虛擬仿真技術(shù)在信息技術(shù)教學(xué)中的作用和挑戰(zhàn)

信息技術(shù)的迅速發(fā)展為人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)了巨大變革。信息技術(shù)不僅深刻影響著各行各業(yè)的發(fā)展，也給教育帶來(lái)了革命性的變化。信息技術(shù)教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的信息技能、創(chuàng)新思維和解決問(wèn)題的能力起著至關(guān)重要的作用。近年來(lái)，虛擬仿真技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展得到了廣泛應(yīng)用，虛擬仿真技術(shù)可以通過(guò)構(gòu)建虛擬環(huán)境，模擬實(shí)際情景，使教學(xué)內(nèi)容更加直觀、形象和生動(dòng)。學(xué)生可以通過(guò)虛擬仿真系統(tǒng)學(xué)習(xí)操作技能，不僅增強(qiáng)了學(xué)習(xí)興趣，也大大提高了學(xué)習(xí)效果。與信息技術(shù)的傳統(tǒng)教學(xué)相比，虛擬仿真教學(xué)更加直觀安全，還可以便捷地創(chuàng)建復(fù)雜系統(tǒng)的模擬環(huán)境，讓學(xué)生進(jìn)行反復(fù)練習(xí)。但是，虛擬仿真技術(shù)在信息技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用也面臨一些挑戰(zhàn)，如技術(shù)、教育、管理、社會(huì)與倫理方面的挑戰(zhàn)。總體而言，虛擬仿真技術(shù)與教學(xué)融合是大趨勢(shì)。

一、虛擬仿真技術(shù)的基本概念

虛擬仿真技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)生成虛擬環(huán)境來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)世界的專門(mén)技術(shù)和方法。它能夠創(chuàng)建高度仿真的三維動(dòng)態(tài)場(chǎng)景和交互式環(huán)境，使學(xué)生沉浸其中，進(jìn)行操作實(shí)踐和技能訓(xùn)練。

虛擬仿真技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代的飛行器模擬器。20世紀(jì)80年代起，虛擬仿真技術(shù)在軍事領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用（王微，2004）。20世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)圖形處理能力的增強(qiáng)，高保真的三維虛擬環(huán)境成為可能，虛擬仿真技術(shù)開(kāi)始向更多領(lǐng)域滲透。進(jìn)入21世紀(jì)，虛擬仿真技術(shù)在制造、醫(yī)學(xué)、娛樂(lè)、教育等領(lǐng)域得到大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。

當(dāng)前，虛擬仿真技術(shù)主要包括虛擬環(huán)境建模、運(yùn)動(dòng)跟蹤、仿真控制、多源信息融合等技術(shù)。主流的虛擬仿真軟件平臺(tái)有Virtools、Quest3D、UC-win/Road等。隨著VR/AR技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)呈現(xiàn)出更加沉浸式的互動(dòng)性和逼真感。它為各個(gè)領(lǐng)域提供了強(qiáng)大的訓(xùn)練和仿真功能，正在深刻改變著教學(xué)、醫(yī)療、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)等過(guò)程，并廣泛應(yīng)用于信息技術(shù)教學(xué)中，對(duì)教學(xué)產(chǎn)生重大影響。

二、虛擬仿真技術(shù)在信息技術(shù)教學(xué)中的作用

虛擬仿真技術(shù)因其強(qiáng)大的模仿能力和仿真互動(dòng)性，目前在信息技術(shù)教學(xué)中得以大規(guī)模應(yīng)用，比如在HTML5網(wǎng)站開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，該平臺(tái)包含網(wǎng)頁(yè)編輯器、樣式設(shè)置面板、文件管理器、網(wǎng)站發(fā)布系統(tǒng)等模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)站開(kāi)發(fā)流程。學(xué)生可以學(xué)習(xí)HTML5、CSS3、JavaScript等語(yǔ)言的應(yīng)用，掌握網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)制作技能。平臺(tái)提供unami代碼編輯器，發(fā)布后的網(wǎng)站支持在多設(shè)備上訪問(wèn)，檢查響應(yīng)式網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)的效果。

