虛擬仿真技術(shù)在高等教育課程中的應(yīng)用實踐與思考

摘 要：隨著科技的飛速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)成為高等教育中越來越重要的教學(xué)工具，該文對虛擬仿真技術(shù)在高等教育課程中的應(yīng)用進(jìn)行實踐和思考。首先，介紹虛擬仿真技術(shù)的概念、特點以及在高等教育中的應(yīng)用現(xiàn)狀，總結(jié)該技術(shù)的優(yōu)點和挑戰(zhàn)。其次，以智慧園藝課程中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)實踐為例，分析虛擬仿真技術(shù)在高等教育課程中進(jìn)行應(yīng)用存在的問題，并提出建議。最后，對虛擬仿真技術(shù)在高等教育課程中應(yīng)用的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行分析思考，旨在促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量提升、創(chuàng)新人才的培養(yǎng)和高校的高質(zhì)量發(fā)展。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；高等教育；智慧園藝；應(yīng)用實踐；提升對策

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）23-0114-04

Abstract： With the rapid development of science and technology， virtual simulation technology has become an increasingly important teaching tool in higher education. Virtual simulation technology can simulate various scenes and environments in the real world， provide students with real and comprehensive practical experience， and play an important role in improving students' practical ability and improving teaching quality. In this paper， the application of virtual simulation technology in higher education courses is practiced and thought. We introduced the concept， characteristics and application status of virtual simulation technology in higher education， summarized the advantages and challenges of this technology. Taking the teaching practice of applying virtual simulation technology in the course of Intelligent Horticulture as an example， we analyzed the problems existing in the application of virtual simulation technology in higher education courses， and put forward some suggestions for improvement in this paper. Finally， this paper put forward some thoughts on the application of virtual simulation technology in higher education and analyzes the future development trend， aiming at promoting the improvement of teaching quality， the training of innovative talents and the high-quality development of schools.

Keywords： virtual simulation; higher education; Intelligent Horticulture; application practice; promotion countermeasure

隨著科技的飛速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)成為了高等教育中越來越重要的教學(xué)工具。虛擬仿真技術(shù)能夠模擬真實世界中的各種場景和環(huán)境，提供給學(xué)生真實而全面的實踐經(jīng)驗，對于提高學(xué)生的實踐能力和提升教學(xué)質(zhì)量有著重要的作用。本文將探討虛擬仿真技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用及其未來的發(fā)展趨勢。

一 虛擬仿真技術(shù)的定義與特點

虛擬仿真技術(shù)是一種通過計算機(jī)技術(shù)創(chuàng)造出來的虛擬環(huán)境，這個環(huán)境可以模擬真實世界中的物理現(xiàn)象、環(huán)境條件、物體狀態(tài)等，也可以構(gòu)建出虛構(gòu)的、超越現(xiàn)實的環(huán)境。它結(jié)合了計算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互、物理模擬等多個領(lǐng)域的技術(shù)，能夠提供沉浸式的體驗，讓用戶如同身臨其境。

虛擬仿真技術(shù)具有以下特點[1]。

高度逼真：虛擬仿真技術(shù)可以創(chuàng)建出非常逼真的虛擬環(huán)境，能夠模擬出實際場景中的各種細(xì)節(jié)和特征，使得師生能夠身臨其境地感受虛擬環(huán)境。

交互性強：虛擬仿真技術(shù)可以實現(xiàn)用戶與虛擬環(huán)境的交互，師生可以通過各種方式與虛擬對象進(jìn)行交互，如觸摸、移動、旋轉(zhuǎn)等，從而增強師生的參與感和沉浸感。

高度靈活：虛擬仿真技術(shù)可以隨時隨地地進(jìn)行模擬和實驗，師生可以在任何時間、任何地點進(jìn)行操作和體驗，同時還可以隨時更改虛擬環(huán)境和實驗條件，從而獲得更加靈活和多樣化的實驗結(jié)果[2]。

高度可靠：虛擬仿真技術(shù)可以避免傳統(tǒng)實驗中可能出現(xiàn)的風(fēng)險和危險，例如在模擬實驗中不會造成任何物理傷害或財產(chǎn)損失，同時還可以通過數(shù)據(jù)分析和模擬預(yù)測來提高實驗的可靠性和準(zhǔn)確性。

高度經(jīng)濟(jì)：虛擬仿真技術(shù)可以節(jié)省大量的實驗成本和時間成本，尤其是在需要進(jìn)行大量實驗或復(fù)雜實驗的情況下，可以減少實驗所需的人力、物力和財力投入，同時還可以通過模擬預(yù)測來優(yōu)化實驗方案和減少不必要的實驗次數(shù)。

