資源建設新形態：虛擬仿真資源的內涵與設計框架*

王 娟，陳 瑤

(江蘇師范大學 智慧教育學院，江蘇 徐州 221116)

資源建設新形態：虛擬仿真資源的內涵與設計框架*

王 娟，陳 瑤

(江蘇師范大學 智慧教育學院，江蘇 徐州 221116)

虛擬仿真技術是近年來較熱門的技術，目前廣泛應用于教育信息化及高校實驗教學示范中心建設領域。由于我國虛擬仿真資源建設起步較晚，廣大研究者和實踐者對其還缺乏清晰的認識，致使國內虛擬仿真實驗教學中心推進緩慢。虛擬仿真資源具有沉浸性、交互性和構想性等特征，虛擬仿真資源設計需要在具身認知理論、情境認知理論及建構主義理論指導下，一方面遵循“共研共建、虛實結合、拓展共享”三大設計理念，另一方面設計架構“‘一體兩翼多平臺’的資源建設體系、‘多維度’的虛擬仿真實踐教學體系、‘多向度’的虛擬仿真軟件和產品”三個模塊，按照確定資源類型、細化設計腳本、編寫設計說明書、設計實施與開發四個環節進行設計架構。

虛擬仿真技術；虛擬仿真資源；情境認知；設計框架

隨著教育教學改革的不斷推進，教育部對高校實驗教學信息化工作提出了新要求。2013年8月，教育部決定開展國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設工作(教高司函[2013]94號)，2013年建設100個左右國家級虛擬仿真實驗教學中心[1]。2014年8月，教育部發布《關于開展2014年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》(教高廳函[2014]31號)[2]。2015年6月，教育部發布《關于開展2015年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》(教高廳函[2015]24號)[3]。截至2015年，我國已建成200個國家級虛擬仿真實驗教學中心，分布在全國155所普通本科院校[4]。

目前，推進虛擬實驗教學中心的建設已引起國內外學者的普遍關注，英國開放大學、美國耶魯大學、IE商學院等機構，為開展虛擬教學相繼推出了虛擬仿真教學資源和平臺。虛擬仿真資源是虛擬仿真實驗教學中心建設的重要內容，為學習者的動手能力、實踐能力及創新能力培養提供了資源和平臺。隨著我國虛擬仿真實驗教學中心建設的推進，大大提高了廣大教育工作者和研究者開發虛擬仿真資源的勇氣和信心，但通過文獻梳理與相關調查發現，當前國內外對虛擬仿真資源設計的研究較少。基于此，本研究重點探討虛擬仿真資源的內涵，通過虛擬仿真資源的設計理念，構建其設計框架、解析其設計流程，以期對我國虛擬仿真資源的建設提供借鑒和參考。

一、虛擬仿真資源內涵、類型與特征

(一)虛擬仿真資源的內涵

虛擬仿真技術是仿真模擬技術與虛擬現實技術相結合的產物，是綜合利用計算機圖形系統和各種現實及控制等接口設備，在可交互的三維環境中提供沉浸感的技術[5]。用虛擬仿真技術所創造的學習環境具有物理、環境和行為真實感，使學習者能在類似真實的情境中體驗解決真實的問題。

“虛擬仿真資源”對多數人來說并不陌生。文獻檢索發現，2012年國內開始出現“虛擬仿真資源”的文章和報道。張瑩在“以虛擬仿真資源為抓手，打造湖鐵特色教學資源平臺”中，首次對虛擬仿真資源的建設思路及與教學資源庫平臺發展提出了建設構思[6]。隨后，孫愛娟對職教領域虛擬仿真教學資源建設與應用進行了分析[7]。此外，為提高使用效益、創新應用模式，近年來圍繞虛擬仿真資源的高峰論壇不斷涌現，如“中國職業教育虛擬仿真教學資源高峰論壇”等。這些研究和活動主要是分享了虛擬仿真資源建設、應用的研究成果和實踐經驗，以及行業前沿和產品方案，但對虛擬仿真資源的內涵闡釋不多。

