虛擬仿真技術在教學中的應用分析

浦娟 陳書錦 葉慧

[摘? ? ? ? ? ?要]? 分析傳統教學存在的問題，提出虛擬仿真技術應用于教學中的必要性，綜述虛擬仿真技術應用于現代教學中的現狀，并用具體實例予以說明。

[關? ? 鍵? ?詞]? 虛擬仿真技術;教學;應用

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2021）15-0044-02

虛擬仿真是一種利用計算機生成三維動態場景對另一個真實的系統進行模仿的技術，隨著現代計算機技術的不斷發展，虛擬仿真技術在許多行業逐漸被重視并被大規模應用。虛擬仿真教學可以構建虛擬環境，這個場景是將一切因為需要很長周期、高成本、高危險性而不能大范圍復制的實驗用三維模型的形式展現。學生在虛擬環境中學習，有利于激發學習興趣，拓展思維，提高分析問題和解決問題的能力。

一、虛擬仿真技術應用在教學中的必要性

（一）傳統實驗教學模式存在缺陷

傳統的實驗教學方法有課堂理論知識講解、多媒體演示、實體模型演示等，這些方法在教育改革日新月異的背景下存在很多問題，主要表現在以下三個方面：（1）老師在課堂上對實驗理論知識的講解往往很抽象，許多學生聽不懂的同時也沒有及時提出疑問，這些問題發展下去會導致學生不能獨自完成實驗或者為了完成任務抄襲別人的實驗成果，最后形成一個惡性循環。（2）為了便于學生理解實驗內容，老師經常使用多媒體進行教學，但大多圍繞著PPT課件展開，這些課件都是以實驗理論為基礎建立的，學生往往會感到很枯燥，而且難以讓學生了解如何把理論和實踐結合起來，有的學生有想法因為難以證實而不了了之。（3）由于許多實驗儀器價格昂貴，學校在實驗室建設方面資金有限，而且有些精密儀器只給專業人士操作，這些情況導致學生的實驗形式變成了老師在實驗室的示范性講解，學生都圍在一臺儀器面前，很難讓所有人都能去嘗試操作，因此，實驗報告的撰寫很難有實際效果，學生的實驗課也難有大的收獲。

（二）網絡教學模式發展的必然趨勢

近年來，隨著信息化技術的快速發展，網絡授課已經是一個很大的發展趨勢，國外的網絡授課已經有很長的歷史了，早在1998年，美國許多學校就開始將網絡用于教學，教育部在1999年發布了《面向21世紀教育振興行動計劃》，提出“實施現代遠程教育工程”的要求;2015年，教育部發布《關于加強高等學校在線開放課程建設應用與管理的意見》;2017年，教育部發布《關于開展2017年國家精品在線開放課程認定工作的通知》;2019年，教育部等十一部門發布《關于促進在線教育健康發展的指導意見》，自此我國的網絡教育開始跟上時代的步伐穩步前進，到今天，網絡教學已經成為學校教學必不可少的一部分。2020年，這一特殊時期“火”起來的網絡教學模式也是第一次被大部分家長和學生了解，但是也有許多人批判這一教學模式，無外乎是網絡延遲的存在導致學生聽課效率低，可是隨著5G時代的到來，網絡授課將不再有現在的延遲，我們不僅可以在國內進行網絡教學，還能對國外進行網絡教學，學生在網絡課堂的學習體驗也會有質的飛躍。在不久的將來，虛擬仿真技術在教學領域的價值也會被越來越多的高校和教育工作者認識到，并成為新的網絡教學趨勢。

