虚拟仿真技术在高校教学中的应用分析

摘"要：虚拟仿真教学已成为高校转变教育教学方式、提高教育教学水平和提升人才培养质量的重要途径之一。首先对虚拟仿真技术及其特点进行阐述，列举虚拟仿真教学的技术手段；其次对虚拟仿真技术在高校教学中的应用现状进行论述，重点讨论虚拟仿真技术在军事装备教学中的应用；最后分析总结虚拟仿真技术在高校教学中应用的优势与不足，并提出具体建议。关键词：虚拟仿真技术；高校教学；虚拟仿真教学0"引言信息技术的发展和应用提升了高校教学质量，在一系列教学手段、方法的改革实践过程中，越来越多的高校认识到了虚拟仿真技术的教学应用价值，从而加大力度开展虚拟仿真教学[1]。教育部早在2013年便提出要面向普通本科和军队本科院校开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设，这充分体现了虚拟仿真教学在高校教学体系中的重要地位[2]。本文首先阐述虚拟仿真技术及其特点，列举虚拟仿真教学所依赖的技术手段；其次对虚拟仿真技术在高校教学中的应用现状与趋势进行论述，重点讨论虚拟仿真技术在军事装备教学中的应用；最后分析总结虚拟仿真技术在高校教学中应用的优势与不足，并提出了具体的方法建议，可为今后高校虚拟仿真教学的建设和应用提供参考。1"虚拟仿真技术及其特点虚拟仿真技术是综合多种信息技术来构建和展现虚拟世界的一种综合性复杂技术[3]，其中包括计算机仿真、互联网、三维可视化、人工智能、大数据、云计算、物联网、多媒体和移动通信等技术[3-4]。它可以构建人、机、环境三位一体分布式多维信息交互的高度仿真模型对象和仿真虚拟环境；能够对外部下达的指令作出及时反馈，对复杂对象的改变进行推演，对虚拟对象的内在本质进行表达，将抽象概念形象化，现已广泛应用于教育、文化、医疗和娱乐等行业领域[4-5]。虚拟仿真技术的主要特点体现在沉浸性、交互性、构想性、可伸缩性和智能化等五个方面[3]。2"虚拟仿真教学技术手段提到虚拟仿真教学，现阶段更多是指基于计算机系统融合仿真技术来赋能教学，其离不开虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、混合现实（MR）、数字孪生、元宇宙等技术手段的支持[6]。目前，虚拟仿真教学比较依赖的主流技术有虚拟现实、增强现实和混合现实三种，而其他几种技术多用于工业制造、工程建设等领域，存在成本高昂或还处于研发阶段等局限性，并不适合大规模投入教学使用。因此，要将虚拟仿真技术与教学进行深度融合，需探究虚拟现实、增强现实和混合现实这三种技术的定义及其区别。2.1"虚拟现实虚拟现实是以计算机仿真技术为核心，融合相关科学技术，将一定范围内的物理环境构建成与之高度相似的数字化环境[6-7]。即多元化信息融合的虚实交互式三维动态系统仿真，能够通过计算机形成高度逼真的虚拟世界，具有沉浸性、交互性和构想性三大特性[3]，主要是针对虚拟对象的外在表现进行表达，重点关注让使用者在视觉、触觉、听觉和嗅觉等多感官和表情、肢体的控制方面，感受到接近被模仿环境的效果。2.2"增强现实相对虚拟现实的纯虚拟环境而言，增强现实则是在可见物理环境基础上进行局部虚拟化，通过将相关虚拟信息叠加在以现实场景可见物为基准的某一局部位置实现实时交互虚拟信息，达到视觉增强的特殊效果[6-7]。其具有人机实时交互、虚拟现实结合和三维跟踪注册三大特征，主要应用的终端产品形态集中在智能眼镜、头戴设备等方面[3]。2.3"混合现实混合现实是虚拟现实与增强现实融合产物的最终形态[6-8]。通过将现实场景信息引入虚拟环境中，形成数字化对象与物理对象交互共存的全新可视化环境，同时在虚拟、现实和使用者三者之间搭建信息交互反馈回路，以增强使用者的真实感。相对于增强现实，其核心能力是可以实现对可视化虚拟对象进行操控，因其对虚拟对象的物理特性建模要求较高，技术复杂程度较高，故应用范围较受局限。3"虚拟仿真技术在高校教学中的应用现状从发展历程看，我国虚拟仿真教学总体上可分为三个阶段[9]：2013—2016年，为虚拟仿真实验教学中心建设阶段；2017—2019年，为虚拟仿真教学资源建设阶段；2020年至今，为虚拟仿真教学平台化发展阶段。虚拟仿真技术在教学中的应用场景包括赋能理论和实践教学、实验室教学、实习实训，辅助共享互动教育，助力开展虚拟教室、数字图书馆、数字校园和虚拟场馆的建设等。