目前，國內外學者對虛擬仿真資源的概念界定尚顯模糊，為此筆者通過對近年來虛擬仿真資源資料、會議、報告等梳理，將虛擬仿真資源界定為：借助仿真技術和虛擬現實技術開發的、蘊含大量信息、可以被利用的各種顯現的或潛隱的條件和要素，主要涉及基礎設施和設備、實驗材料(素材、案例、影視、動畫、圖片、課件、教具等)、實驗軟件、支持系統等，通常包括仿真模型、仿真數據、仿真軟件和仿真平臺。當前各級各類機構，對虛擬仿真資源基本都采用自定方案的建設模式，暫無指定的設計方案。

虛擬仿真資源具有漫游、演示、互動、考核等功能[8]。目前虛擬仿真資源主要應用在軍事與航天、城市規劃與經營、建筑設計、房地產、科技館、博物館、古文化遺產還原與保護、模擬訓練、游戲、娛樂、通信、醫療、教育、藝術、體育、分子化學、科學計算可視化等領域。虛擬仿真資源的教育領域應用主要體現在醫學教育、電類實驗教學、機器工程實驗教學、現代通信網絡實驗教學、市政環境實驗教學等領域(如圖1所示)。

圖1 虛擬仿真資源的教育應用

(二)虛擬仿真資源的類型

目前，我國虛擬仿真資源的開發正處于急速發展期，對虛擬仿真資源的分類主要涉及以下兩種：

第一種方法將虛擬仿真資源分為四類：一是教材知識類，依據教材及教學大綱，系統化構建仿真資源，將抽象的知識形象化、立體化；二是現有實驗類，將現有實驗虛擬仿真，以拓展真實實驗，擺脫地點限制，隨時隨地實驗學習；三是企業一線類，由市場決定生產、資源圍繞一線服務，即將企業一線的生產環節、制作過程、操作環節(難理解、難表達、意義大)虛擬仿真，以便學生在校內體驗學習；四是設想類，屬于設想或規劃，沒有實物參考，可依靠講解、網絡搜集圖片、參考書籍資料，進行仿真教學資源開發，便于學習交流。

第二種方法是按照不同的應用技術、依托平臺、使用方式及學科屬性劃分[9]：這里借鑒胡今鴻的觀點[10]，按應用技術分為沉浸式實驗(虛擬現實技術)、計算機虛擬實驗(多媒體)、分布式協同實驗(網絡)、個性化自主實驗(教育游戲軟件)、遠程交互實驗(遙控技術)等資源；按平臺特征可分為虛擬仿真實驗室、移動實驗室、網絡實驗室等資源；按使用方式可分為軟件共享、儀器共享和遠程控制三種資源。

(三)虛擬仿真資源的特征

用虛擬仿真技術開發的資源具有沉浸性、交互性、構想性等特征，同時具有將知識點附加到三維模型上，三維結構可任意旋轉、縮放，互動拆裝，實現三維可視化。具體體現如下：一是沉浸性，指使用者完全融入計算機所創建的虛擬環境中，真正實現人與虛擬環境的“融合”。理想的虛擬環境達到了讓用戶真假難辨的程度，如電力安全培訓的虛擬操作過程，將安全事故的沉浸式體驗突出強化，從而帶來視覺、聽覺、觸覺、嗅覺上的感觀刺激[11]。二是交互性，指虛擬現實系統能夠提供方便、豐富、自然的人機交互手段。用戶可以用手直接抓取模擬環境中虛擬的物體，并有抓握的感覺，被抓的物體也能伴隨一起移動，如Kinect體感游戲。Kinect是一種3D體感攝影機，只要手勢或聲音就能進行游戲操作，使人機互動的理念更徹底[12]。三是構想性，指針對某一特定的領域，解決使用者的應用需要及豐富的想象力，使人沉浸在虛擬環境中產生聯想和構建，延伸出新的理念和想法，進而產生認識上的飛躍。

