虚拟仿真教学资源的开发 及其在职业教育中的应用研究

张天娇 乜勇 万文静

摘   要：虚拟仿真教学是基于虚拟技术的新型教学模式，其更加关注学习过程中的情感体验，能将现实中无法实现的内容在虚拟实验平台上进行呈现，在传统课堂的基础上进一步延伸了学习空间，为教师开展教学活动提供了新方法和新手段。文章首先对虚拟仿真教学的内涵进行了阐释，说明其与传统教学的区别与联系，基于此介绍了虚拟仿真教学资源的开发工具、特点及其类型;然后以深圳职业技术学院开发的虚拟仿真软件“口袋工程师”为例，分析虚拟仿真教学资源在职业教育中的应用，以期为虚拟仿真教学提供一定的参考和可借鉴意见。

关键词：虚拟仿真;虚拟仿真教学;职业教育

中图分类号：G712 文献标志码：A    文章编号：1673-8454（2021）22-0049-05

2017年，教育部发布的《教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》明确提出深入推动信息技术与实验教学的深度融合，加强建设示范性虚拟仿真实验教学项目，充分利用虚拟现实、增强现实等新技术积极探索智能化、个性化的新型教学模式。虚拟仿真教学是一种将虚拟实验与体验式学习相结合的全新教学模式，明确其核心内涵并了解相关平台，对于开展虚拟仿真教学有重要的意义。

一、虚拟仿真教学的内涵

虚拟仿真教学是现代教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是实现教育信息化的重要抓手[1]。随着人工智能、虚拟现实、增强现实、学习分析等技术在教育教学中的推广与应用，虚拟仿真教学成为技术与教学深度融合的产物之一，其借助虚拟仿真技术使现实中无法实现的内容在虚拟实验平台上进行呈现，进一步拓展了学习空间，是一种将虚拟实验与体验式学习相结合的全新教学模式[2]，也是国内外学者关注的热点问题。

顾名思义，虚拟仿真教学就是借助虚拟实验技术模仿真实教学场景的过程，其通过人机交互界面将学习者置身于虚拟情境当中，在强大的知识库系统支持下，记录学习过程中的数据以及学习者的交互反馈意见，为学习者提供符合个性化特征的教学内容，让学习者以身临其境的方式体验到获得知识的成就感。根据上述定义，可知虚拟仿真教学主要由虚拟情境、人机交互界面、知识库以及结果输出四要素构成，如图1所示。其中，知识库是开展虚拟仿真教学的根基，主要是经验丰富的教育者依据学情分析，为学习者在海量的资源库中筛选出恰当的学习内容;虚拟情境是开展教学活动的实践场地，决定着学习效率、效果，是虚拟仿真教学的核心组成部分[3]，为学习者营造良好的学习氛围，促进深度学习的发生，情境的设置是人机相辅相成的结果，这个过程既需要依据人类的经验来建构情境，也需要借助机器学习的计算模型和算法等外部力量进行最佳学习场景的确定以及设置;人机交互界面是学习者在特定虚拟情境下进行知识或者技能学习的主要途径，在这个过程中，学习者通过对计算机模拟结果的观察、总结和归纳，进行自主探究，获得新知识和技能，实现结果的输出。

与传统教学相比，虚拟仿真教学最突出的特色就是更加关注学生的学习体验，是一种将虚拟实验与体验式学习相结合的全新教学模式，究其本质，二者的区别与联系如表1所示。在教学目标上，传统教学主要以提升学业成绩为导向，而虚拟仿真教学不仅关注结果，更加重视教学过程中学生的学习体验。在教学方法上，传统教学的方法就是讲授法、小组合作法等，这种固定单一的教学方法使学习变得枯燥，容易失去学习兴趣，但虚拟仿真教学通过虚拟现实技术，实现了真正的虚实结合，为教学提供多样化的教学手段，利于提升学生的学习兴趣。在教学方式上，传统教学一般以教师讲授为主开展教学活动，而虚拟仿真教学通过人机交互界面，将学生置身于特定的教学情境中，在技术的支持下，鼓励学生自主探索知识，学生是知识的发现者和共享者。在教学环境上，虚拟仿真教学的教学环境不局限于课堂，可以基于虚拟实验平台开展教学活动。在学习过程上，虚拟仿真教学强调以学生为中心，鼓励学生自主学习，同时注重学生推理能力的培养，使其成为知识规律的推理者和发现者，但传统教学则注重学生综合素质的提升，二者在侧重点上略有区别。虽然虚拟仿真教学具有传统教学无可比拟的优势，但二者在教学过程中，都发挥着不同的作用。虚拟教学是传统教学活动和手段的一种补充，二者可以通过优势互补、相辅相成来共同完成教学任务和目标 。