二 當(dāng)前虛擬仿真技術(shù)在高等教育中的應(yīng)用

自2018年教育部公布首批國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目至今，教育部已認(rèn)定了1 200門虛擬仿真實驗教學(xué)國家級一流本科課程，利用虛擬仿真技術(shù)作為新的教學(xué)手段成為了教育領(lǐng)域的新亮點[3]。對不同高校的一流本科虛擬仿真課程數(shù)量統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，山東大學(xué)和天津大學(xué)各有16門課程，數(shù)量位居榜首，擁有10門及以上國家級一流本科虛擬仿真課程的高校有20所（圖1）。對課程的學(xué)科類型進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)管理類的國家級虛擬仿真課程最多，有80門，機(jī)械類（71門）和臨床醫(yī)學(xué)類（68門）緊隨其后，分列第二和第三（圖2）。

目前的虛擬仿真技術(shù)在高等教育課程中主要有以下幾類應(yīng)用場景。

實驗?zāi)M：在科學(xué)、工程、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，實驗是提高學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新意識的重要手段。然而，由于設(shè)備昂貴、操作危險等原因，很多實驗無法在課堂上進(jìn)行。虛擬仿真技術(shù)可以模擬實驗環(huán)境，讓學(xué)生通過計算機(jī)進(jìn)行實驗操作，提高實驗的安全性和效率[4]。例如，中山大學(xué)建設(shè)的活髓切斷術(shù)虛擬仿真實驗課程，將活髓切斷這一不可逆的治療過程可視化、虛擬化，使學(xué)生在無創(chuàng)性、無風(fēng)險、低成本和可重復(fù)的前提下，熟練掌握活髓切斷術(shù)的檢查、診斷、治療計劃的制定以及操作技術(shù)，高效地得到該技能的全面訓(xùn)練[5]。

技能訓(xùn)練：在職業(yè)教育和技能培訓(xùn)中，虛擬仿真技術(shù)可以模擬實際工作環(huán)境，幫助學(xué)生掌握實際操作技能。例如，南京特殊教育師范學(xué)院建設(shè)的《特殊兒童教育與康復(fù)虛擬仿真實驗》將有助于特教教師形成特殊兒童教育與康復(fù)的職業(yè)素養(yǎng)，通過在線虛擬仿真教學(xué)，快速掌握孤獨癥等特殊兒童教育與康復(fù)綜合實踐的知識要領(lǐng)，從而具備為特殊兒童教育與康復(fù)提供高質(zhì)量的專業(yè)服務(wù)技能[6]。

遠(yuǎn)程教育：虛擬仿真技術(shù)可以用于遠(yuǎn)程教育，讓學(xué)生在家中或其他地方通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行學(xué)習(xí)。例如，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)建設(shè)的魚菜共生智能農(nóng)業(yè)經(jīng)營虛擬仿真實驗課程，通過虛擬教室，校內(nèi)外的學(xué)生可以在線聽老師講解知識，遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)智能農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式[7]。

科學(xué)研究：在科學(xué)研究中，虛擬仿真技術(shù)可以模擬自然現(xiàn)象、社會現(xiàn)象等，為科學(xué)研究提供數(shù)據(jù)和支持。例如，湖北大學(xué)建設(shè)的隱域性植被——亞熱帶山地泥炭蘚沼澤濕地植被調(diào)查與觀測虛擬仿真實驗課程，利用無人機(jī)航拍、全景攝影等技術(shù)，將泥炭蘚的形態(tài)構(gòu)造、生態(tài)功能、群落物種組成等核心要素虛擬仿真。學(xué)生不僅可熟悉泥炭蘚濕地植被的生態(tài)功能及主要植物種類，掌握其含水量、地下水位、泥炭沉積測年等調(diào)查測量方法，還能歸納隱域性植被地理分布與演化規(guī)律，探討保護(hù)策略[8]。

三 案例分析與實踐

為了更好地說明虛擬仿真技術(shù)在高等教育課程中的應(yīng)用效果和價值，以下以智慧園藝課程為例進(jìn)行案例分析。在鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略背景下，包括智慧園藝在內(nèi)的智慧農(nóng)業(yè)是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要方向。發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)不僅是國家戰(zhàn)略，也是涉農(nóng)高校建設(shè)的焦點[9]。在這個背景下，越來越多的高校開設(shè)了智慧園藝課程。該課程是以智能控制、機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析為中心，以農(nóng)業(yè)設(shè)施設(shè)計與建造、園藝植物生物信息學(xué)、智慧園藝植物育種、智慧園藝植物生產(chǎn)技術(shù)和農(nóng)產(chǎn)品物流管理為主體，將農(nóng)科與理工學(xué)科交叉融合的特色課程。