二、虛擬仿真資源設計的指導理論

(一)具身認知理論

具身認知觀認為，環境是認知過程必不可少的部分[13]，人的認知是身體、環境、活動三者協同作用的結果[14]。基于此，虛擬仿真資源設計應將技術置于整個人類實踐的境脈中考察，探索如何將技術用于擴展人類的認知系統并付諸實施，在此過程中，技術從“可見”走到“隱形”[15]；同時需要將虛擬學習空間和現實世界有機結合起來，提供學習者實踐參與的、個性化、高互動的學習環境，即使得學習者在技術支持下創造屬于自己的學習環境，學習在一個合作共變的過程中得以發生。在該過程中，技術及其支持下的學習環境不再是外在學習者的系統，而是內化為學習者認知系統的一部分[16]。

(二)情境認知理論

情境認知由實踐共同體的邊緣者逐漸到積極主動接觸實踐共同體文化的核心，并在實踐共同體協助下完成知識的意義組建[17]。情境認知理論強調，教學設計的理論應與實踐相結合，通過真實的情景進行教學。知識通過情境獲取，影響著虛擬仿真資源的教學系統和學習環境的設計與開發[18]。因此，運用虛擬現實技術構建虛擬教學情境，應從學習者的認知心理出發，掌握學習者已具備的知識和對情境的理解，使得新舊知識順利銜接，形成自己的認知結構，提高認知能力；并將學習資源通過超級鏈接的形式添加到場景中，充分發揮學習者的自學能力[19]。

(三)建構主義理論

建構主義理論認為，理想的學習環境包括情境、協作、交流和意義建構四個部分，情境創設是教學設計中最重要的環節[20]。虛擬現實技術的沉浸性、交互性和構想性，使學習者能沉浸其中，形成具有交互效能多維化的信息環境，把新舊知識聯系起來，達到知識建構的目的。借助虛擬現實技術構建逼真的虛擬環境，能夠解決學習中的情景化及交互性的問題，激發學生的求知欲，加深對知識的理解。虛擬仿真資源情境的創設多種多樣，可以借助語言描述、圖畫展示、視頻、多媒體設備創設。如物理、化學、生物實驗中，使用虛擬仿真資源提供了一種身臨其境的環境；歷史、地理等學科教學中，則可以模擬歷史人物及自然現象。

三、虛擬仿真資源的設計理念

為了創造有價值的虛擬仿真資源，使之在創新型人才培養、虛擬仿真實驗教學中心建設中發揮重要作用，應建立資源融合、多方協同的合作模式，構建出技術先進、功能多樣、近似真實、高效管理的虛擬環境。因此，虛擬仿真資源必須理性設計，應遵循三大理念，即共研共建(牽手行業頂尖公司、共研虛擬仿真資源)、虛實融合(虛擬資源遠程控制、傳統實驗和虛擬實驗無縫對接、開放融合)、拓展共享(重視實驗教學、拓展資源共享)。這三種理念共同指導著高質量虛擬仿真資源的設計與開發(如右圖2所示)。

(一)共研共建——牽手行業頂尖公司，共研虛擬仿真資源

虛擬仿真資源在設計過程中，應堅持開放共享，突出實驗資源的“高精尖”“現代化”和“職業化”，與國內頂尖公司共同研發虛擬仿真實驗軟件，結合實體實驗教學資源，與國內外多家大型產業基地合作，形成“一體兩翼多平臺”的實驗教學體系，借助虛擬場景制作仿真實訓軟件、借助軟件模擬實驗制作過程，讓學習者參與各類仿真設計和場景設計。唯如此，才使開發的資源具有不可替代性和可移植性，延伸實驗的空間和實踐，提升學習者的學習興趣和設計能力，提高實驗的效果和效率[21]。

圖2 虛擬仿真資源的三大設計理念

(二)虛實結合——虛擬資源遠程控制，虛實結合開放融合

虛擬仿真資源可以把實驗成本高、大型綜合訓練，以及環境、硬件、安全無法保障的實驗項目，通過虛擬仿真實驗教學完成；大型昂貴的實體實驗一般在共建的產業實踐基地完成；基礎性的實驗、一般性技能訓練，則通過中心實體實驗進行實訓。部分虛擬仿真實驗資源，可以通過相應網站的開放共享實驗課程實施遠程操作，達到與實驗室操作同樣的實訓效果。同樣，學習者可以借助課程資源共享平臺或手機微信公共號與實踐指導教師交流，實時地得到指導。虛擬仿真資源容易遠程操作，其建設應遵循“能實不虛、虛實結合”的原則，促進其可持續發展和良性循環。

