淺談在線虛擬仿真課程中裝備仿真的運(yùn)用

王碩，錢坤

（陸軍工程大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210000）

近十多年傳統(tǒng)在線課程正處于飛速發(fā)展中，建設(shè)課程數(shù)量、種類越來越多，參與課程的人數(shù)與日俱增，但問題和質(zhì)疑也隨之而來。以文字、視頻為主的傳統(tǒng)在線課程可以很好地滿足理論教學(xué)需要，然而，對于具有很強(qiáng)實(shí)踐性的學(xué)科，諸如化學(xué)、機(jī)械、護(hù)理學(xué)等，實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)是必不可少的教學(xué)環(huán)節(jié)，僅僅依靠視頻講解，缺乏實(shí)際操作是很難滿足實(shí)踐教學(xué)的需要。因此，在線教育亟需一種全新的手段幫助更新教育理念、深化教學(xué)改革、形成創(chuàng)新型的培養(yǎng)模式。隨著虛擬仿真技術(shù)商業(yè)化程度加深，它越來越被普羅大眾所熟知，其獨(dú)特的交互方式使得它成為教育領(lǐng)域的寵兒，被視為一種具有顛覆性的教育手段。當(dāng)在線課程與虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合，便形成了一種新型的在線教育模式——在線虛擬仿真課程。

1 在線虛擬仿真課程和傳統(tǒng)在線課程的差異

總的來說，在線虛擬仿真課程的概念相對較窄，而傳統(tǒng)在線課程更為寬泛。目前來看，在線虛擬仿真課程是傳統(tǒng)在線課程的一個(gè)相對獨(dú)立的特殊分支。

1.1 課程范圍不同

傳統(tǒng)在線課程是為學(xué)習(xí)者提供多樣學(xué)習(xí)的需要，為推進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合而開展建設(shè)，其范圍比較寬泛，可以是理論課、實(shí)驗(yàn)課或者兩者兼有的課程，是真實(shí)課程的網(wǎng)絡(luò)化，并不強(qiáng)調(diào)虛擬化和仿真。與傳統(tǒng)在線課程（含微課、SPOC、MOOCs、網(wǎng)絡(luò)公開課等）相比，在線虛擬仿真課程范圍是以實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐和相關(guān)教學(xué)資源為主體，通過虛擬仿真技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)平臺上模擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)環(huán)境完成課程教學(xué)，可以用來彌補(bǔ)真實(shí)世界不具備或是難以完成的教學(xué)內(nèi)容。

1.2 信息載體不同

傳統(tǒng)在線課程的主要信息載體是視頻類，通過對教學(xué)內(nèi)容教學(xué)過程的錄播、直播形成的視頻的傳播，完成學(xué)習(xí)信息的傳遞，可以補(bǔ)充其他資源例如動畫、音頻、操作軟件等，以看、聽為主；而在線虛擬仿真課程的主要信息載體三維模型、交互軟件、虛擬仿真設(shè)備（如VR頭盔、MR頭顯、AR眼鏡等），通過提前預(yù)設(shè)的程序展現(xiàn)，在對信息載體的認(rèn)識、編輯、控制、操作的交互過程中，完成學(xué)習(xí)信息的傳遞。

1.3 建設(shè)路徑不同

在線虛擬仿真課程建設(shè)技術(shù)難度大，硬件條件要求高，單獨(dú)依靠高校力量很難完成課程的建設(shè)任務(wù)，提倡高校為主、校企合作的模式，主要是彌補(bǔ)高校懂專業(yè)、不懂技術(shù)的狀況，高校提供需求，企業(yè)提供技術(shù)；而傳統(tǒng)在線課程在對軟件、硬件、技術(shù)方面的要求相對較低，甚至教師個(gè)人就可完成建設(shè)任務(wù)，因此倡導(dǎo)的是“高校主體、政府支持、社會參與”的方式，高校牽頭建設(shè)，企業(yè)輔助配合。

2 在線虛擬仿真課程的特點(diǎn)

2.1 沉浸性

沉浸性是指學(xué)習(xí)者借助顯示、音效、力反饋等設(shè)備將自己的視覺、聽覺、感覺完全融入網(wǎng)絡(luò)營造的虛擬環(huán)境，讓學(xué)習(xí)者感覺自己已成為虛擬環(huán)境的一個(gè)組成部分，從而從被動的觀察者變成了主動的參與者。