筆者在講授智慧園藝課程中的“基因編輯育種”內(nèi)容時采用了虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行實驗教學(xué)。該實驗教學(xué)內(nèi)容主要利用南昌大學(xué)建設(shè)的國家級一流虛擬仿真課程資源《基因編輯對擬南芥花藥發(fā)育及結(jié)構(gòu)的影響》（https：//www.ilab-x.com/details/page？id=3423），同時建議學(xué)生在課后自學(xué)《楊樹良種組培再生虛擬仿真實驗》（http：//lxxnfz.njfu.edu.cn/xnfzzy/index.html）課程補充和熟悉組培知識。

在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，學(xué)生需要通過實際操作各種實驗設(shè)備和儀器來了解掌握基因編輯育種獲得植物新種質(zhì)的流程。然而，由于真實的園藝植物基因編輯育種流程復(fù)雜、操作時間冗長等原因，使得實驗教學(xué)的難度和成本較高。通過采用虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生可以在計算機(jī)上學(xué)習(xí)基因編輯原理、基因編輯靶點的設(shè)計過程，模擬載體構(gòu)建、轉(zhuǎn)基因?qū)嶒灢僮?，不僅降低了實驗成本和風(fēng)險，還提高了實驗的可靠性和便捷性。

在具體的實施中，教師首先通過講解和演示虛擬仿真實驗系統(tǒng)的使用方法和注意事項，指導(dǎo)學(xué)生注冊并熟悉國家虛擬仿真實驗平臺的使用方法。先利用練習(xí)模式對實驗原理和過程進(jìn)行學(xué)習(xí)（圖3），之后再進(jìn)入考核模式進(jìn)行自主設(shè)計和完成實驗（圖4）。

學(xué)生在虛擬環(huán)境中可以自由選擇基因編輯靶點（圖5），進(jìn)行轉(zhuǎn)基因?qū)嶒?，以及分析是否獲得目標(biāo)性狀的基因編輯材料（圖6和圖7）。同時，系統(tǒng)還會自動記錄學(xué)生的操作過程和實驗數(shù)據(jù)，方便學(xué)生進(jìn)行結(jié)果分析和討論。通過這種方式，學(xué)生可以在更加自由和開放的環(huán)境中發(fā)揮自己的想象力和創(chuàng)造力，提高實驗課程的學(xué)習(xí)效果和質(zhì)量。

四 虛擬仿真技術(shù)在高等教育中的挑戰(zhàn)與對策

雖然虛擬仿真技術(shù)在高等教育中具有重要的應(yīng)用價值，廣泛的應(yīng)用前景和一定的應(yīng)用基礎(chǔ)，但也面臨著一些挑戰(zhàn)[10]。以下是幾個主要的挑戰(zhàn)。

技術(shù)成本：虛擬仿真技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用需要大量的資金投入。一方面，高校需要購買和維護(hù)虛擬仿真技術(shù)的設(shè)備和軟件，大部分項目采購達(dá)到百萬級別，甚至千萬級別；另一方面，高校需要投入人力物力進(jìn)行教師培訓(xùn)和技術(shù)支持。對于一些經(jīng)濟(jì)條件有限的高校，這是一項巨大的挑戰(zhàn)。

技術(shù)難度：虛擬仿真技術(shù)的使用需要一定的技術(shù)能力和經(jīng)驗。教師需要掌握相關(guān)的技術(shù)和工具，能夠設(shè)計和開發(fā)符合教學(xué)需求的虛擬仿真實驗和培訓(xùn)項目。同時，學(xué)生也需要具備一定的計算機(jī)操作能力和學(xué)習(xí)主動性，能夠自主使用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和實踐。

教育適用性：雖然虛擬仿真技術(shù)具有很多優(yōu)點，但并不是所有的教學(xué)內(nèi)容都適合使用虛擬仿真技術(shù)。有些實驗和技能操作需要真實的設(shè)備和環(huán)境才能達(dá)到最好的教學(xué)效果[11]。因此，高校需要選擇合適的教學(xué)內(nèi)容和使用方式，充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢[12]。