通過(guò)案例可以看出，虛擬仿真技術(shù)可以營(yíng)造逼真的應(yīng)用環(huán)境，支持重復(fù)實(shí)踐，有效提升學(xué)生的網(wǎng)站開(kāi)發(fā)等信息技術(shù)方面的實(shí)際操作能力，是信息技術(shù)教學(xué)中非常有效的手段。同時(shí)，虛擬仿真技術(shù)在信息技術(shù)教學(xué)中還具有增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)、加深知識(shí)理解、培養(yǎng)實(shí)踐能力等作用（陳琳、趙建軍，2011）。

（一）增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)

虛擬仿真技術(shù)通過(guò)沉浸、交互、可視化等方式，極大地豐富了信息技術(shù)教學(xué)，使之具有較強(qiáng)的趣味性和互動(dòng)性，大大提升學(xué)生學(xué)習(xí)效果，增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

第一，提供沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境。虛擬仿真技術(shù)可以創(chuàng)建高度逼真的三維環(huán)境，使學(xué)生置身于一個(gè)虛擬的信息技術(shù)操作環(huán)境中，有強(qiáng)烈的身臨其境感（張麗、郭智鵬，2010）。

第二，構(gòu)建交互式學(xué)習(xí)情景。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中與各種對(duì)象和事物進(jìn)行交互操作，主動(dòng)參與學(xué)習(xí)過(guò)程，大大提高學(xué)習(xí)的互動(dòng)性。

第三，提供角色扮演舞臺(tái)。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中扮演不同角色，體驗(yàn)各種工作情境，提高學(xué)習(xí)樂(lè)趣。

第四，使學(xué)習(xí)可視化。虛擬仿真技術(shù)可以將抽象的知識(shí)和過(guò)程變?yōu)橹庇^的圖像和動(dòng)畫(huà)，幫助學(xué)生建構(gòu)視覺(jué)化的認(rèn)知模式。

（二）加深知識(shí)理解

虛擬仿真技術(shù)在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、理解技能等方面發(fā)揮著獨(dú)特作用，可以提升信息技術(shù)教學(xué)與學(xué)習(xí)的效果。

首先，提供具象學(xué)習(xí)。虛擬仿真技術(shù)通過(guò)視覺(jué)化的學(xué)習(xí)內(nèi)容，將抽象的知識(shí)具體化，有助于學(xué)生形成直觀印象，加深對(duì)概念、原理的理解。

其次，增強(qiáng)知識(shí)記憶。虛擬仿真技術(shù)可以創(chuàng)造沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，讓學(xué)生在情境中學(xué)習(xí)。這種主動(dòng)參與的學(xué)習(xí)方式有助于學(xué)生產(chǎn)生情感印象，增強(qiáng)對(duì)知識(shí)的記憶。

再次，做到因材施教。虛擬仿真技術(shù)可以根據(jù)學(xué)生的能力定制不同難度的學(xué)習(xí)內(nèi)容和進(jìn)程，有助于學(xué)生的針對(duì)性學(xué)習(xí)。

最后，提供即時(shí)反饋。虛擬仿真技術(shù)可以對(duì)學(xué)生的操作給出即時(shí)的評(píng)價(jià)和指導(dǎo)，有助于學(xué)生及時(shí)解決問(wèn)題。

（三）培養(yǎng)實(shí)踐能力

虛擬仿真技術(shù)通過(guò)提供沉浸式的操作環(huán)境和高重復(fù)性的訓(xùn)練，提高學(xué)生的信息技術(shù)實(shí)踐能力。

其一，提供重復(fù)操作平臺(tái)。虛擬仿真技術(shù)可以重現(xiàn)各種情境，學(xué)生在安全的虛擬環(huán)境中進(jìn)行大量重復(fù)操作，動(dòng)手實(shí)踐提高技能。

