“互聯網+”背景下高校虛擬仿真實驗教學體系的構建與應用

楊萬霞

（南京林業大學林學院，江蘇南京210037）

現今，虛擬仿真技術在高校教育領域廣泛應用，進一步提高了高校專業教育發展水平。以互聯網+教育發展為基礎，做好虛擬仿真實驗教學體系的完善，有益于實現虛擬仿真技術在高校實驗教學方面多元化的運用，使高校可以利用完備虛擬的仿真教學管理體系，解決高校自身部分實驗教學問題，同時為虛擬仿真技術助力實驗教學工作高質量推進創造良好的時代新機遇。

一、虛擬仿真技術起源及在教育領域應用起點

（一）虛擬仿真技術發展

1.虛擬仿真技術概念提出

虛擬仿真技術又稱VR 技術，全稱為“Virtual Reality”。該項技術最早起源于20世紀60年代末期。該時期電子技術應用及數字信息技術高速發展，為VR 技術運用提供必要技術保障。但早期階段VR 設備體積過于龐大，設備使用條件也相對苛刻。因此，最早的VR 技術運用僅作為重點系統進行隱秘信息查看，其技術功能相對單一。20世紀70年代，頭戴式VR 設備的問世，解決了VR 設備功能方向單一問題，使其在攝影、圖像處理及多媒體技術運用等領域有所涉足。隨著后續階段，美國國家航空航天局對VR技術的進一步拓展，使VR設備真正意義上實現了基于LCD 光學顯示器進行圖像信息交互，極大地提高了VR 技術適用范圍，使VR 技術在電子競技、教育及醫療等諸多方面得以充分普及。1995年，日本電子游戲公司“任天堂”率先推出基于VR 技術的Virtual Boy 電子游戲交互設備，該設備首次采用獨立信息技術處理模塊，使VR 設備與計算機設備交互實現無縫銜接。雖然從商業化角度來說，Virtual Boy 電子游戲交互設備推出，并未達到預期收益目標，但對于VR 技術在更多領域的廣泛運用，創造了有利技術發展條件。

2.虛擬仿真技術普及

20世紀90年代末期，計算機設備在我國發展普及，為我國信息化技術發展奠定堅實基礎。隨著技術應用條件的不斷革新及計算機技術應用水平的充分提升，我國信息化技術產業發展充分完善了全球互聯網產業發展布局。開發我國信息化互聯網市場資源，成為21世紀初期階段世界互聯網經濟發展的重要目標。在此環境下，用于商業用途的VR 技術逐漸成為互聯網市場資源開發主流方向，Microsoft、Google 等互聯網巨頭紛紛加入VR 技術研發主戰場，為VR 技術發展普及創造良好技術發展條件。在商用VR 技術發展帶動下，將VR 技術融入軍事、教育及醫療等相關領域，成為新時代VR 技術發展新風向，美國、德國是首先將VR 技術運用于高等教育的國家，為VR 技術在教育領域普及積累了諸多技術經驗。

（二）虛擬仿真技術教育應用

1.國外

從計算機技術應用角度來看，國外對VR 技術研究水平相比于國內而言相對更強，但該項技術在教育領域的應用，仍然是以北美、西歐國家為主，尤其美國、德國及英國，是最早在高等教育領域開展VR 技術應用試點國家。目前，美國VR 技術在高等教育中普及率不足10%，其中絕大部分應用VR 技術開展教學工作的高校均處于經濟發展、技術實力較為雄厚地區。之所以出現這一狀況，主要由于美國VR 技術在教育領域應用成本相對較高，需要根據不同專業、課程內容對VR 教學資源進行定制，而建立VR 虛擬模型所需的時間成本、資源成本成為限制VR 技術在美國高校教育普及的重要門檻。德國、英國雖然率先進行VR 技術教育試點，但由于德國、英國對VR 技術在高等教育運用尚處于教育評估階段，因此，VR 技術難以在德國、英國高校得到大范圍普及，一定程度上限制了VR 技術在教育應用方面的發展。

2.國內

2017年7月，教育部辦公廳下發《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》，進一步預示VR 技術應用成為未來階段我國教育發展的重要組成部分。2018年6月，為更好地滿足VR 技術在教育領域的應用需求，教育部開放了“實驗空間”的實踐平臺，該平臺主要針對技術共享為VR 技術在高等教育中的運用提供技術支持，使各地區的各個高校能基于對VR 技術的有效運用，提高不同學科的專業教育能力，使VR 技術切實成為高等人才教育培養的輔助手段。VR 技術在我國高等教育領域的廣泛普及，不僅得益于政府機構的政策支持，同時VR技術的商業發展也為VR技術教育實驗運用提供了必要幫助，使我國VR 技術發展逐漸從技術探索走向技術創新，為各地區的VR 技術教育普及積累豐富技術經驗，從根本上構建VR技術教育實驗發展新生態，充分解決我國高等教育信息化發展部門的基礎問題。