二、虚拟仿真教学资源的特点、类型及其工具

1.虚拟仿真教学资源的特点

虚拟仿真技术主要由仿真模拟技术和虚拟现实技术两大部分组成[4]，其中仿真模拟技术是借助仪器设备、模型、计算机等实现真实环境的模仿，而虚拟现实技术是以计算机为核心技术，为学习者搭建起一种特殊的环境，通过人机交互实现虚实结合。凡是借助虚拟仿真技术或软件等开发的，且目标是为教学提供服务的资源，都可以称为虚拟仿真教学资源。由于虚拟仿真资源具有漫游、演示、互动、考核等多项功能[5]，其应用领域非常广泛，涉及军事、游戏、医疗、教育、建筑等多方面。用虚拟仿真技术开发的资源具有沉浸性、交互性、构想性等三大特征。沉浸性是指虚拟环境与人的无缝融合与接入，这种教学资源能极大提升学生的课堂参与度和投入度，对于改善教学效果具有重要的意义;交互性是指借助虚拟仿真教学系统中的人机交互界面，达到正常教学过程中师生教学互动的效果，比如在虚拟实验教学中，学习者可以直接抓取平台上所提供的化学用品，将其倒入量筒中，观察化学反应过程和变化;构想性是指在虚拟环境中帮助学习者满足丰富想象力的需求，解决用户的应用需要问题，虚拟环境相当于学习者想法实现的专门基地，用户既是资源的使用者也是资源的开发者。

2.虚拟仿真教学资源的类型

随着国家对虚拟仿真教学的重视与支持，虚拟仿真教学资源如雨后春笋般涌现出来，按照资源的核心内容可以将其划分为理論知识讲解类以及实践操作类。理论知识讲解类的教学资源是借助虚拟仿真技术，以抽象概念形象化、具体化、可视化为目标而开发出来的教学资源，帮助学习者更好地掌握知识点;实践操作类的教学资源在物理、化学、生物等虚拟实验中应用比较广泛，另外，面向实训技能训练类的教学平台，为职业技术学生提供大量虚拟训练的机会和平台，对于学生的技能提升以及促进就业有重要的意义。也有学者基于技术[6]、平台[7]、学科等视角，将虚拟仿真教学资源进行了归纳与分类，按照使用技术不同，可以将其划分为基于虚拟现实技术的资源、基于多媒体技术的资源、基于游戏软件的资源以及基于遥控技术的资源等。

3.虚拟仿真教学资源的开发工具

教学资源是开展教学的基础，虚拟仿真教学资源是仿真教学的重要组成部分，开发虚拟仿真教学资源就是将工程师、教师、学生和专业公司的智慧融为一体，自主研发与实验教学相关的虚拟仿真资源库、虚拟仿真实验和技术支撑平台。目前常用的虚拟仿真开发平台有 Virtools、OGRE、Director、Unity3D、Converse3D 等[8]。其中，Virtools是一款互动性极强的实时3D环境虚拟实境编辑软件，其对使用对象的要求较低，没有程序基础的人员也可以利用内置的行为模块快速制作出多种不同类型的3D产品，在计算机游戏、教育培训、建筑等领域发挥着重要的作用。OGRE是一款面向对象的三维图形渲染引擎，能够快捷地制作三维空间，支持多操作系统，包括Windows、Linux和Mac OS，目前被应用于诸多三维仿真领域，包括网络游戏和三维仿真项目等。Director是美国 Adobe公司开发的一款专业多媒体项目开发软件，其功能十分强大，集成了图像、视频、音频、动画、三维模型、文本、超文本以及Flash文件在内的多媒体程序，是一套较为理想的多媒体教学工具，但该软件对使用对象的要求较高，初学者一般无法在短时间内掌握。Unity 3D 是美国 Unity公司开发的一款综合性很强的游戏引擎，高度的扩展性和兼容性使其用户量高达200万，是一款使用最为广泛的虚拟场景开发工具，其支持多操作系统，包括Windows、Linux、Mac OS 等，目前被广泛应用于三维游戏开发、三维动画互动、三维建筑展示等领域。

基于Virtools、OGRE、Director、Unity3D等虚拟仿真教学平台，教育工作者可以进行虚拟仿真教学系统的设计，其过程包括三维建模、场景搭建、动画制作、交互设计、漫游等关键步骤[9]。其中三维建模以及场景搭建是系统设计的重难点，目前较为常用的开发工具主要是 3D Studio Max 和 MAYA。3D Studio Max 是Discreet公司开发的一款三维动画制作软件，其对使用对象的要求较低，但仅支持Windows操作系统，目前被广泛应用于三维建模、渲染、动画等多个领域。MAYA是Autodesk公司开发的一款能够实现角色动画、运动学模拟等高级要求的三维建模软件，与3D Studio Max相比，MAYA 能够制作更高端复杂的 3D 模型，极大地满足了不同客户的设计理念和需求，同时支持多操作系统，包括Windows、Linux等。但由于功能的复杂性，该软件对使用者有较高的要求，操作难度比3D Studio Max要高很多。

4.虚拟仿真教学的相关软件

目前，利用虚拟仿真技术设计出的教学软件有很多，包括虚拟实验教学平台、虚拟仿真学习系统、3D body解剖、柳叶刀客等，应用领域涵盖初等、高等、职业以及医学教育等范围，本文选取一些较为典型的仿真教学软件进行举例介绍，具体如表2所示。