其二，構(gòu)建復(fù)雜操作環(huán)境。虛擬仿真技術(shù)可以模擬各種復(fù)雜的系統(tǒng)和場(chǎng)景，學(xué)生在虛擬環(huán)境中操作，提升解決復(fù)雜問(wèn)題的能力。

其三，分層遞進(jìn)訓(xùn)練。虛擬仿真技術(shù)可以設(shè)計(jì)不同難度的訓(xùn)練場(chǎng)景，學(xué)生循序漸進(jìn)，逐步掌握技能。

其四，角色扮演與情景模擬。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中扮演不同角色，模擬各種實(shí)際工作情境，提高操作技能。

其五，個(gè)性化訓(xùn)練。針對(duì)每個(gè)學(xué)生的能力進(jìn)行個(gè)性化的虛擬訓(xùn)練，提升訓(xùn)練效率。

其六，減少操作風(fēng)險(xiǎn)。虛擬訓(xùn)練可以避免實(shí)際操作中的風(fēng)險(xiǎn)，鼓勵(lì)學(xué)生大膽操作和探索。

三、虛擬仿真技術(shù)在信息技術(shù)教學(xué)中面臨的挑戰(zhàn)

（一）技術(shù)挑戰(zhàn)

虛擬仿真技術(shù)具有一定技術(shù)門(mén)檻，如硬件需求、軟件兼容性等，都是亟待解決的技術(shù)難題。

第一，硬件需求挑戰(zhàn)。構(gòu)建高保真、交互性強(qiáng)的虛擬仿真系統(tǒng)，需要高性能的處理器、GPU顯卡、高速內(nèi)存等硬件支持，這增加了技術(shù)實(shí)施的難度和成本。

第二，軟件兼容性問(wèn)題。不同的虛擬仿真軟件和平臺(tái)存在兼容性問(wèn)題，組建多源虛擬環(huán)境較難，軟件升級(jí)也可能影響系統(tǒng)兼容性。

第三，虛擬環(huán)境創(chuàng)建難題。創(chuàng)建高度逼真的三維虛擬環(huán)境需要消耗大量人力物力，存在環(huán)境建模難、仿真精度難保證等困難。

第四，系統(tǒng)集成與維護(hù)難題。虛擬仿真系統(tǒng)需要集成多種軟硬件模塊，給系統(tǒng)調(diào)試和后期維護(hù)帶來(lái)難度。

第五，交互模型設(shè)計(jì)難。構(gòu)建系統(tǒng)與用戶交互的輸入輸出模型較難，難以做到完全仿真和真實(shí)交互。

第六，延遲與并發(fā)性問(wèn)題。多用戶同時(shí)使用虛擬環(huán)境可能面臨網(wǎng)絡(luò)延遲和系統(tǒng)并發(fā)性問(wèn)題。

第七，可擴(kuò)展性和互操作性。考慮到未來(lái)需求變化，需要提前考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和平臺(tái)間的互操作性。

（二）師資挑戰(zhàn)

教師需要掌握虛擬仿真平臺(tái)的操作技能，以及設(shè)計(jì)虛擬場(chǎng)景、編輯教學(xué)資源的能力，但目前的培訓(xùn)力度未及時(shí)跟上。

其一，教學(xué)資源開(kāi)發(fā)難度大。高質(zhì)量的虛擬仿真教學(xué)資源開(kāi)發(fā)工作量大、周期長(zhǎng)，教師開(kāi)發(fā)能力有待加強(qiáng)。

其二，教學(xué)策略優(yōu)化難。僅僅引入虛擬仿真技術(shù)還不夠，需要教師結(jié)合專業(yè)知識(shí)有針對(duì)性地設(shè)計(jì)教學(xué)流程和策略。

其三，理論教學(xué)比重問(wèn)題。過(guò)度依賴虛擬仿真可能會(huì)弱化理論教學(xué)，教師需要把握好不同教學(xué)環(huán)節(jié)的比重。

其四，學(xué)習(xí)習(xí)慣培養(yǎng)問(wèn)題。學(xué)生可能需要一定時(shí)間適應(yīng)虛擬環(huán)境中的自主學(xué)習(xí)方式，教師需要培養(yǎng)學(xué)生新的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

