職業學校虛擬仿真實訓資源的開發研究

摘要：虛擬仿真技術與教育教學的融合成為職業教育數字化發展的重要方向。虛擬仿真實訓資源能豐富學習體驗、拓展學習邊界、培養創新能力、打造個性化教學。虛擬仿真實訓資源開發流程主要包括確定實訓系統框架、開發虛擬實訓場景、設計實訓操作腳本、搭建虛擬仿真平臺、仿真系統部署運維、教學應用演示培訓等環節。

關鍵詞：實訓資源；虛擬仿真；職業教育

中圖分類號：G712 文獻標志碼：A 文章編號：1673-9094（2024）09-0086-04

一、職業教育虛擬仿真實訓資源及其開發

虛擬仿真技術是一種利用計算機技術生成一個逼真的三維虛擬環境，并通過特殊的交互設備使用戶沉浸其中，實現與虛擬世界進行自然交互的技術。它結合了計算機圖形學、仿真技術、人機交互技術、多媒體技術等多個領域的知識，通過模擬真實世界的物理規律和行為，創建出一個高度逼真的虛擬環境。虛擬仿真技術的發展歷程可以劃分為物理仿真（1920—1930年代）、模擬仿真（1940—1950年代）、數字仿真（1960—1980年代）、現代虛擬仿真（1980年代至今）四個階段。目前，虛擬仿真技術還在不斷融合新的元素，如增強現實和人工智能，為用戶提供更加沉浸化和智能化的體驗。虛擬仿真技術具有多感知性、交互性、自主性等特征。

職業教育虛擬仿真實訓資源的開發正處于一個蓬勃發展的階段。國家對于職業教育虛擬仿真實訓資源的開發高度重視。例如，教育部提出了建設職業教育虛擬仿真實訓基地的計劃，旨在利用虛擬現實、數字孿生等新一代信息技術，開發資源、升級設備、構建課程、組建團隊，革新傳統實訓模式。計劃到2025年建成200個左右全國示范性虛擬仿真實訓基地，并帶動各地1000個左右區域示范性虛擬仿真實訓基地建設[1]。

2024年4月，筆者以中國知網CNKI為主要檢索平臺，以“虛擬仿真實訓”為主題共檢索到學術期刊、學位論文、會議等文獻共計666篇，文獻發表時間集中在2018年至今，且數量呈現上升趨勢。相關研究主題集中在虛擬仿真、虛擬仿真實訓、虛擬仿真實訓平臺、虛擬仿真實訓系統、虛擬仿真實訓教學、虛擬仿真實訓基地建設等。其中，與虛擬仿真實訓資源建設、開發相關的文獻共計29篇，虛擬仿真實訓資源研究中針對實訓腳本設計的研究較少。職業教育虛擬仿真實訓資源的開發也存在一些挑戰和問題，如資源的整合與共享、技術標準的統一、師資力量的培養等。因此，未來還需要進一步加大投入，加強技術研發和人才培養，推動職業教育虛擬仿真實訓資源的持續發展和優化。

二、虛擬仿真實訓資源在職業教育教學中的價值

虛擬仿真實訓資源以其獨特的應用方式和特點，能有效地解決教學實訓中高投入、高難度、高風險以及難實施、難觀摩、難再現等“三高三難”的問題[2]，有效提高教學實訓的質量和效率，促進學生的學習和發展。

（一）效果逼真、全景重現，豐富學習體驗

虛擬仿真實訓環境能夠模擬出非常逼真的操作環境和操作過程，這種高度仿真的環境有助于學生更深入地理解和掌握知識，提高學習效果。在虛擬環境中，學生可以進行各種實訓操作，而無需擔心實訓材料的浪費或安全問題，同時也降低了實訓設備的損耗和維護成本。

（二）內容完整、操作細致，拓展學習邊界

在教學中，應用虛擬仿真實訓資源，學生學習內容將更加完整、實訓內容將更加細致，無論體驗不同應用場景、研究內部構造，還是探究工作原理，虛擬仿真教學都可以帶來全新的體驗，激發學生的探索精神，拓寬了視野。

（三）自主探索、項目實踐，培養創新能力

利用虛擬仿真實訓資源，學生可以自主探索、解決問題、進行創新。可以在一個安全的虛擬環境中進行試錯和實踐，克服實訓條件的限制，提高實踐技能和應用能力。這種學習方式培養了學生的自主學習和解決問題的能力，為他們未來的職業發展做好準備。