三、虚拟仿真教学资源在职业教育中的应用

目前，虚拟仿真教学资源在初等教育、职业教育以及医学教育等领域均有广泛的应用，本文以深圳职业技术学院开发的虚拟仿真软件“口袋工程师”为例，进行案例分析。口袋工程师这款软件是基于现阶段职业教育发展方向、融合移动互联网等新概念的学习软件，旨在为建筑工程专业的教师和学生提供优质的教学支持服务。在正式上课前，教师和学生需要用账号登录系统，系统界面以及功能如图2所示。

口袋工程师主要提供三大教学服务支持，分别是施工工艺场景、典型案例集、微课三大模块。施工工艺场景即3D模拟工艺场景的过程，是以图文及3D模型结合的方式将场景直观呈现给学生。典型案例集通过动画、图片以及视频等方式将工程施工过程中真实发生的典型案例呈现出来，在此过程中，还帮助学习者分析产生的原因以及各方需要承担的责任。教师通过视频方式讲解课程的知识点。具体来看，施工工艺场景中包括土方工程施工、基础工程施工、主体结构工程、装饰装修工程四个子模块，基于每个子模块又可以将其划分为不同的小知识点，学生可以在该界面自由选择知识点进行观看与学习，教师在教学过程中可以根据教学目标和内容选择其中的模块开展教学。以土方工程课程为例，点击之后，会弹出关于土方工程教学的任务内容以及任务目标，帮助教师和学生明确教学目标和教学任务。在土方工程的子模块学习页面中，包括场地平整、基坑槽开挖、深基层土方开挖等小知识点，可以随时随地进行学习。教师和学生可以根据教学需要和学习需求，选择内容进行详细学习，资源可以反复观看，满足了学生个性化学习的目标和需求。同时，当课程学习结束后，该软件还提供了在线章节测试题，答题结束后系统会自动生成测验报告，帮助学生及时巩固教学内容，也利于教师了解学生知识的掌握情况，图3所示是部分采用施工工艺教学的场景图。

上述施工工艺教学场景的体验与学习，极大地增强了教学过程的主动性，提高了学生的学习兴趣，促进了学生对教学重点的掌握。為进一步加深学生对教学难点的理解，教师可以利用微课资源开展后续的教学活动。口袋工程师 “微课”功能模块还提供了与施工工艺场景配套的微课课程，包括土方工程、基础工程、主体结构工程、装饰装修工程四大类课程，每类课程下提供五节短小精悍的微课，共计20节微课。例如：土方工程课程中包括土的颗粒级配、人工填土、土的含水量、土的可松性、土方边坡坡度等不同知识点的讲解。微课资源学习界面如图4所示。

动手实战演练是课堂教学中必不可少的环节，虽然职业技术院校采用双导师培养模式，学生有企业实习的机会，但技能的掌握是需要不断进行动手实践的过程，短期实习无法满足学生多种技能的练习与实践，而虚拟仿真教学借助虚拟现实、增强现实等技术为教师教学提供模拟演练的场景，将理论知识与实践活动相结合，为实战演练提供了平台。口袋工程师“典型案例”功能模块提供了上海楼倒塌、杭州地铁、南京演播厅、基坑塌方、消防灭火等八个具体的教学案例，将游戏化学习与任务驱动教学相结合，学生通过角色扮演完成教学任务。以上海楼倒塌为例，选择好具体案例后，学生可进入角色选择的界面，有甲方、设计师、监理、施工员、质监等五个角色可供学习者自由选择，当学习者选择不同角色时，界面上会出现不同类型的职业介绍，通过介绍让用户清楚地了解该角色在施工过程中的工作内容和承担责任后，即可选择下方的“开始游戏”按钮，界面左下方转盘用来操控决策者的行为活动，通过人机交互界面完成任务。同时，在此过程中，系统每隔一段时间会自动弹出一个任务答题界面，如果回答正确，会给予一定的装备奖励，帮助学生更加高效、顺利地完成角色负责的每一项任务。上一个任务完成后，会显示下一阶段的任务，所有任务完成后，可将所获得的所有装备进行合成，获得成就。具体教学活动案例实战演练场景如图5所示。

四、 结语

职业教育承担着培养专业型技术人才的重大责任，注重对学生动手能力以及实践操作能力的培养，而虚拟仿真教学通过虚拟仿真实训平台、虚拟仿真教学软件以及虚拟仿真实验室等为职业技术专业学生提供真实体验的场景和平台，促进了理论知识和实践的结合。虚拟仿真教学推动着职业教育的进一步发展，教学实施效果显著。通过沉浸式的体验与学习，学生仿佛身临其境，增加了课堂环境的真实感，极大地提升了学生的课堂参与度。基于口袋工程师等虚拟仿真学习软件，将游戏化教学与任务驱动教学相结合，寓学于乐，充分发挥了学生的学习主体作用，明显促进了学生自主学习能力的提高。在未来，虚拟仿真教学平台以及工具在教育领域中的深度融合与应用，将推动教育教学发生深刻的变革[16]。

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（编辑：王晓明）