其五，虛實(shí)結(jié)合難。教師需要把握好虛擬仿真和實(shí)際操作的有效結(jié)合，發(fā)揮兩者各自優(yōu)勢(shì)。

總而言之，教師需要不斷提升技能，深入研究新教學(xué)策略，以便更好地運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)。

（三）管理挑戰(zhàn)

第一，資源投入。開(kāi)發(fā)和引入虛擬仿真系統(tǒng)需要投入較多資金、設(shè)備等資源，這需要管理層重視并增加投入。

第二，績(jī)效評(píng)估。教育行政部門(mén)需要建立科學(xué)的評(píng)估體系，從學(xué)習(xí)過(guò)程和學(xué)習(xí)結(jié)果等方面評(píng)估虛擬仿真教學(xué)的績(jī)效。

第三，使用監(jiān)控。學(xué)校需要監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，及時(shí)跟蹤存在的問(wèn)題，促進(jìn)持續(xù)改進(jìn)。

第四，過(guò)程考核。需設(shè)置虛擬環(huán)境中的隨時(shí)考核點(diǎn)，根據(jù)學(xué)生的操作過(guò)程進(jìn)行評(píng)分，不僅僅看結(jié)果。

第五，操作數(shù)據(jù)分析。教師需要收集學(xué)生在虛擬環(huán)境中的操作數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析以優(yōu)化教學(xué)過(guò)程。

第六，規(guī)范制定。學(xué)校需制定相關(guān)規(guī)范和要求，規(guī)范虛擬仿真技術(shù)的選用、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用流程。

第七，應(yīng)用典型推廣。學(xué)校需總結(jié)典型的優(yōu)質(zhì)應(yīng)用案例，進(jìn)行推廣以指導(dǎo)更廣泛的應(yīng)用。

第八，培訓(xùn)和支持。教育行政部門(mén)和學(xué)校需對(duì)教師和技術(shù)人員進(jìn)行定期培訓(xùn)，提供技術(shù)支持和指導(dǎo)。

只有教育相關(guān)部門(mén)及學(xué)校不斷完善管理流程，才能更好地發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)在信息技術(shù)教學(xué)中的作用。

（四）社會(huì)與倫理挑戰(zhàn)

第一，加劇虛實(shí)混同。學(xué)生可能難以區(qū)分虛擬環(huán)境和現(xiàn)實(shí)情況，造成判斷誤區(qū)。

第二，不利于社會(huì)交往。過(guò)度依賴虛擬學(xué)習(xí)可能減少面對(duì)面交流，不利于學(xué)生社交能力的培養(yǎng)。

第三，網(wǎng)絡(luò)道德問(wèn)題。在網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境中可能產(chǎn)生騷擾、語(yǔ)言暴力等不良行為。

第四，虛擬行為問(wèn)題。學(xué)生可能會(huì)在虛擬環(huán)境中做出違法或不道德的事情。

第五，隱私與安全。數(shù)據(jù)收集和標(biāo)記可能侵犯學(xué)生隱私，虛擬環(huán)境存在數(shù)據(jù)安全隱患。

第六，過(guò)度依賴問(wèn)題。學(xué)生可能產(chǎn)生對(duì)虛擬學(xué)習(xí)的依賴和現(xiàn)實(shí)條件下自主學(xué)習(xí)能力的下降。

第七，公平性問(wèn)題。虛擬學(xué)習(xí)的推行可能擴(kuò)大地區(qū)差距。

為解決上述問(wèn)題，需要制定相關(guān)政策法規(guī)，強(qiáng)化道德教育，完善管理措施，并適當(dāng)補(bǔ)充其他教學(xué)手段。