（三）虛擬仿真技術用于教學突出的優勢

1.能滿足實踐教學的需要

傳統的實踐教學往往在面對高危險、高消耗的實驗環節時，因為教學資源有限的問題經常只能由老師或者專業人員示范，這樣對學生實踐能力的培養有很大的影響，虛擬仿真技術的應用，可以模擬這些實踐場景，由于它是以真實數據庫為數據支撐，所以其操作過程和實踐過程相似，學校可以用該技術培訓學生對大型精密儀器的使用;對于一些周期比較長的實驗，比如長周期熱處理時采用虛擬仿真技術無疑可以有效節省時間和費用。當然，學校也可以通過虛擬仿真技術模擬企業設備的操作流程，這樣可以部分取代甚至全部取代學生去企業現場實習，能夠彌補傳統教學模式在實踐教學方面的不足。

2.符合當今時代背景下學生的心理特點，極大地提高學生自主學習的興趣

在信息時代背景下，當代學生接受外來信息的能力越來越強，他們排斥課堂上對理論知識抽象的講解，對實踐教學往往很感興趣。虛擬仿真技術的引入會使學生擁有身臨其境的真實體驗感，學生將不用擔心因自己操作失誤造成實驗設備的損壞，敢于放手去做，在反復的實驗中沒有資源和時間的限制，學生可以大膽地實踐自己的想法，而且由于人機互動的特性，虛擬仿真實驗還可以自行對學生的實驗過程進行評價，這將大大激發學生的自主學習熱情，增強學生的創新能力。

3.能彌補因區域經濟發展不平衡導致的教育資源分布差距

由于我國區域經濟發展不平衡，導致不同區域的教育資源分配差距很大，經濟發展比較好的區域會投入大量資金用于教學，學校也會加大對實驗室人力、物力、資金的投入，學生有機會享受優質的教學資源;反觀經濟發展落后的區域，在教育方面的資金投入將會大大減少，學校在實驗室教學方面也力不從心，學生能夠接觸到的是老化、落后的實驗設備，許多新的實驗設備更新補充不到位，而且常常會出現許多學生面對一臺試驗設備的尷尬局面，實驗設備的缺乏造成的后果最終也只能由學生自己來承擔。建立虛擬仿真平臺無疑會打開這個局面，學生不用進行真實實驗也能了解實驗項目的機理和規律，由于虛擬仿真平臺的開放性，經濟發展落后區域的學生可以登錄這個平臺選擇自己想做的實驗，而且虛擬仿真平臺能夠緊跟當下科學技術的發展趨勢，不同區域的學生打破空間界限在同一平臺上學習交流，這將有效地打破因區域教育資源差距帶來的壁壘。

二、虛擬仿真技術在教學中的應用現狀

虛擬仿真技術應用于教學中主要通過建立虛擬仿真實驗室，早在20世紀70年代，清華大學自動化系在我國高校中率先建立了虛擬仿真實驗室并用于教學實踐。21世紀初，國家就開展了國家級實驗教學示范中心的建設，2018年教育部公布了首批國家虛擬仿真教學項目105個，而在2020年，教育部將認定1000個虛擬仿真實驗教學項目，這些項目將覆蓋電子信息類、經濟管理類、礦業類、法學類、護理學類、臨床醫學類、建筑類、地質學類、公安技術類、材料類、化學類、交通運輸類、自動化類等許多學科。

國家虛擬仿真實驗教學項目是將現代信息技術與實驗教學項目深度融合，拓展實驗教學內容的廣度和深度，延伸實驗教學的時間和空間，提升實驗教學質量的重要舉措，在國家政策的大力支持下，虛擬仿真技術在教學中的應用得到巨大的飛躍。趙爍[1]等提出把虛擬煉鋼平臺引入冶金教學中，相比較傳統的冶金教學，虛擬煉鋼平臺有著明顯的優勢，它不僅提高了學生的動手能力，還將課堂理論知識和實踐問題結合起來，從而使學生做到理論知識和實踐相結合。王浩[2]等將虛擬仿真技術應用于本科生土木工程課堂教學中，并將采用虛擬仿真技術后的學生成績和采用傳統教學的學生成績進行對比，發現隨著實驗復雜程度的提高，采用虛擬仿真技術對學生的成績有明顯的提升。王紫薇[3]等提出將傳統的“理論+實驗演示”教學模式轉變成“問題引導+虛擬仿真實驗平臺實驗操作+總結”教學模式，并對使用虛擬仿真軟件和未使用虛擬仿真軟件的學生進行問卷調查，發現使用虛擬仿真軟件的學生認為對自身學習有幫助和對教師教學滿意的比例增加，學生的課前準備也有很大的提高。溫健[4]等研究虛擬仿真模擬教學平臺結合PBL教學在麻醉學教學中的應用，發現學生更加認可虛擬仿真模擬教學，虛擬仿真模擬平臺可以再現實際臨床場景，能夠彌補以前醫學上不能綜合培養學生的臨床操作技能和臨床思維能力，為培養優秀的臨床醫生提供了一個新的方向。