平臺開放性：目前不少高校已經(jīng)建立了虛擬仿真實驗教學(xué)平臺或中心，但是存在開放度不高、注冊流程復(fù)雜、校外使用卡頓和需要額外下載軟件等問題。目前國家虛擬仿真實驗平臺（https：//www.ilabx.com）中只收錄了297門虛擬仿真實驗教學(xué)課程，其中一流課程30門，只占已認(rèn)定一流虛擬課程的2.5%。大部分課程只能通過在課程建設(shè)高校的平臺進(jìn)行注冊獲得資源，這就導(dǎo)致需要進(jìn)行多次注冊。

針對以上挑戰(zhàn)，高校及相關(guān)教育管理機(jī)構(gòu)可以采取以下對策。

增加虛擬仿真技術(shù)的投入。為了滿足高等教育日益增長的需求，我們需要加大對虛擬仿真技術(shù)的投入。這包括提供更多的硬件設(shè)備、軟件開發(fā)和維護(hù)以及人員培訓(xùn)等方面的投入。只有通過持續(xù)的投入，我們才能確保虛擬仿真技術(shù)在高等教育中得到廣泛的應(yīng)用和推廣。

強化教師培訓(xùn)。教師是虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵因素。因此，我們需要加強對教師的培訓(xùn)，提高他們對虛擬仿真技術(shù)的認(rèn)識和應(yīng)用能力。通過培訓(xùn)，教師可以更好地理解和掌握虛擬仿真技術(shù)，從而更好地將其應(yīng)用于教學(xué)和科研中。

提高學(xué)生參與度。學(xué)生是虛擬仿真技術(shù)的直接受益者。為了充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)的作用，我們需要提高學(xué)生參與度。這可以通過增加學(xué)生對虛擬仿真技術(shù)的了解、提高學(xué)生對虛擬仿真技術(shù)的興趣以及提供更多的虛擬仿真技術(shù)課程等方式實現(xiàn)。

加強軟件開發(fā)和應(yīng)用研究。虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢在于其可以根據(jù)不同學(xué)科的需求進(jìn)行定制和優(yōu)化。因此，我們需要加強軟件開發(fā)和應(yīng)用研究，以滿足不同學(xué)科的需求。通過與學(xué)科專業(yè)的緊密結(jié)合，我們可以開發(fā)出更加符合實際需求的虛擬仿真軟件，從而更好地輔助教學(xué)和科研工作。

提高高校虛擬仿真課程和實驗教學(xué)平臺的開放度。加強資源共享，通過建立共享平臺，將各個專業(yè)的虛擬仿真課程和實驗教學(xué)資源進(jìn)行整合，方便不同專業(yè)的學(xué)生和教師共享使用。提高教師素質(zhì)，教師是虛擬仿真課程和實驗教學(xué)平臺的主要使用者之一，因此提高教師的素質(zhì)對于提高平臺的開放度至關(guān)重要。加強學(xué)生參與，高校應(yīng)該鼓勵學(xué)生積極參與虛擬仿真課程和實驗教學(xué)平臺的使用，提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。推廣宣傳，高校應(yīng)該加強對虛擬仿真課程和實驗教學(xué)平臺的推廣宣傳工作。通過校園網(wǎng)站、微信公眾號、宣傳冊等方式，向師生介紹虛擬仿真課程和實驗教學(xué)平臺的特點和使用方法[13]。

五 虛擬仿真技術(shù)的未來發(fā)展趨勢

隨著科技的不斷發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在高校教育中的應(yīng)用將更加廣泛。未來，我們可以預(yù)見以下幾個發(fā)展趨勢。（一） 虛實結(jié)合，形成更加真實的模擬環(huán)境

未來的虛擬仿真技術(shù)將更加注重真實感的模擬，包括動植物的生長過程、氣候變化、土壤質(zhì)量等。通過更加精細(xì)的建模和仿真技術(shù)，可以為學(xué)生提供一個更加真實的實踐環(huán)境，使他們在實踐中更好地理解和掌握知識[14]。

（二） 智能化輔助教學(xué)

虛擬仿真技術(shù)將結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實現(xiàn)智能化輔助教學(xué)。通過對學(xué)生的學(xué)習(xí)行為進(jìn)行分析，可以為每個學(xué)生提供個性化的學(xué)習(xí)建議和指導(dǎo)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

（三） 虛擬實踐與真實實踐的結(jié)合

虛擬仿真技術(shù)將與真實實踐相結(jié)合，形成虛實互補的教學(xué)模式。學(xué)生可以通過虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行模擬實踐，然后在真實環(huán)境中進(jìn)行實踐操作，使理論與實踐更好地結(jié)合[15]。