四、應(yīng)對(duì)策略和前景展望

（一）應(yīng)對(duì)策略

教育行政部門(mén)和學(xué)校加大培訓(xùn)力度，幫助教師掌握相關(guān)技能，提升其虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用能力。鼓勵(lì)教師開(kāi)發(fā)高質(zhì)量的虛擬仿真教學(xué)資源，提供支持和培訓(xùn)。提供物質(zhì)支持，增加虛擬仿真技術(shù)投入。建立虛擬仿真教學(xué)效果評(píng)估體系，全面評(píng)估教學(xué)效果。開(kāi)發(fā)適合虛擬環(huán)境的考核方式，合理評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)成果。平衡虛擬仿真教學(xué)和理論教學(xué)的比例，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)。加強(qiáng)學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)道德教育和對(duì)虛擬環(huán)境的規(guī)范引導(dǎo)，監(jiān)管學(xué)生在虛擬環(huán)境中的行為，防止違規(guī)操作。完善數(shù)據(jù)安全保護(hù)和隱私保護(hù)措施。推廣典型應(yīng)用案例，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和改進(jìn)策略。加強(qiáng)校企合作，引入企業(yè)技術(shù)力量。通過(guò)多方協(xié)作、技術(shù)與管理并重的策略，促進(jìn)虛擬仿真技術(shù)在信息技術(shù)教學(xué)中更好更規(guī)范地應(yīng)用。

（二）前景展望

虛擬仿真技術(shù)在信息技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用前景廣闊。虛擬仿真系統(tǒng)會(huì)向更智能化和個(gè)性化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)教學(xué)。硬件條件也將不斷改善，虛擬環(huán)境的逼真度和交互性將大大提升。技術(shù)逐步標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化將實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)的互操作性。虛擬仿真技術(shù)與AR/VR等新技術(shù)進(jìn)一步融合，將使學(xué)習(xí)更具沉浸感和體驗(yàn)感。教師的虛擬教學(xué)能力將得以系統(tǒng)提升，虛擬教學(xué)資源質(zhì)量將更高。虛擬仿真考核將進(jìn)一步規(guī)范，為新形態(tài)教學(xué)提供支撐。虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式將成為主流，實(shí)現(xiàn)資源整合與共享。虛擬仿真技術(shù)將向更多學(xué)科擴(kuò)展應(yīng)用，促進(jìn)教育信息化和個(gè)性化。在法律政策框架指導(dǎo)下，虛擬教學(xué)將安全有序推進(jìn)。

五、結(jié)論

虛擬仿真技術(shù)通過(guò)高度的仿真，極大增強(qiáng)了信息技術(shù)教學(xué)的互動(dòng)性和趣味性，提高學(xué)生對(duì)抽象概念的理解，增強(qiáng)對(duì)知識(shí)的記憶，并大大提升學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

虛擬仿真面臨虛擬環(huán)境建模難、系統(tǒng)集成難等技術(shù)挑戰(zhàn)，教學(xué)資源開(kāi)發(fā)不足、學(xué)習(xí)習(xí)慣培養(yǎng)等教育挑戰(zhàn)，需要加大投入，建立評(píng)估體系，規(guī)范管理和應(yīng)用，還需防范虛實(shí)混同等社會(huì)問(wèn)題。

通過(guò)師資培訓(xùn)、規(guī)范引導(dǎo)、典型推廣等策略可以推進(jìn)虛擬仿真的規(guī)范應(yīng)用，虛擬仿真技術(shù)必將深刻重塑未來(lái)教學(xué)形態(tài)，對(duì)教育產(chǎn)生革命性影響。虛擬仿真技術(shù)對(duì)促進(jìn)和創(chuàng)新信息技術(shù)教學(xué)起到了獨(dú)特而重要的作用，值得進(jìn)一步重視和推廣應(yīng)用。

[注：本文是2023年廣東省中小學(xué)教育科學(xué)規(guī)劃重點(diǎn)課題“融合網(wǎng)聯(lián)化虛擬仿真技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)程序設(shè)計(jì)項(xiàng)目課程開(kāi)發(fā)的實(shí)踐性研究”（編號(hào)：2023ZQJK018）的階段性研究成果。]

責(zé)任編輯 陳春陽(yáng)