(三)拓展共享——重視實驗教學，拓展應用領域

虛擬仿真資源設計應以單元集成、自主研究和開發、校企合作開發、虛擬仿真技術研究成果轉化、典型工程項目轉化為主；強調實踐教學的重要作用，結合實驗教學實際，關注虛擬仿真再現工作，并將其設計為虛擬實驗資源。同時，注重校企合作、資源共享，通過校企合作共同開發實驗軟件，形成“產學研”一體化的實踐教學體系；采用科研成果和校企合作開發，使資源具備良好的科學性、前沿性、實用性，保證資源的先進性、創新性。因此，虛擬仿真資源設計應體現實驗資源整合、教學科研結合、校企聯合的“三合”理念，使得資源真正共享、全面共享成為可能，進而推動資源的開放及推廣應用。

此外，虛擬仿真資源設計也體現在3個“1+1”模式上，即“課程+項目、創作+競賽、虛實+基地”。其中“課程+項目”是精心設計實驗資源，結合研究課題和教學創新實踐，全面提高實驗的針對性和技能掌握的實用性，開發出針對性強的資源。“創作+競賽”是實驗資源在技能實訓的同時強調整體創作訓練，鼓勵學習者利用各類專業競賽帶動科研創作與實踐技能的提升。“虛實+基地”指設計的實驗實訓資源，強調理論與實踐融合、校內與校外兼容、校企兼容、專業互補等，同時通過校外創新實踐基地進行全方位的實體體驗，達到“虛實相應、協調互補、全面提高”的實訓效果。

四、虛擬仿真資源的設計框架和內容

新一代虛擬仿真技術注重學習者的主動參與，使得虛擬仿真資源發展將轉向“理、虛、實”一體化方向，即將“有限的物理空間”拓展成為“無限虛擬空間”，實現多地、多校、多專業的資源整合和共享，形成虛實結合、師生互動、自主學習的虛擬環境。目前，將仿真平臺和各種教學資源融為一體，實現教學內容立體化、教學過程和管理現代化，并通過平臺實現在線教學管理、學習指導、成績考核等任務，已得到廣泛應用。如數字電路虛擬實驗室教學資源以Multisim10仿真軟件為核心，將資源分為課前學習資源、實驗課教學資源和課后學習資源三部分[22]。

虛擬仿真資源作為虛擬仿真實驗中心建設的重要組成部分，目前還缺少成熟的設計理論和開發過程模型。虛擬仿真資源設計應充分考慮信息特點，采用面向對象設計方法，遵循模塊化設計理念，各資源模塊應劃分清晰、相互獨立、具備高內聚、低耦合的特點。為此，基于對虛擬仿真資源的認識及實踐經驗，研究構建了虛擬仿真資源的通用設計框架，該框架包括四層，分別是理論指導層、模塊要素層、資源樣態層和資源管理層。

虛擬仿真資源設計在具身認知、建構主義和情境認知理論指導下，由實現虛擬仿真教學系統所需的多類資源組成，主要包括仿真軟件和產品、教學素材資源、相關平臺和實踐教學體系。其中教學素材資源是資源庫建設的核心任務，網絡平臺是資源庫運行的關鍵要素，實踐教學體系提供了支撐架構。教學素材資源主要建設虛擬實驗、課件、圖片、視頻和動畫等素材，為學習者提供設備、操作練習及實驗案例等資源，如虛擬實驗開發、教學課件、教學動畫及教學錄像等；同時設計出滿足實驗教學、互聯網教學、課堂教學的仿真軟件和產品，開發出不同形態的資源。此外，虛擬仿真資源還應加強管理，如O2O操作、仿真創新活動等。