（四） 全球范圍內(nèi)的資源共享

虛擬仿真技術(shù)可以打破時間和空間的限制，實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的資源共享。未來，我們可以看到更多的國際合作項目，通過虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)跨文化、跨地域的教育交流。

六 結(jié)束語

虛擬仿真技術(shù)在高等教育中具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的價值。通過模擬真實世界的各種場景和現(xiàn)象，虛擬仿真技術(shù)不僅可以提高實驗教學(xué)的效果和質(zhì)量，還可以降低真實實驗的成本和風(fēng)險[16]。同時，虛擬仿真技術(shù)還可以為科研提供重要的輔助作用，促進(jìn)學(xué)科的發(fā)展和創(chuàng)新。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，虛擬仿真技術(shù)將在高等教育課程中發(fā)揮越來越重要的作用，成為推動高等教育發(fā)展的重要力量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉華，黃秋玉，孫喜妹.近十年國內(nèi)虛擬仿真技術(shù)在課程教學(xué)中應(yīng)用的可視化分析[J].中國教育技術(shù)裝備，2023（3）：4-7，14.

[2] 尹雋，李路路，齊新雷，等.虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)學(xué)習(xí)效果的影響因素研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2022，32（1）：64-74.

[3] 熊宏齊.虛擬仿真實驗教學(xué)助推理論教學(xué)與實驗教學(xué)的融合改革與創(chuàng)新[J].實驗技術(shù)與管理，2020，37（5）：14-16.

[4] 王雨雙，宋清華，鄭新奇.教育數(shù)字化背景下探索虛擬教研室高質(zhì)量發(fā)展的路徑[J].黑龍江教育（理論與實踐），2024（1）：4-7.

[5] 盧佳璇，林家成，楊鑫，等.牙髓切斷術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的應(yīng)用效果[C]//2022年中華口腔醫(yī)學(xué)會口腔醫(yī)學(xué)教育專業(yè)委員會第十七次學(xué)術(shù)年會，2022.

[6] 張鴻嫣.特殊兒童教育與康復(fù)虛擬仿真實驗教學(xué)現(xiàn)狀調(diào)查及教學(xué)建議[J].教師，2023（28）：84-86.

[7] 李巧璇，李晨光，萬俊毅.產(chǎn)教深度融合的新農(nóng)科新文科交融經(jīng)管類虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程建設(shè)[J].高教學(xué)刊，2023，9（29）：42-46.

[8] 李亭亭，余霜敏，莫家勇，等.亞熱帶山地泥炭蘚沼澤濕地植被調(diào)查與觀測[J].實驗室研究與探索，2023，42（5）：264-269.

[9] 李緒彥，賈承國，王晶瑩，等.園藝作物智慧生產(chǎn)型人才培養(yǎng)范式的構(gòu)建與實踐[J].智慧農(nóng)業(yè)導(dǎo)刊，2021，1（4）：65-68.

[10] 張敏，文福安，劉俊波.高校虛擬仿真教學(xué)環(huán)境構(gòu)建邏輯探討[J].實驗技術(shù)與管理，2023，40（3）：1-6.

[11] 何苗，豐蓉，婁志義，等.虛擬仿真實驗教學(xué)的現(xiàn)狀及展望[J].中學(xué)生物教學(xué)，2023（8）：16-18.

[12] 賀占魁，黃濤.虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)探索[J].實驗技術(shù)與管理，2018，35（2）：108-111，116.

[13] 劉亞豐，蘇莉，吳元喜，等.虛擬仿真教學(xué)資源開放共享策略探索[J].實驗技術(shù)與管理，2016，33（12）：137-141，145.

[14] 熊宏齊．國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目的新時代教學(xué)特征[J].實驗技術(shù)與管理，2019，36（9）：1-4.

[15] 金福寶，馬山剛，唐巖，等.西部地區(qū)高校虛擬仿真實驗教學(xué)的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2023，42（3）：87-91.

[16] 黃志高，鄭勇平，林應(yīng)斌，等.理工科虛擬仿真實驗項目建設(shè)的實踐與思考[J].福建師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2022，38（6）：94-100.

基金項目：2020年教育部新農(nóng)科研究與改革實踐項目“新農(nóng)科都市型園藝人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實踐”（無編號）；2021年北京高等教育本科教學(xué)改革創(chuàng)新項目“新農(nóng)科背景下都市型智慧園藝課程體系創(chuàng)新實踐”（無編號）

作者簡介：黃蕓（1989-），女，漢族，江西撫州人，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師。研究方向為園藝學(xué)。