可以看出，虚拟仿真技术正在深度融入教学全过程，并构建出一种虚实结合的学习方式和教学模式。3.1"辅助理论教学，提升课堂教学质量很多专业课程涉及抽象性概念、原理和结构。如机械工程专业课程中的发动机工作原理和复杂结构，大学基础物理课程中所提到的相对论、量子效应等概念。这些内容单凭课堂讲解、模型或平面图的简单示意，很难让学生全面掌握和理解，而利用虚拟仿真技术辅助理论教学，可将工作原理、工作过程等用更直观、立体、动态的方式呈现给学生，使抽象的理论知识具体化，这样既可以激发学生的学习兴趣，也可为教学过程中涉及的抽象理论、复杂流程的教学提供技术支撑。将虚拟仿真技术应用到课堂教学中，给学生构建一个真实可感的实践环境。学生既可以在理论教学的课堂上同步完成验证性实践活动，又可以实时反馈实践活动评价结果，从而实现理论教学与验证性实践活动在课堂上的深度融合。引入虚拟仿真教学加强了理论教学与实践教学相关知识的联系，教学过程形象逼真，使学生能够更加直观地掌握抽象的理论知识要点，从而提升自身专业技能，强化综合能力。应用虚拟仿真技术，进一步提升实践教学的真实感，构建完善的实践教学体系，全方位提升教学质量和教学效果[10]。3.2"解除限制，补齐短板，转变实验教学模式传统实验教学通常以固定实验步骤方法、确定实验结果的方式进行。其优点是实验集中规范、管理严密便捷、评价标准统一；缺点是实验内容固化，实验过程机械，抑制了学生的学习主动性[11]。同时，与信息化教学相比，传统实验教学方式在部分实验项目的实际教学过程中还存在高危险、高消耗、高成本和污染严重等问题，存在不具备、不可及、不可逆和不可开设等一系列难以克服的条件，项目受时间、地点、人物等条件的限制，导致实验教学计划不能安全有效地开展，严重制约了实验教学的质量[5]。因此，引入虚拟仿真技术创新实验教学技术手段逐渐成为重塑实验教学课程体系的重要突破口。虚拟实验室是虚拟仿真技术最重要的教育应用场景之一，为实验教学提供了全新环境，既能克服传统实验教学的弊端，打破实验内容体系固化、受限于教材的现状，弥补当前实验教学中的系列短板，又能形象逼真地构建虚拟场景，多元化实验内容，再现实验过程[12]。在充分发挥学生的积极性、主动性和创造性，促进其能力提升全面发展的同时，优化整合教育资源，拓展实验教学的内容深度和广度，提高实验教学质量和水平。高校虚拟仿真实验教学作为一种全新的教学形态，其发展过程经历了三大阶段：2013—2016年，面向普通本科高校、军队本科高校，以国家级虚拟仿真实验教学中心为主要载体；2017—2019年，虚拟仿真实验教学项目成为基本单元；2019年底至今，虚拟仿真实验教学项目基本单元向虚拟仿真实验教学一流课程转变。虚拟仿真实验教学已经展现出实验内容多元化、实验过程自主化、质量评价规范化、教学装备智能化、教学应用常态化等内涵和特征[11-13]。推进虚拟仿真实验教学应始终坚持问题导向和需求导向，面向“自主化、体系化、资源化、装备化和标准化”的新理念方向发展[13-14]；加快构建以学生为主体的自主学习空间，形成完善的虚拟仿真教学体系，拓展虚拟仿真实验教学组织形式；研发多单位、多学科和多专业类别的虚拟仿真教学资源；配备多种智能教学终端，构建开放式虚拟仿真教学平台；满足相关教育行业标准的规定。3.3"虚实一体，智慧教学，提升实习实训效果实习实训是高校开展工程实践教学的一门必修课程，旨在培养学生的创新创造能力，提升其专业技能。将新一代信息技术和实习实训深度融合，构建虚实一体的新型实习实训模拟系统，用3D虚拟建模的手段设计实训工具、器材，可以节约设备的更新维护、场地的铺设管理成本。通过构建不同配置的虚拟实训环境，设置不同的虚拟参数，可以降低任务安全风险，克服教学过程中看不到、进不去的弊端，打破传统实习实训的固化机制，让学生能够反复多次进行实践技能训练，进一步强化实操能力，加深对理论的理解，激发培训热情，最大程度发挥学生的创造性思维，提升实习实训效率[15-16]。同时，利用虚拟仿真技术可再现企业制造空间，针对学生在企业实习环节中面临的时间、空间、技术和安全等限制条件进行改善和强化，高效推动实习实训工作的开展。在新工科建设背景下，为培养高素质、高水平技术人才，对接企业目标需求，高校可以将虚拟仿真教学软件、教学平台同现实生产相结合，构建校企合作的虚拟仿真实习实训教学模式，实施一种全新的智慧教学方案[17]。