（四）數據全面、反饋明顯，打造個性化教學

虛擬仿真實訓資源提供了個性化和差異化學習的可能。每個學生的學習能力和興趣不同，虛擬仿真教學可以根據學生的個性化需求進行定制，提供不同難度的學習任務和個性化的反饋。這樣的個性化學習環境激發了學生的學習興趣和積極性，提高了他們的學習效果。

三、虛擬仿真實訓資源在職業教育教學中的開發流程

虛擬仿真實訓資源開發是一個系統性工程，它涵蓋了確定框架、開發場景、設計腳本、搭建平臺、部署與運維、培訓與演示等多個關鍵環節。既為學生提供了沉浸式的學習環境，也能幫助他們更好地理解和掌握專業知識，最終實現虛擬仿真實訓資源與教育教學的深度融合，實現教育教學質量的顯著提升。

（一）確定實訓系統框架：明確建設目標，科學設計系統

一是需求分析。與教師、學生、企業專家等充分溝通，了解他們對虛擬仿真實訓系統的具體需求和期望，包括實驗種類、操作流程、參數設置、響應速度、系統穩定性、界面友好性、交互便捷性等。同時，要分析學科特點、課程設置以及學生的實踐需求，確定虛擬仿真實訓系統應涵蓋的教學內容和實踐場景，根據教學需求定制系統功能和特色，確保系統能夠滿足實際教學的要求。

二是詳細設計。根據需求分析結果，從系統架構、模塊劃分、界面布局、交互邏輯等方面完成虛擬仿真實訓資源開發的細節設計。確定系統各組成部分之間的交互方式和數據流，將系統劃分為不同的功能模塊，確定每個模塊的功能和職責，模塊之間的接口和依賴關系，設計直觀、友好的用戶界面，設計合理的交互邏輯和反饋機制，提高用戶操作的便捷性和滿意度。

三是技術選型。根據系統需求和特點選擇合適的開發技術、框架和工具，考慮技術的成熟度、穩定性、易用性以及社區支持等因素。使用專業的建模軟件創建虛擬環境和物體的三維模型，確保模型的準確性、真實性和交互性，設計逼真的虛擬實驗場景和操作流程，提高用戶的沉浸感和參與度。

（二）開發虛擬實訓場景：合理運用技術，虛擬實訓操作

虛擬仿真實訓場景是利用計算機技術和虛擬現實技術構建的一個模擬真實環境的學習空間。在這個場景中，學習者可以身臨其境地進行各種實踐操作和訓練，以達到提升技能、增強知識理解的目的。虛擬仿真實訓場景由三維場景模型、交互系統、軟件系統、硬件設備、內容管理系統以及評估與反饋系統等部分組成。具有模擬環境、強交互性、可重復性、即時反饋、高靈活性等特點。

場景開發階段，利用三維建模技術創建逼真的場景、物體。常用的建模軟件有Maya、3ds Max等，使用虛擬現實引擎Unity3D、Unreal Engine等進行場景編程、開發交互邏輯等，集成必要的傳感器技術，以實現更真實的交互體驗。通過場景的搭建，將可能遇到的“三高三難”的實訓操作通過虛擬軟件轉移到三維模型中，詳細展示每個模塊之前的銜接關系，實現實訓操作的虛擬化，讓理論教學更加形象生動，同時，虛擬仿真場景的統一發放和快速響應，讓實訓操作的探究性、可追溯性更強，為后續實訓腳本設計奠定基礎。

（三）設計實訓操作腳本：依托教學步驟，引導實訓操作

虛擬仿真實訓腳本是為虛擬仿真實訓課程設計的詳細教學計劃。設計虛擬仿真實訓腳本的主要目標是指導教師和學生按照既定的教學路徑，高效地完成實訓教學任務，達到預期的教學效果，將虛擬仿真實訓場景中所有可執行的操作按照教學流程有條理地呈現出來。它為教師提供了一個清晰的教學指南，減少了教學過程中的不確定性和隨意性。對于學生來說，一個明確的實訓腳本有助于他們更好地理解和完成實訓任務，確保了教學的系統性、科學性和有效性。

虛擬仿真實訓腳本由課程介紹、實訓準備、實訓步驟、教學方法、評估與反饋等內容構成。課程介紹包括課程名稱、課程目標、課程時間安排等基本信息。實訓準備中列出所需的軟件、硬件資源以及學生應具備的預備知識。實訓步驟詳細描述每個實訓環節的操作，包括場景設置、角色分配、任務說明等。教學方法說明了教師將如何引導學生進行學習，包括講授、演示、討論、案例分析等多種方法。最后，設定明確的評估標準，教師根據學生的表現和反饋來調整教學進度和方法。