(一)“一體兩翼多平臺”的資源建設體系

虛擬仿真資源設計應以“虛擬結合、資源共享、開放融合”的理念，構建“一體兩翼多平臺”的資源建設體系。“一體”指實驗資源體系，“兩翼”指實體實驗資源和虛擬實驗資源(如圖3所示)。實體實驗資源即傳統的實驗平臺資源，虛擬實驗資源包括“虛擬場景制作仿真實驗”“特殊虛擬仿真實驗”等資源。實際上，實體實驗為虛擬實驗提供內容資源和實訓目標，虛擬實驗則通過高效、便捷、低成本的方式成為實評實驗的重要支撐。

圖3 “一體兩翼多平臺”的虛擬仿真資源建設體系

(二)“多維度”的虛擬仿真實踐教學體系

虛擬仿真資源設計應著眼于社會需求和未來發展，緊密聯系實體實驗和理論教學，構成“虛擬、實體、理論”三位一體的課程體系，將虛擬實驗分為基礎實驗、技能訓練、綜合實驗三個層面，強調與理論、研究成果、企業、實體實驗的融合，打造“產學研”一體化的資源建設模式(如圖4所示)，如常規實驗、實驗仿真(教學、培訓)、科研服務實驗項目、虛擬仿真實驗項目演示、實驗課程和實驗項目的多媒體課件演示。通過觀看實驗視頻或課件，可以了解實驗過程，完成部分虛擬實驗操作，提高學習的主動性、獲得更好的實驗效果。

圖4 多維度的虛擬仿真實踐教學體系

(三)“多向度”的虛擬仿真軟件和產品

虛擬仿真資源的實踐教學應用主要體現為：課堂教學(多媒體教室+互聯網)、實驗室教學(局域網絡版)和互聯網教學(在線教學平臺，如筆記本、IPAD、手機等)。但目前高校的虛擬仿真資源多存在知識點掌握度不夠、規范操作意識薄弱、實踐能力差等問題，虛擬仿真資源設計需要遵循“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則，需要開發面向不同學習者的虛擬仿真軟件，需要和企業合作開發虛擬仿真產品。如目前比較有代表性的仿真教學軟件，包括NOBOOK虛擬實驗室系列仿真軟件、Vcm仿真實驗、仿真軟件Multisim等，這些軟件有助于理論和實踐的融合，提高行業綜合實力。

五、虛擬仿真資源設計的流程

虛擬仿真資源是根據用戶需求開發的仿真資源，包括系統和設備的三維模型、相關視頻和動畫、操作流程、典型案例等。目前，國內對虛擬仿真資源設計的具體流程還處于探索階段，大多是對虛擬仿真實驗教學中心的設計和研發。為實現優質資源的充分共享、滿足專業建設和現實發展的需求，在借鑒職教領域虛擬仿真教學資源建設基礎上，研究提出了虛擬仿真資源設計的通用流程，包括：確定資源類型、細化設計腳本、編寫設計說明書、設計實施與開發四個環節(如圖5所示)。

圖5 虛擬仿真資源的通用設計流程

(一)確定資源類型

傳統的實驗設備和技術條件有限，集成度低，完成的實驗功能單一，因此虛擬仿真資源設計首先要明確資源的類型，提供資源設計指導書、設備圖片、示意圖或視頻(展現或說明設備的結構、原理、使用過程)等必要的說明材料。如虛擬仿真資源平臺應具有豐富的網絡實驗教學資源，包括基礎實驗、實踐培訓、實驗項目介紹、部分虛擬仿真實驗項目的演示視頻、課程和實驗項目的多媒體課件等。一般而言，虛擬仿真資源主要包括實驗教學類、實踐培訓類和科研服務類等資源，這幾類資源應滿足學校、企業、地區的虛擬仿真實踐教學需求，實現校內外、本地區及更廣范圍內的資源共享。

(二)細化設計腳本

腳本應包括虛擬仿真資源涉及的實驗項目、實驗軟件、仿真環節等設計、展示形式、實驗的方法和步驟、實驗數據分析方法及標準等。其中，“教”的環節主要涉及教學流程、實驗完整事項等文字、視頻或語音的介紹；“學”的環節需要展示相關內容，如觀看實驗步驟、了解實驗儀器結構及操作方式等；“練”的環節主要是進行實驗練習、模擬演示、實訓操作等；“考”的環節主要描述實驗數據的分析、處理方法，得出實驗結果，對使用者的演示、操練過程進行評價等。