二、虛擬仿真技術在高校教育領域的應用優勢

（一）提高實驗教學的實踐安全性

虛擬仿真技術是計算機技術應用，實現虛擬環境信息交互。在實際實驗教學方面，僅需通過對計算機圖像處理，即可實現對3D 立體實驗過程進行呈現，極大地提高了實驗教學效率、實驗教學安全性。尤其對于化工類專業學生課程教學而言，利用虛擬仿真技術開展實驗教學，省略了繁瑣的實驗教學準備環節，使專業大學生對實驗課程內容學習在短期內即可完成，避免了學生參與危險化學實驗，為其更好地開展化學實驗教學工作提供了有利的基礎保證。除此之外，虛擬仿真技術不僅能對單一實驗教學內容進行呈現，同時，虛擬仿真技術也可基于理論知識教學，實現理論課程教學與實驗教學雙向對接，使部分專業學科在不改變教學環境的情況下，亦可有效開展實驗教學課程，進一步解決高等實驗教學時效性不足問題。

（二）加強知識概念教學立體化呈現

早期階段，高校所采取的信息化教學，大部分以多媒體設備應用為基本載體。多媒體設備運用雖然豐富課堂教學內容，并使實驗教學能從多個角度對知識概念進行滲透，但無法對知識體系進行串聯，導致實驗教學難免存在一定程度的教學遺漏。利用虛擬仿真技術開展實驗教學，則能使知識概念實現立體化呈現，提高理論課程教學與實驗教學課程連貫性，切實強化實驗課程教學的銜接能力，突破傳統信息化教育發展對實驗課程教學限制，彌補高校實驗教學部分不足。正是由于虛擬仿真技術在實驗教學方面的運用，實現了對知識概念立體化呈現，使高校實驗教學工作的開展可以針對不同專業學科，優化教育策略，提高實驗課程教學靈活性，為后續階段實驗教學工作穩步推進創造良好的基礎條件。

（三）強化專業課程教學實驗多元化教育能力

長期以來，專業大學生理論學習水平及實踐操作能力方面的差異，始終是困擾實驗課程教學規劃的重要導向因素，如何在教學規劃方面掌握好教學平衡，并盡可能滿足不同專業大學生多元化學習需求，對高校教師而言至關重要。虛擬仿真技術在實驗教學方面的運用，則可有效針對這一困擾進行解決。虛擬仿真技術人機交互，雖然是建立在三維立體模型應用及虛擬環境模擬角度得以實現，但本質上三維立體模型仍然是以數字信息技術為核心基礎，因此，若教師能充分掌握計算機技術及數字建模技術應用，則可適當根據大學生實驗課程教學需求，調整實驗教學難度及實驗內容，使虛擬仿真實驗教學能根據學生學習能力、學習水平，更好地進行教學對接。從而，進一步實現實驗課程教學多元化開展，確保虛擬仿真實驗教學能適用于不同教學環境。

三、“互聯網+”背景下高校虛擬仿真實驗教學技術應用現狀及問題

（一）虛擬仿真實驗教學資源共享體系尚不完善

當前階段，虛擬仿真技術在我國高校實驗教學方面運用形成一定教育規模，但教育資源共享仍然存在共享管理體系不完善問題，基礎問題主要集中在以下兩個方面。第一，教育資源共享申請流程較為繁瑣，針對虛擬仿真實驗教學資源共享管理并不到位，未能根據高校實驗課程教學需求，及時調整數據資源共享管理方案，導致資源共享存在時效性不足問題，無法切實滿足部分學科虛擬仿真實驗教學需求。第二，現階段虛擬仿真實驗教學，其技術成本仍然相對較高，部分高校的部分學科，由于教育資源投入不足，無法支持虛擬仿真實驗教學長期應用，使虛擬仿真實驗教學在技術成本方面形成一定門檻，難以在現有教育發展條件下實現大規模教育普及，使虛擬仿真實驗教學無法到達預期教育要求。

（二）虛擬仿真實驗教學資源開發能力不足

虛擬仿真技術是以計算機技術應用為基本載體，技術內核仍然基于計算機圖像處理技術延伸而來。計算機圖像處理、編輯成本相對較高，僅依賴信息技術共享平臺單方面提供技術支持，難以保證虛擬仿真技術在實驗教學中應用有效性。受限于技術成本及技術條件，在“實驗空間”技術平臺中部分虛擬仿真實驗模本，普遍存在圖像處理質量較差及仿真處理效果不足問題，無法切實發揮虛擬仿真技術沉浸性、交互性及構想性基本優勢，降低了虛擬仿真實驗教學基本質量。此外，由于信息共享平臺技術開放主體尚不明確，使虛擬仿真實驗課程設計，僅能針對部分簡單實驗課程教學提供教育幫助，無法將復雜及難度較高的實驗課程采用虛擬仿真形式加以呈現，進一步限制了虛擬仿真技術功能使用，促使虛擬仿真實驗教學質量大打折扣。

