新文科背景下虛擬仿真一流課程建設探索

呂鳳岐

（廣西財經學院，廣西南寧 530003）

在現代信息技術不斷發展進步背景下， 國家愈加推廣教育信息化， 在教育改革中愈加注重信息技術和課程的有機結合。故而，近幾年虛擬仿真技術在課程中的應用愈來愈普遍。其實，仿真是針對系統中某個具有抽象屬性的實際模仿或直觀演示， 是在遵循客觀系統基礎之上，對相應模型的構建。由于當前計算機本身具備的特征和優勢， 仿真所要依靠的主要載體即計算機， 兩者合為一體也可稱為計算機仿真。通常情況下，人類通過計算機搭建一個理論或實際上的仿真模型， 然后再依據模型搭建出一個仿真環境。隨著中國建設特色社會主義新時代步伐加快，國家對新文科和一流課程的打造也愈加迫切， 而虛擬仿真與一流課程的結合，無疑是“錦上添花”。 故而， 探究新文科背景下虛擬仿真一流課程建設具有強烈的現實意義。

1 虛擬仿真技術及其在教學中的應用

1.1 虛擬仿真技術簡介

虛擬仿真又名模擬技術或者虛擬現實技術。 它是人類利用各種技術手段， 將現實生活中的一些現象、時間通過計算機模擬出來，進而促使人民可以對實驗對象深入觀察、對事物的本質了解得更為透徹。20 世紀40年代早期，隨著計算機技術不斷發展，虛擬仿真作為一項實驗研究類的新型技術也由此應運而生。近幾年來，我國計算機技術開始呈現出井噴式發展態勢[1]。得益于此，虛擬仿真技術逐步開始完善。當前，虛擬仿真已成為繼科學實驗探究、數學推理之后，人類認識、探索自然界客觀規律的第三條路徑。而且虛擬仿真正逐步成為人類發現、 改造客觀世界的一項戰略性、通用性技術。

現階段， 虛擬仿真技術在我國各領域中的應用已逐漸變得愈加廣泛。 例如，化工電力的操作實驗、航空航天的數據分析實驗、汽車的碰撞損害實驗。這些實驗假設要進行真實實驗， 雖然一定程度上有助于研究人員獲得較為可信及準確的數據及資料。 但相對虛擬而言，真實實驗具有更高的難度和成本，且危險系數也更高， 難以構成實際情況中實驗需要反復性的條件。 而虛擬仿真技術不僅可以對這些實驗進行模擬、實地獲取結果，同時它更具有靈活性和擬真性。在運用虛擬仿真技術進行實驗的過程中，相關研究人員只需要修改相對應的數據參數， 就可以實現期望的實驗環境、真實的研究結果[2]。 虛擬仿真技術的運用不僅可以提升工作效率， 同時它的成本也遠低于真實實驗成本。

1.2 虛擬仿真技術的特征

沉浸性、構想性、交互性是虛擬仿真技術所具備的3 個主要特性，同時可稱為“3I”特性。 最早，“3I”特性這一說法是由美國科學家G.Burdea 和P.Coiffet于2017年在《虛擬現實系統及應用》中提出的。交互性和沉浸性是虛擬仿真技術最核心的元素， 這兩個特性在增強用戶虛擬環境體驗感的真實性上具有突出作用。構想性現在多數情況下都被稱為自主性，是虛擬仿真技術操作依據不同用戶認知創造和思維意識的表達。具體而言，構想性就是用戶在體驗虛擬仿真技術的過程中， 能夠對所接收到的反饋信息做出邏輯推理、邏輯判斷等思維活動，并對此操作過程中可能出現的一系列現象、 問題或未來事物發展做出合理的預測。綜上，虛擬仿真技術最大的特點及優勢就是沉浸性、構想性、交互性[3]。也正是因為虛擬仿真技術具有的這些特性， 使得用戶能夠利用虛擬仿真技術，變成虛擬環境下的活動主題，進而凸顯人的主導作用。

1.3 虛擬仿真技術在教學中的應用

因為我國針對虛擬現實技術開展的研究起步較晚，故發展至今雖取得了一定成果，但當前虛擬仿真技術在我國的實際覆蓋面仍不夠廣泛， 在推廣應用方面，虛擬仿真技術仍有很大的提升空間。現階段我國高校在教學過程中對虛擬仿真技術的應用模式主要有兩種。 一是虛擬課堂。 虛擬課堂中，實體學習資源、師生、學習場景等均為虛擬場景中的目標對象。通過虛擬仿真技術， 各類學習對象均可以被模擬出來。在某種程度上，課程中虛擬仿真技術的應用可以打破傳統意義上時間和空間的限制。如此，學生可以通過切身體驗的方式對知識體系進行交互式探索。二是虛擬實驗室。 虛擬實驗室中實驗設備是主要的虛擬目標對象。通過計算機的虛擬仿真技術，可以搭建出同現實世界中一樣的虛擬儀器模型， 使之與真實儀器的使用和操作實現完全對應。 虛擬實驗室可以替代現實試驗中危險系數及難度系數較高的實驗項目。 學生通過計算機建立的虛擬設備進行仿真實驗，做出虛擬仿真預測及分析、實驗數據仿真[4]。