2.2 交互性

交互性指學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)課程的雙向互動程度。在線虛擬仿真課程不同于傳統(tǒng)在線課程的“你講我聽”，它有大量的交互，這種交互并不是簡簡單單的點(diǎn)擊，而是需要學(xué)習(xí)者通過觀察、思考后對虛擬對象精確地操作，而不同的動作又會反饋給學(xué)習(xí)者不同的結(jié)果，直至達(dá)到預(yù)期的學(xué)習(xí)效果。

2.3 針對性

針對性是指滿足不同學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中的學(xué)習(xí)需求。傳統(tǒng)在線課程給每個(gè)學(xué)習(xí)者的課程資源是一樣的，學(xué)習(xí)者至多可以改變學(xué)習(xí)順序、學(xué)習(xí)時(shí)間長度，學(xué)習(xí)針對性不強(qiáng)。而在線虛擬仿真課程賦予學(xué)習(xí)者極大權(quán)限，可以定制學(xué)習(xí)內(nèi)容，優(yōu)化學(xué)習(xí)過程，嘗試解決問題的不同方法。如在虛擬的化學(xué)實(shí)驗(yàn)課中，學(xué)習(xí)者可自由改變物料比得到不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)課程的個(gè)性化。

3 在線虛擬仿真課程的優(yōu)勢

3.1 在線虛擬仿真課程是“學(xué)為主體”的必然要求

在線虛擬仿真課程的整個(gè)學(xué)習(xí)過程是依靠學(xué)習(xí)者自己結(jié)合系統(tǒng)的引導(dǎo)，主觀能動地探究知識，進(jìn)行啟發(fā)式的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)者是課堂的唯一主體，成為知識的信息加工者。教師的作用體現(xiàn)在腳本的設(shè)計(jì)上，不再進(jìn)行單方向的知識灌輸。真正讓學(xué)習(xí)者能擺脫施教者的影響，充分挖掘自己學(xué)習(xí)的潛能，構(gòu)建自己的知識體系架構(gòu)，貫徹了“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，這點(diǎn)正是高素質(zhì)人才所要培養(yǎng)的。

3.2 在線虛擬仿真課程是實(shí)驗(yàn)實(shí)踐類課程的創(chuàng)新發(fā)展

在線虛擬仿真課程對于實(shí)驗(yàn)實(shí)踐類課程有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，例如，很多專業(yè)課都是要結(jié)合真實(shí)部件進(jìn)行現(xiàn)場授課的，虛擬仿真技術(shù)可以讓學(xué)習(xí)者在任何時(shí)間、地點(diǎn)進(jìn)入構(gòu)建的虛擬世界，并能實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者對虛擬對象進(jìn)行無異于真實(shí)世界的交互訓(xùn)練，如對汽車駕駛與互動訓(xùn)練等，實(shí)現(xiàn)了學(xué)習(xí)者和課程內(nèi)容的互動，讓學(xué)習(xí)者更加沉浸其中。這種新穎的教學(xué)手段極大地增加了課堂的趣味性，更加能刺激學(xué)習(xí)者內(nèi)在的學(xué)習(xí)動機(jī)，提升學(xué)習(xí)效果。

3.3 在線虛擬仿真課程是個(gè)性化自主探索式學(xué)習(xí)的具體體現(xiàn)

在線虛擬仿真課程將教師的啟發(fā)引導(dǎo)轉(zhuǎn)化為預(yù)先設(shè)置的程序、腳本，并將教學(xué)環(huán)境和教學(xué)內(nèi)容融為一體，使得學(xué)習(xí)者可以自主學(xué)習(xí)和協(xié)作交流，從而完成觀察、操作、質(zhì)疑、猜想、探究、推理等富有創(chuàng)造性的一系列活動。由于在線虛擬仿真課程提供的學(xué)習(xí)內(nèi)容是可編輯、可探索和可交互的，這使得學(xué)習(xí)者能夠在知識的探索中形成自己特有的學(xué)習(xí)個(gè)性，并能組建自己特有的知識體系。

4 在線虛擬仿真課程的分類

4.1 嵌入式與外掛式

根據(jù)在線虛擬仿真課程是否獨(dú)立運(yùn)行，可以分為嵌入式和外掛式，前者將虛擬仿真模塊嵌入到網(wǎng)頁中，并形成有機(jī)整體，共同運(yùn)行；后者雖然也通過網(wǎng)絡(luò)管理，但需要下載后，以EXE或APP的形式獨(dú)立運(yùn)行,其中EXE版運(yùn)行在Windows系統(tǒng)上,APP版運(yùn)行在安卓、蘋果等系統(tǒng)上。