三、虛擬仿真技術用于教學中的具體案例

在傳統的船舶輪機系統教學中，由于船舶柴油機的重量和體積都很大，學生在拆裝這類設備時危險程度高，而且一般學校實驗室只提供少量的小型柴油機，并且只提供一次拆裝機會，無法滿足學生和教師的需求，而虛擬仿真技術可以突破這方面的限制。

以江蘇科技大學柴油機虛擬仿真實驗為例，介紹如何利用虛擬仿真技術教學柴油機的相關知識。首先，學生登錄江蘇科技大學柴油機虛擬仿真實驗系統，此系統分為三個模塊：第一個模塊是“三維認知”模塊，即系統360°全方位的展示柴油機結構，學生可以通過鼠標點擊來認識每一個部件名稱;第二個模塊是“虛擬拆裝”模塊，學生可以通過鼠標點擊將零部件拆卸出來，將零件拖動到正確的位置時，模擬系統會自動吸附零件最后完成拼裝;第三個模塊是“動態仿真”模塊，“動態仿真”模塊是柴油機虛擬仿真實驗的核心部分，學生可以自由設置柴油機的展現形式如透明、實體、半透明方式來更直觀地看到內部結構，系統還能展示柴油機運轉時的內部零部件如連桿、活塞的運動方式，界面右側的儀表盤、油門、剎車標志可以匹配柴油機真實運轉情況下的運動狀態。在學生利用此虛擬仿真系統學習的過程中，每一個環節結束都會有問題，學生需完成問題才能進入下一個環節，學生柴油機虛擬仿真實驗的選擇、判斷成績由系統自動評卷給出，問答題由老師評判給分，最后由系統匯總所有學生成績。從校內外學生和老師的使用情況來看，柴油機虛擬仿真實驗幫助學生對柴油機從整體到局部都有了直觀的認識，避免了實驗走過場的現象，極大地提高學生的學習興趣，培養了學生思考問題、發現問題、解決問題的能力，同時，也降低了學校在柴油機實驗方面的資金消耗，對學生的安全也有很大保障。

四、結語

虛擬仿真技術正處于一個快速發展階段，它在教學中帶來的初步優勢大家有目共睹。國家在加大對虛擬仿真技術應用于教學建設投入的同時，要本著“一切教學以學生為中心”的原則，教學性才是學校引入虛擬仿真技術的根本，在進行虛擬仿真實驗教學的同時也要和實踐教學相結合，不要過度追求仿真而本末倒置，應根據實際情況建立虛實結合的教學體系。

參考文獻：

[1]趙爍，呂靜彩，柴保明，等.虛擬煉鋼平臺在冶金教學中的應用[J].中國冶金教育，2019（5）：26-27.

[2]王浩，岳建偉.虛擬仿真技術在土工實驗教學應用探索[J].智庫時代，2019（42）：208，226.

[3]王紫薇，陳國勇，蔡磊，等.醫學影像技術虛擬仿真教學實踐[J].中國醫學教育技術，2020，34（1）：80-84.

[4]溫健，肖穎，關正，等.虛擬仿真模擬教學平臺結合PBL教學在麻醉學教學中的應用[J].西部素質教育，2019，5（21）：177-178.

◎編輯 鄭曉燕