（三）虛擬仿真實驗教學對接管理平臺單一

我國虛擬仿真實驗教學平臺，主要是以“實驗空間”為主，由于虛擬仿真實驗教學尚未實現大規模商業化推廣，導致現階段虛擬仿真實驗教學課程設計無法滿足多元化實驗教學需求。加之各地區不同學科對專業實驗課程要求各不相同，使虛擬仿真資源共享平臺無法針對不同地區、不同學科對實驗教學要求，有針對性地進行教育資源優化，導致虛擬仿真實驗教學效率及質量有所降低。未來階段，高校對虛擬仿真實驗教學技術運用，應建立完善實驗教學發展體系，根據不同地區高校、學科虛擬仿真實驗教學需求，建立完整的信息化教育發展新生態，提高虛擬仿真實驗教學教育質量、教育有效性，使虛擬仿真實驗教學切實成為高校教育發展不可或缺的組成部分，為虛擬仿真實驗教學技術應用更好地適應時代新環境奠定良好的根基。

四、基于“互聯網+”背景下高校虛擬仿真實驗教學體系的構建方法及應用策略

（一）提升高校虛擬仿真實驗教學教育對接能力

加強高校教育對接能力，其目的在于彌補高校虛擬仿真實驗教學資源不足問題，使高校虛擬仿真實驗教學能突破技術門檻限制，更好地完善虛擬仿真實驗教學體系。在此過程中，高校要根據自身實驗教學需求，從平臺對接、高校對接及企業對接三個維度同時開展虛擬仿真實驗教學。改變傳統模式下單一平臺對接教育輸出，使高校能通過與不同地區重點院校、相關企業教育合作，獲取更多元虛擬仿真實驗教學內容，利用自身教育優勢開展系統化虛擬仿真教育聯動，以混合式教學為基本載體，拓寬虛擬仿真實驗教學適用范圍，使虛擬仿真實驗教學能解決高校實驗教學多方面基礎問題，有效改變高校虛擬仿真實驗教學發展現狀，為其更好地運用虛擬仿真實驗教學提高教育質量夯實基礎。

（二）開放虛擬仿真實驗教學商業化教育推廣

當前，我國虛擬仿真實驗教學發展尚未基于商業化推廣建立虛擬仿真教學生態圈。導致不同學科、不同專業及不同高校虛擬仿真實驗教學質量存在較大差異。而開放虛擬仿真實驗教學商業化發展，則能基于建立市場競爭環境，實現對虛擬仿真實驗教學資源質量提升。從教育發展本質上來說，不同專業對于虛擬仿真實驗教學資源應用需求具有較大差異，利用市場競爭促進教育發展良性循環，則能從根本上彌補虛擬仿真實驗教學資源不足問題，使虛擬仿真實驗教學可以在商業化發展推動下，進一步強化與相關企業之間教育合作關系，打破傳統模式下虛擬仿真實驗教學技術壟斷，使該項技術能真正意義上成為高校人才教育培養重要基礎，為高校開拓虛擬仿真實驗教學發展新路徑創造積極條件。

（三）推動虛擬仿真實驗教學多端口協同開展

現階段，虛擬仿真實驗教學開展，大部分仍然是以PC 端計算機設備應用為主。之所以基于計算機設備開展虛擬仿真實驗教學工作，主要由于計算機設備性能參數能達到虛擬仿真技術應用需求。未來階段，智能通信設備性能參數提升，將打破現有教育條件限制，以移動端設備為主體虛擬仿真實驗教學，將成為主流的教育發展方向。為此，高校應針對技術應用未來化發展，做好對虛擬仿真實驗教學技術創新，積極利用與企業教育合作，做好多端口虛擬仿真實驗教學優化，運用不同端口之間的信息交互，使虛擬仿真實驗教學能在任何時間及任意地點均可有效開展，進一步突破環境因素及條件因素對虛擬仿真實驗教學的限制，使虛擬仿真實驗教學能切實滿足更多教育發展需求。

（四）建立完善虛擬仿真實驗教學的課程管理體系

建立完善虛擬仿真實驗教學管理體系可以更好地彌補虛擬仿真實驗教學部分基礎不足。教學管理體系的建立主要基于以下兩項內容：第一，是根據虛擬仿真實驗教學需求，對教學實踐過程中存在的問題進行記錄，并向資源共享平臺、資源開發者及有關企業進行反饋，幫助企業及教育機構進行資源優化，使虛擬仿真實驗教學課程內容能與該學科教學需求保持一致；第二，規范教學實驗流程，提高虛擬仿真實驗教學標準化水平，使仿真實驗課程教學能真正意義上發揮實際教育優勢，從根本上保證虛擬仿真實驗課程教學的有效性，避免教育實踐發展形式化問題，為虛擬仿真實驗教學更好地融入高校教育發展體系提供切實保障。

五、結語

綜上所述，高校虛擬仿真實驗教學體系的建立，對提高虛擬仿真實驗教學質量具有積極影響。高校應基于當前階段仿真實驗教學現狀，以互聯網+教育發展為載體，做好對虛擬仿真實驗教學體系優化，不斷彌補虛擬仿真實驗教學內容的缺失，開拓虛擬仿真實驗教學多元化發展路徑，為未來階段高校適應虛擬仿真實驗教育發展新環境做好充足準備。