4.1.1 嵌入式

嵌入式在線虛擬仿真課程是指課程所有的內(nèi)容均在線上完成，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K嵌入到在線開放課程的平臺中，滿足對虛擬實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)的需要。以《液壓與氣壓傳動》在線虛擬仿真課程為例，整個(gè)課程實(shí)施離不開網(wǎng)絡(luò)平臺，而這個(gè)平臺的構(gòu)成要素和一般在線開放課程基本一致，都包含學(xué)習(xí)資源、在線測試、在線交流等要素。但學(xué)習(xí)資源中融入了“回路仿真”、“虛擬元件庫”等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K，學(xué)習(xí)者可以依托網(wǎng)絡(luò)平臺進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，拓展了虛擬教室的功能作用。

4.1.2 外掛式

外掛式在線虛擬仿真課程的虛擬仿真模塊不再嵌入到一般在線開放課程平臺中，獨(dú)立運(yùn)行，多用于輔助線下教學(xué)。課程以虛擬實(shí)驗(yàn)、訓(xùn)練為主，強(qiáng)化學(xué)習(xí)者和課程內(nèi)容間的交互，注重操作、技能的培養(yǎng)，將答疑解惑、主題研討、在線交流等教學(xué)活動移至線下。以《汽車結(jié)構(gòu)與維修》課程為例，其主體功能包括結(jié)構(gòu)組成、工作原理、虛擬拆裝、考核評估等，學(xué)生可以通過APP方式在本機(jī)運(yùn)行和學(xué)習(xí)，但是系統(tǒng)后臺會適時(shí)采集學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)，包括學(xué)習(xí)進(jìn)度、考核成績等信息，便于后期查詢、分析、統(tǒng)計(jì)。

4.2 固定式和移動式

根據(jù)在線虛擬仿真課程客戶端設(shè)備是否移動，可以分為固定式和移動式，前者一般在普通電腦終端等不易移動設(shè)備上運(yùn)行，后者通過可移動XR設(shè)備（包括VR虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備、AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備、MR混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備等）進(jìn)行交互。

4.2.1 固定式

固定式在線虛擬仿真課程可通過鍵盤、鼠標(biāo)、激光筆等輸入設(shè)備對教學(xué)資源進(jìn)行漫游式學(xué)習(xí)。該類課程具有3個(gè)層次的漫游形式：

單純式。學(xué)習(xí)者使用鍵盤鼠標(biāo)在立體逼真虛擬場景中漫游，比如對一些機(jī)械零部件的結(jié)構(gòu)組成學(xué)習(xí)就可以采用單純式漫游，學(xué)習(xí)者通過拖動鼠標(biāo)左鍵、按下鼠標(biāo)中鍵（滾輪）、滾動鼠標(biāo)滾輪分別實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、左右平移、放大和縮小場景和模型等操作。

互動式。根據(jù)課程要求，在單純式的基礎(chǔ)上，對某些虛擬對象增加交互功能，學(xué)習(xí)者根據(jù)自身需求點(diǎn)擊激活需要詳細(xì)了解的部分，虛擬對象顯示知識內(nèi)容或提示操作步驟，達(dá)到交互操作的效果。比如對機(jī)械零部件檢修的學(xué)習(xí)訓(xùn)練，就可以采用互動式實(shí)現(xiàn)零部件拆裝、維修等虛擬操作。

含邏輯屬性式。根據(jù)運(yùn)動學(xué)、物理學(xué)、力學(xué)、化學(xué)等邏輯屬性的算法提前對虛擬對象的自身運(yùn)動或者交互運(yùn)動進(jìn)行編輯，當(dāng)學(xué)習(xí)者觸發(fā)相應(yīng)操作時(shí)，實(shí)現(xiàn)虛擬對象的逼真動作。比如在挖掘機(jī)操作的虛擬訓(xùn)練時(shí)，設(shè)計(jì)挖掘機(jī)各部件的動作，使學(xué)習(xí)者在交互過程中獲得真實(shí)的動作效果。

4.2.2 移動式

移動式在線虛擬仿真課程是指結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，利用VR頭盔、定位頭套、數(shù)據(jù)手套、手柄、AR眼鏡等可穿戴設(shè)備進(jìn)行交互學(xué)習(xí)。此類課程的沉浸感、交互性大大提升，VR頭盔生成和真實(shí)世界相似的虛擬世界，讓學(xué)習(xí)者完全沉浸在其中，并通過數(shù)據(jù)手套等傳感器，和虛擬世界中的事物進(jìn)行交互，這種交互不在是單純漫游式的交互，而是更加多維度的、更加趨近于真實(shí)世界的深度交互，其課程體驗(yàn)具有極強(qiáng)的真實(shí)感。例如，基于虛擬現(xiàn)實(shí)的深水水下應(yīng)急維修仿真系統(tǒng)可為無經(jīng)驗(yàn)的工程人員提供維修培訓(xùn)，使之在低成本前提下極大提高對實(shí)際事故快速處置的能力與維修操作的精度，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。可穿戴在線虛擬仿真課程為學(xué)習(xí)者提供了一個(gè)更加有效的學(xué)習(xí)途徑，但由于需要專門的設(shè)備，以及技術(shù)發(fā)展的限制，課程還尚未真正普及。