(三)編寫設計說明書

虛擬仿真資源設計需要依托虛擬現實技術、360度全景展示技術、網絡通訊技術和人機交互技術等現代技術手段，以實現多種功能為主，同時通過情景再現，為科學研究提供實驗支撐和數據支持。虛擬仿真資源設計需要編寫“設計說明書”，制作軟件、注意事項以及操作使用方法(如相應設備、儀器、儀表、工具等的圖片或錄像)。如江蘇師范大學軌道交通信息與控制虛擬仿真實驗，功能設計完備、說明充分，有效地解決了傳統實驗和實訓質量考核難的問題。

(四)設計實施與開發

虛擬仿真資源是多種教學資源的融合，需要構建技術先進、功能多樣、貼近實際的虛擬環境，為學習創造有力條件，使資源建設促進教與學模式的變遷。因此，在腳本設計基礎上需要對虛擬仿真資源進行虛擬場景、三維模型的搭建，制作相關視頻、動畫、演示操作等(如圖6所示)。此外，虛擬仿真資源設計還需考慮操作場景模型，按照虛擬教學訓練平臺要求設計仿真資源包，視頻和動畫制作要依據制作腳本整理、制作、輸出素材。

圖6 虛擬仿真資源設計流程

總之，虛擬仿真資源設計，應注重過程設計、重視資源呈現的樣態(視頻、動畫、虛擬場景等)，利用制作軟件預演、修正與完善，從而制作出最佳的資源。當下，物聯網、云計算、大數據等技術的快速發展及在教育領域的逐步滲透，正在改變教育的運作模式[23]。虛擬仿真教學資源建設是實現教育信息化的重要抓手，作為虛擬仿真實驗教學中心建設的重要內容，未來其重要性將會更加凸顯。

[1] 教高司函[2013]94號. 關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知[Z].

[2] 教高司函[2014]31號.關于開展2014年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知[Z].

[3] 教高廳函[2015]24號. 教育部辦公廳關于開展2015年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知[Z].

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The New Form of Resources Construction:The Connotation and Design Framework of Virtual Simulation Resources

Wang Juan, Chen Yao

(School of Smart Education, Jiangsu Normal University, Xuzhou Jiangsu 221116)

Virtual simulation technology is a hot technology in recent years. Now it is widely used in education informatization,the construction of experimental teaching demonstration center in Colleges and universities. The construction of virtual simulation resources in our country starts late, and the majority of researchers and practitioners still lack a clear understanding, which leads to slow development of virtual simulation experiment teaching center in China. The virtual simulation resources have three characteristics, that’s immersion, interactivity and imagination. The design of virtual simulation resources needs to be guided by cognitive theory, cognitive theory and constructivism. On the one hand, we should follow three design concepts, including co construction, combination of dummy and reality, and expanding sharing. On the other hand, we design three modules, including resources construction system on “one body and two wings and multi-platform”, virtual simulation practice teaching system on “multi dimension”, and “multi-dimensional” virtual simulation software and products. According to the step of determining the type of resources, detailed design script, writing design speci fi cations, designing implementation and development to design framework.

Virtual Simulation Technology; Virtual Simulation Resources; Situational Awareness; Design Framework

G434

A

王娟：博士，副教授，碩士生導師，研究方向為現代遠程教育、開放課程(wjuan8@163.com) 。

陳瑤：在讀碩士，研究方向為教育信息化與智慧教育。

2016年9月23日

責任編輯：趙興龍

1006—9860(2016)12—0091—06

*本文系2016年教育部人文社會科學研究青年基金項目“‘互聯網+’時代高校智慧型課程構建的理論與實踐”(項目編號：16YJC880074)階段性研究成果，受江蘇高校品牌專業建設工程資助項目(項目編號：PPZY2015C204)資助。