2 新文科背景下虛擬仿真一流課程建設的意義

2.1 有助于培養學生主動學習的積極性

在創設教學情景時， 相較于傳統的一些事物表演或模擬演示教學，虛擬技術具備顯著的優勢，即更加真實的教學體驗。依據學生最基本的認知特點，教師可利用虛擬仿真技術來創設一個更加生動有趣的教學情境[5]。 例如，通過動畫或游戲的方式將一些相關知識通過學生更感興趣的形式， 更直觀地呈現給大家。 大部分學生其實對動畫或者游戲等元素是較為敏感的，教師完全可以利用這一點，通過游戲來進一步豐富課堂內容。 動畫和游戲不僅能營造出更加有趣的教學情境，還能吸引學生的注意力，進一步豐富教師的課堂教學模式，激發學生主動學習的興趣，有助于學生保持對知識內容的記憶和遷移。 除了創設良好的教學情境之外， 將虛擬仿真技術應用于課堂教學中，可以促進學生吸取知識內容途徑的轉變，即由傳統意義上的被動接受轉變為切身操作和自主獲取，還能通過自身對知識內容的分析和理解，逐步構建出屬于自己完整的知識信息系統[6]。 當前，當學生遇到學習上的問題時， 我國大部分學校的主要教學模式是去情境化， 即完全依據教師的話語描述和學生的思維想象來解答課本上的相關問題。 相較而言， 虛擬仿真技術可以在最大程度上還原生活中真實場景，促使學生在優良的教學情境中開展學習，使得學生可以從本質上了解知識結構和原理， 掌握學習方法。 如此， 教師在保證教學內容貫徹的基礎之上，既活躍了學生的學習思維，又有助于調動學生主動學習的積極性[7]。

2.2 有助于拓展學生的學習范圍

教師把虛擬仿真技術應用于課堂中， 相當于把模擬情景通過多媒體計算機放進了教室， 這樣有助于打破時空對模擬演示的限制和約束。 在這種情況下，學生可以在任意時間和地點，利用虛擬仿真平臺對不懂的學習內容進行虛擬情境演示和模擬。 這在一定程度上，有助于拓展學生的學習覆蓋面，從而縮短教學和學生實際掌握知識內容的周期。而且，在一些物理實驗中，從空間角度出發來看，虛擬仿真技術可以將一些由于客觀原因難以或無法進行的實驗變成可能[8]。例如，原子內部構造的探究，宇宙間星體的分布及運行分析；從時間角度出發來看，一方面實驗中虛擬仿真技術的運用， 有助于學生了解過去曾出現過的物理學知識，進而可以追溯古今，對實驗背后的物理學史了解得更為透徹。 另一方面學生通過數據模擬，可以更加快速的獲得實驗現象和結果，這有助于學生減短學習的周期。例如，某些實驗的變化過程可能會持續幾年、幾十年，甚至長達幾百年。 但如果利用虛擬仿真技術， 學生通過演算就可以得出相應的結論， 促使實驗現象和結果可以在最短時間內呈現出來，有效節省及縮短了實驗時長，進而大大提升了實驗效率。

3 新文科背景下虛擬仿真一流課程建設的實踐路徑

3.1 教學形式：注重虛實相結合，顯著突出教學重點

“虛實結合”是創設虛擬仿真技術課堂教學的基本要點。 以虛擬仿真技術應用程度最高的實驗教學為例， 虛擬仿真實驗教學并不是簡單層面上將實驗儀器或設備進行虛擬化， 而是一種更加靈活的實驗教學模式， 一定程度上它還是實體實驗項目的最有益補充。 此外，隨著近些年體育事業的蓬勃發展，由于人體進行體育運動過程中，所要進行分析、監測及診斷的范圍及其廣泛， 故而從事與人體運動相關的人員都應對該領域的知識體系充分、全面地掌握。這種情況下， 體育教學和科研技術的融合就變得更加迫切和重要。但在實際教學情境中，學生和教師均反映虛擬技術在課堂中的應用難以發揮出真正的實效性[9]。因此，新文科背景下，建設虛擬仿真一流課程的第一步就是要做到“虛實結合”。首先，教學進行虛擬仿真實驗教學的過程中， 不可以違背基本的教學任務，即對知識的全面充分講解。 在此基礎上，教師可以通過虛擬仿真技術， 將模擬實踐與線上交互理解充分結合起來進行課程功能設計。其次，教師可以通過創設與教學內容相關的3D 虛擬情境。 例如，運動場地。 如此可使學生在視覺和聽覺上多維度、 全視角、 近距離探究知識內容， 進而獲得學習信息和方法。最后，教師應通過三維仿真場景幫助學生熟悉測量評價系統， 促使學生可以獨立做到簡單的界面交互控制和實時漫游。

3.2 教學內容：注重創新驅動作用發揮，顯著提出技術運用的綜合性

通過調查學生對虛擬仿真實驗教學的認知發現， 大部分學生對虛擬仿真實驗的認知程度雖然都不高，但卻對它在實驗教學中的應用均表示支持。由此可見， 虛擬仿真實驗的可行度和了解度之間并沒有很強的關聯性。 這可以從側面體現出虛擬仿真一流課程建設的現實需求性。 首先，在教學內容上，教師應以調動學生對各學科自主學習的積極性、 培養學生對實踐技能做到全面掌握、 激勵學生創新思維的主動養成，驅動學生創新、探索及實踐能力進一步提高。此外，各學科教師在運用虛擬仿真技術于教學內容時， 應注重不同學科知識體系間的內容交叉融合。通過多重學科交互模式，為學生創設一個對知識可以進行自主探究的學習環境。同時，教師應為創新學生思維意識和實踐能力訓練預設充足的發展空間。 而且，教師在進行虛擬仿真實驗項目、設計與選擇系統的教學內容時，應當充分凸顯實踐性。 例如，體育學科開展虛擬仿真實驗項目時， 應特別注重運動康復知識、 運動技術分析及運動生理學知識等實踐性較強的內容。