4.3 其它分類方式

從面向產(chǎn)業(yè)看，在線虛擬仿真課程可以分為第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)課程。以第一產(chǎn)業(yè)為例，課程可以包括農(nóng)田灌溉虛擬仿真、農(nóng)場播種虛擬仿真、水利工程虛擬仿真等。

從所屬專業(yè)看，在線虛擬仿真課程可以分為馬克思主義、法學(xué)、建筑、物理、電器、地質(zhì)、醫(yī)學(xué)、軍事等課程。以建筑為例，課程可以包括建筑設(shè)計(jì)虛擬仿真、高層建筑防火與消防疏散虛擬仿真等。

從受眾層次看，在線虛擬仿真課程可以分為大學(xué)、中小學(xué)、社會群眾課程。以社會群眾為例，課程可以包括新冠疫情科普虛擬仿真、新冠疫苗接種虛擬仿真等。

5 在線虛擬仿真課程的發(fā)展趨勢

在線虛擬仿真課程既是在線教育的特殊分支，也是在線教育的發(fā)展方向。隨著“開放共享”“知識公益”“終身學(xué)習(xí)”等理念逐步傳播，瀏覽器性能逐步強(qiáng)大，XR設(shè)備功能逐步強(qiáng)大，在線虛擬仿真課程伴隨著在線教育的快速興起，也在不斷壯大和發(fā)展。在我國，“國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”（2014）、“國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目”（2019）、“虛擬仿真‘金課’”（2019）等建設(shè)項(xiàng)目加快了虛擬仿真技術(shù)和高等教育的融合，推動了在線虛擬仿真課程的進(jìn)一步發(fā)展。

5.1 專業(yè)門類更加齊全

根據(jù)國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺，目前已經(jīng)由2079個(gè)專業(yè)開展了在線虛擬仿真課程，包括法學(xué)類15個(gè)、建筑類21個(gè)。但是海洋科學(xué)類、材料類、自動化類、公安技術(shù)類還處于空白狀態(tài)，后期相關(guān)專業(yè)肯定會越來越豐富。

5.2 社會參與更加廣泛

隨著在線虛擬仿真課程的不斷推進(jìn)，各類社會組織參與的積極性必然顯著增強(qiáng)，也是大眾了解相關(guān)產(chǎn)品的必然需求。這里的參與度包括2個(gè)方面，一是各類公司利用仿真課程向公眾展示其產(chǎn)品；二是公司參與到政府、高校等機(jī)構(gòu)的教育學(xué)習(xí)活動中，通過研制相關(guān)在線課程來獲取公司效益。

5.3 仿真設(shè)備不斷涌現(xiàn)

HTC已經(jīng)衍生出多款VR頭盔，AR眼鏡也不斷涌現(xiàn)，包括Google、華為、愛普生等，MR典型代表HoloLens也推出了第二代產(chǎn)品。

5.4 技術(shù)手段更加先進(jìn)

隨著科技的發(fā)展，在線虛擬仿真課程的技術(shù)手段必然會越來越先進(jìn)，包括硬件設(shè)備、軟件性能、網(wǎng)絡(luò)承載、資源檢索等。其中，在線虛擬仿真課程的資源檢索，利用爬蟲工具搜索并獲取現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上的MOOCs資源，并嵌入到當(dāng)前課程中。

5.5 虛擬考核更加科學(xué)

在線虛擬仿真課程不僅僅包含普通教學(xué)功能，還會結(jié)合云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等手段進(jìn)行虛擬考核，并適時(shí)采集考核過程與結(jié)果數(shù)據(jù)，使考核更加科學(xué)，數(shù)據(jù)更加精確，分析更加全面。通過這些考核，形成一定的學(xué)分，便于各類院校、企業(yè)對人才的認(rèn)定。此外，虛擬考核也可以為當(dāng)前各級政府大力推廣的學(xué)分銀行建設(shè)提供重要支撐和依據(jù)。