同时，在校内理论和实践教学的基础上，配置企业专业技术导师，共同引导学生完成实习实训任务，使学生在参与虚拟仿真实习实训过程中达成掌握知识、提升职业技能的目标。3.4"虚拟互动，远程共享，减少教育资源浪费当前，部分高校拥有高质量的特色专业教学资源，绝大部分教学资源的应用范围仅限于本校、本学科和本专业，很少与其他院校、专业和社会机构互动共享[13]。随着新一代信息技术的发展，异地多人协同的虚拟仿真互动共享教学成为减少教育资源浪费的有力措施之一。通过各单位之间相互研讨、交流和借鉴，建设适于本校专业教学目标的线上线下混合的特色教学资源，统一管理；整合校内外、相关企事业单位的虚拟仿真资源，开放虚拟仿真综合教学平台，共享基于软件、仪器和远程控制的虚拟仿真教学资源，实现校内外教学资源互通，最终满足跨地区、跨领域、跨高校和跨专业的高质量教学资源互动、共享需求[18]。教育实践表明，基于虚拟仿真技术的混合式教学和学习模式可为综合协作、创新创业计划挑战、学科竞赛和科创兴趣团队等实践活动内容的设计和实现创造优势条件。通过打破传统的专业思维局限，构建跨专业交流的在线学习环境、平台和工具，不同专业之间形成优势师资互补，使教学资源向高质量、多样化方向发展，帮助学生提升专业水平，强化解决专业问题的能力。3.5"虚拟仿真联教联训助力军事装备教学当前，军事院校装备教学经常面临实际装备资源不足、装备迭代更新快、装备过度损耗、装备拆卸困难等问题，加之操作训练人员多、重复性强、过程复杂，导致装备教学安全风险加大，学员岗位培训实践范围受限[19-21]。采用虚拟仿真技术手段的虚实结合教学可以有效克服上述问题，是提高装备教学效果，提升军事人才培养质量的高效途径，也是服务于岗位任职培训的重要举措。例如：通过构建虚拟仿真装备机电教学系统，可有效解决实际装备不足、迭代更新损耗快的问题；虚拟仿真装备实验教学平台可融合多学科交叉优势，整合优势资源，实现装备静态建模、虚拟拆卸装配和仿真模拟等功能；学员可重复操作、反复实验练习，进一步扩大实践范围、降低安全风险，保障了人员与装备安全[19]。虚拟仿真技术在军事装备教学领域的应用范围包括：军事装备理论教学、军事装备操作教学、军事装备维修教学、军事装备研制开发等。通过打破时间、地域限制，营造装备虚拟战时场景氛围，缩短与部队之间的装备环境差异，摆脱传统灌输式教学模式，充分发挥学员的主观能动性，实现真正的参与式教学[21]，使装备理论教学内容生动形象化、装备维修战时场景虚拟现实化、装备操作能力培养具体任务化、装备研制开发设计过程系统化。远程虚拟仿真联教联训教学机制是深入推进军事装备教学的重要发展方向。通过内部网络连接，构建院校与部队的远程共享平台，可实现教学资源的同步共享，根据实战环境进行虚拟场景的转换开发，充分对接需求供给双方[20]。院校要积极探索远程虚拟仿真教学手段，加快构建、改善虚拟仿真教学环境，建立完善的虚拟课程标准管理体系，实现各装备教学单元、要素和系统的互联互通，精确掌控装备教学的全过程，实时记录和备份教学资源数据，为切实缩小院校与部队之间的差距，为部队培养输送装备技术人才，有效提升部队战斗力提供保障支持。4"虚拟仿真教学的优势与不足4.1"虚拟仿真教学的优势关于虚拟仿真教学的优势可以从三个方面进行分析。1）学生方面。虚拟仿真教学以学生为中心，通过人机交互的虚拟场景调动学生的主观能动性，激发其学习兴趣，提高其学习积极性，使其达到深度学习效果，提高学习效率。在促进学生创新创造能力养成的同时，使其避免实践操作中的潜在危险，增强教学安全性。2）教师方面。打破传统教学受到时间、地域限制的局限性，通过虚拟仿真师生交互的形式对教学内容讲解进行优化补充，帮助教师跳出各种烦琐性、低阶性、过程性和操作性的指导环节，全身心投入教授学生知识内容、创新方法、思维能力等高阶性指导中去。3）学校方面。引入虚拟仿真教学能够营造一个更加生动直观、实践性强的学习与教学环境；节省教育成本，改变由于经费条件限制导致的现有教学条件和设施落后的问题；丰富教学内容，解决部分教学内容教学效果差或不能实现的问题；优化资源配置，弥补远程教学条件的不足，最大程度实现优质教学资源的充分使用和开放共享；降低教学风险，破解理论教学、实践教学、实验教学、实习实训等过程中的难题，对提高教学质量，促进数字化校园建设发展具有重要作用[22]。4.2"虚拟仿真教学的不足研究发现，现阶段虚拟仿真教学的不足主要体现在：1）配套硬件设备