在仿真實訓場景開發的基礎上，腳本設計實現了實訓操作的虛擬化。根據腳本設計流程，將傳統的教學過程，在仿真實訓場景中一步一步重現，并輔以相關的指導信息，學生可以根據指導信息完成虛擬化的實訓操作，而腳本設計的流程則是學生完成自學與探究的重要指引。

（四）搭建虛擬仿真平臺：開放用戶接口，優化操作體驗

基于虛擬仿真實訓場景建設和虛擬仿真實訓腳本設計，將制作完成的仿真資源鏈接到Web平臺，通過Web平臺搭建起用戶操作界面。虛擬仿真實訓教學平臺包括用戶管理模塊、虛擬實訓模塊、教學資源模塊、交流與互動模塊、評估與反饋模塊、系統管理模塊、實訓管理與監控模塊等七個模塊，涵蓋教學各個方面。

用戶管理模塊提供學生、教師和管理員等用戶的注冊與登錄功能，確保平臺的安全性。虛擬實訓模塊包括虛擬實訓操作和實訓步驟指導。教學資源模塊包括教學視頻、實訓資料。交流與互動模塊由在線討論區和實時通信工具組成。評估與反饋模塊包括實訓結果反饋、學習進度跟蹤。系統管理模塊包括用戶權限管理和數據統計分析。實訓管理與監控模塊包括實訓課程管理和學生實訓監控。虛擬仿真實訓平臺是用戶使用虛擬仿真實訓資源的入口，用戶可以根據需要快速定位到相應的實訓資源，同時，平臺實現了對用戶的管理。平臺中的七大模塊支撐了教師教學、學生自學、實訓操作、自主探究等各種不同的學習場景，用戶的操作體驗得以優化。

（五）仿真系統部署運維：實現系統運行，確保安全穩定

虛擬仿真實訓系統的部署與運維包括系統集成與測試、部署實施、運維管理三個方面。將各個模塊集成到系統中，進行嚴格的測試以確保系統的穩定性和可靠性，測試環節可能包括負載測試、用戶體驗測試、教學效果測試等。根據測試結果調整和優化系統，確保用戶能獲得安全且穩定的學習體驗。在確定系統滿足需求并經過充分測試后，進行系統的部署實施，這包括在目標設備上安裝軟件、配置硬件環境以及進行系統初始化等操作。運維管理包括日常維護、故障處理、性能優化、用戶支持、安全管理等。

（六）教學應用演示培訓：提升信息素養，改善教學實踐

為落實虛擬仿真實訓系統在教育教學中的應用，還需要通過培訓與演示，提升教師在使用虛擬仿真技術的能力和效率，提升教育教學效果。培訓應從虛擬仿真技術基礎、系統功能與使用、教學設計與課程開發、教學實踐與交流分享等方面進行。

通過教學應用培訓及教學案例演示，教師可以親手操作虛擬仿真實訓系統，熟悉操作流程和技巧；教師根據學科特點和教學需求，嘗試開發適合虛擬仿真實訓系統的課程內容和教學案例；培訓中的優秀案例還將引導教師將虛擬仿真技術融入課程教學中，創新教學方法和模式。

隨著VR、AR等新技術的不斷進步，虛擬仿真實訓為學生提供更加逼真、生動的學習環境。未來，虛擬仿真實訓系統有望根據學生的學習進度和能力，為他們定制個性化的學習路徑，為學生的個性化學習、泛在學習和終身學習提供有力保障。

參考文獻：

[1]溫秀媛，陳良志，李家華.“雙高計劃”背景下高職“港口工程”智能建造虛擬仿真教學平臺建設[J].現代職業教育，2024（8）：98-101.

[2]魯邦定.AIOT虛擬仿真實訓中心建設探索[J].電腦與電信，2023（9）：110-113.

責任編輯：賈凌燕

*本文系教育部高等學校科學研究發展中心“虛擬仿真技術在職業教育教學中的創新應用”專項課題“虛擬仿真實訓資源開發中的教學設計與腳本創作研究——以網絡技術課程為例”（ZJXF2022290）、江蘇省職業教育教學改革研究課題“五年制高職產業學院育人體系構建的實踐研究——以數字文化專業群為例”（ZYB174）的研究成果。

收稿日期：2024-04-28

作者簡介：蔣光遠，南京財經高等職業技術學校，南京市優秀青年教師，主要研究方向為云計算技術應用專業課程教學；薛飛，南京財經高等職業技術學校副校長，正高級教師，江蘇省教學名師，南京市學科帶頭人，主要研究方向為虛擬仿真實訓資源開發。