要方向，是現代教育重要的引領手段之一，因此備受世界各國教育界的關注。表1系國外高校虛擬仿真實驗教學的主要類別與基本形式[ 10 ]。

英國開放大學實驗室應用網絡、虛擬現實等技術開發了虛擬儀器共享使用項目，能夠在線實現所有實驗室功能，學生可下載虛擬儀器軟件進行在線實驗，也可以借助遙控儀器進行遠程控制實驗。

美國大學采用平板電腦完成分子生物學、細胞生物學、發育生物學等課程實驗，教師通過iPad上的移動應用程序與學生分享從中心實驗室數字顯微鏡中獲取的數據和圖像資源。

加拿大大學建設了3D實驗室和人類創客虛擬仿真教學實驗室，配備最先進的3D掃描儀和打印機、動作傳感器以及激光切割機等高科技設備，真正做到“虛實結合、能實不虛”的教學原則。

文獻[10]給出了國外高校虛擬仿真實驗教學改革的新動向，主要包括：

（1）加快新興信息技術在教育教學領域的應用。

（2）整合教育資源于在線學習、混合式學習和協作學習之中。

（3）基于信息技術教育教學由理論課程單一教學形態向理論與實踐教學相輔相成轉變。

（4）促進學生從以往的課程內容單一消費向創造者和設計者轉變。

（5）重視和加強開放教育資源的建設、使用和維護。

（6）建設具有完備數字化學習條件和虛擬實驗環境的未來教學實驗室等。

四、國內外虛擬教學發展的幾點思考

國內的虛擬仿真教學方法應用較國外略晚，但發展極為迅速。目前，單從技術縱深度來說，國內與國外已相差無幾，而在普及應用上，顯然與國外相比有較大差距。分析原因主要有：（1）部分地方政府或單位對虛擬教學的認識不足，或觀念較保守、思想轉變慢，或所受自身經濟基礎制約;（2）大部分學生對虛擬式教學授課不適應，訴求度不高;（3）虛擬仿真教學對學生學習的主動性和自主性要求大幅提高，而教師主導地位弱化，導致學生學習隨意性增加，可能達不到預期的教學效果[ 11 ]。

基于上述問題，提出如下幾點建議：（1）各高校應重視虛擬仿真教學的應用，加強與企業的聯合開發，同時制定學校激勵考評機制，鼓勵教師參加平臺設計、開發和應用;（2）對教育主管部門來說，應加大投入力度，鼓勵校企合作，創建不同虛擬仿真教學軟硬件設備和平臺;（3）對教師而言，務必緊跟時代步伐，努力適應新的教學方式;同時不斷提升自身素質，強化虛擬仿真教學過程管控，真正成為虛擬仿真教學過程的監督者和引導者;（4）對學生來說，提前安排預習認知時間，制定學習目標和學習規劃，深入認識并借助虛擬仿真教學軟硬件平臺，提升自身實踐與創新能力。

五、結束語

虛擬仿真教學是現代教育重要的引領手段之一，備受世界各國教育界的關注。因此，我國的教育部門應加大虛擬仿真教學軟硬件投入。學生應轉變思想，順應虛擬教學新方式，努力提升實踐動手能力。各高校應根據辦學特色，積極探索傳統教學與虛擬仿真教學深度融合的教學新模式，專業教師應投入精力，建設并應用虛擬仿真教學項目，為實現高等教育改革、提高人才培養質量而提供堅實的基礎。

參考文獻

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[3]張海生.中國高等教育現代化的內涵闡釋及其矛盾審視[J].教師教育學報，2018，5（5）：65-73.

[4]劉亞豐，蘇莉，吳元喜，等.虛擬仿真教學資源建設原則與標準[J].實驗技術與管理，2017，34（5）：8-10.

[5]中華人民共和國教育部.關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知（教高司函〔2013〕94號）[B]，2013年8月13日.

[6]李平.推進虛擬現實技術應用，提高高校教育教學質量[J].實驗室研究與探索，2018，37（1）：1-4.

[7]王艷華，婁巖，郭婷婷，等.基于虛擬現實技術的實驗教學CNKI論文分析[J].基礎醫學教育，2018，20（5）：414-419.

[8]宋正河，陳度，董向前，等.機械與農業工程虛擬仿真實驗教學中心建設規劃與實踐[J]，實驗技術與管理，2017，34（1）：5-9.

[9]謝敬偉.分布式虛擬現實交互仿真系統研究[D].浙江大學碩士專業學位論文，2017年1月15日.

[10]王衛國，胡今鴻，劉宏.國外高校虛擬仿真實驗教學現狀與發展[J].實驗室研究與探索，2015，34（5）：214-219.

[11]Azimkulov Ayan.VR技術的虛擬教學應用研究[D].東華大學學位論文，2017年1月15日.

Abstract：The virtual simulation experimental teaching approach is one of essential complement of traditional teaching method reformation.This novel approach plays a positive role to improve the teaching effectiveness of model，system，measurement and construction.More and more attention has been paid in domestic and foreign universities for the approach due to its excellent teaching effect.Construction significance，information technology application，development status and tendency in domestic and overseas of virtual simulation experimental teaching approach was analyzed and summarized.Furthermore，problems and solutions of the approach were also deeply discussed.

Key words：virtual simulation experimental teaching approach;development status;experimental teaching model;education reformation