“互聯網+”時代虛擬仿真實訓教學資源的建設

駱其城 趙國信 李柏輝

[摘 要]虛擬仿真實訓運用科學技術構建一個虛擬的實訓教學環境，將學生所要掌握的知識點進行重現，從而使學生在虛擬環境中掌握更多的知識。隨著新形勢下虛擬仿真技術的快速發展，虛擬仿真技術在高職教育和開放教育拓展實訓教學內容廣度和深度、延伸實訓教學時間和空間、提升實訓教學質量和水平等方面發揮示范效應。

[關鍵詞]高職教育;開放教育;虛擬仿真;遠程實訓

[中圖分類號]G712 [文獻標識碼]A [文章編號]1008-7656（2020）05-0005-05

引言

虛擬仿真實訓運用科學技術構建一個虛擬的實訓教學環境，在其中將學生所要掌握的知識點進行客觀重現，從而在虛擬環境中掌握更多的知識[1]。隨著新形勢下虛擬仿真技術的快速發展，虛擬仿真技術在高職教育和開放教育拓展實訓教學內容廣度和深度、延伸實訓教學時間和空間、提升實訓教學質量和水平等方面發揮示范效應[2]。

國家“十三五”教育事業發展規劃明確提出，“支持各級各類學院建設智慧校園，綜合利用互聯網、大數據、人工智能和虛擬現實技術探索未來教育教學新模式”[3]，虛擬仿真技術在實訓教學中是一種新的教育生產力，是實現“互聯網+實訓”的重要信息技術手段。

目前，高校利用信息化技術進行教學的主要手段有微課、慕課、翻轉課堂以及虛擬仿真實訓等。微課是以學習者為中心，以視頻為主要載體，記錄教師圍繞某個知識點或教學環節而開展的簡短、完整的教學活動，慕課則是由一系列微課教學資源組成的一個網絡平臺。翻轉課堂是教師創建教學視頻，學生預先觀看視頻，然后回到課堂上師生面對面交流和完成作業的一種教學形態[4]。它們實現了信息技術與傳統課堂教學的融合，但它們側重于理論教學方面的應用，學生缺少參與實訓項目的鍛煉。虛擬仿真實訓是借助現代化的信息技術，以構建主義和虛擬現實為理論基礎而建立的一種實訓模式。通過虛擬操作仿真實訓項目，使得教學更加形象和直觀，具有較強的浸入性和交互性，能有效提升學生的學習興趣和教學效果，從而成為高校利用信息化技術進行教學的重要選擇。

一、高職教育和開放教育實訓教學的不足之處

（一）高職教育傳統實訓教學的短板

在高職教育中，高職院校著重強調對學生實踐能力的培養，實訓教學成為理工科教學的重要環節。隨著高職院校各學科實訓項目和學生人數的增多，傳統的實訓室和實訓儀器數量較難滿足學生的學習需求，在教學使用上的不便之處也慢慢凸顯出來。解決傳統實訓教學資源不足、實訓方式單一、實訓器材維護費時費力、實訓內容固定難以拓展等問題，是目前高職院校新工科建設和課程教學改革中的重點。

（二）開放教育遠程實訓的制約

開放教育是運用數字化、網絡化和智能化的信息技術對教學資源進行融合，促進教學資源的優化配置和綜合利用，為各類學習者提供不同的服務。學習者可以利用現代化的信息技術隨時隨地進行學習，從而構建“人人皆學、處處能學、時時可學”的學習型社會。但學習者往往側重于理論知識的學習，缺少對實訓項目的實際操作，學習效果往往不如人意。因此，在開放教育實訓教學中如何為學習者提供遠程、高效、實用的實訓教學資源，是亟需解決的問題。

二、兩校建設虛擬仿真實訓教學資源的背景

廣東開放大學和廣東理工職業學院實行“一套班子，兩塊牌子”的管理體制。廣東開放大學現有開放教育學生37.2萬人，廣東理工職業學院現有高職教育學生1.2萬人，開放教育和高職教育這兩種不同的教學模式可達到資源共享、優勢互補的目的。學校虛擬仿真實訓教學資源就是以這兩種類型的教育為建設基礎，以典型案例為導向，突破常規教學模式受時間、空間、實訓對象等條件的限制，構建“互聯網+實訓”的教學環境。為此，學校加強與企業的協同合作，實現校企共建、多方合作、協同育人的目標，積極探索虛擬仿真實訓教學資源的建設模式。

學校虛擬仿真實訓教學資源是對現有各類實訓教學資源的數字化和虛擬化，為高職教育和開放教育開設的各類實訓課程創建了新的實訓教學環境。學校提供的各類虛擬仿真實訓項目綜合應用了多媒體、大數據、三維建模、人工智能、人機交互、傳感器、超級計算、虛擬現實、增強現實等網絡化、數字化和智能化的技術手段，豐富高職教育和開放教育實訓教學的應用模式和應用場景。在高職教育，它重點解決了實訓項在實際運行中的困難，包括高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓練等;它還可以與實體實訓室互補，讓原來難以開展的實訓項目成為可能。在開放教育，它為學習者提供了一個全新的學習平臺，學習者只需通過互聯網即可做虛擬實訓操作或在線實訓，無需到實體實訓室也能達到相應的學習效果，靈活安排學習時間、地點和實訓內容，受到學習者的歡迎。

三、兩校虛擬仿真實訓教學資源的建設

（一）虛擬仿真實訓教學平臺建設

廣東開放大學和廣東理工職業學院按照“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則建設了虛擬仿真實訓教學平臺，通過構建逼真的實訓操作環境和實訓對象，使學生在開放、自主和交互的虛擬環境中開展高效、安全和經濟的實訓，進而達到實體實訓室難以實現的教學效果。平臺集成了多個學科的虛擬仿真教學資源，輻射高職教育和開放教育，并積極整合和共享不同類型、不同校區的優質虛擬仿真教學資源，向各類層次的學生開放使用。平臺以高職教育和開放教育共有的專業為單位，以提高學生實踐能力和創新精神為核心，以現代信息技術為依托，以相關專業類的實訓教學信息化內容為指向，以完整的實訓項目為基礎，重點對專業受益面廣、學生多的理工科專業所急需的實訓課程建設了相應的虛擬仿真教學資源，從而開展虛擬仿真實訓教學，實現虛擬仿真實訓教學資源的共享共用。高職教育和開放教育的學生在平臺學習的過程中，可以獨立完成相應的實訓操作和設計，并得到相應的考核成績。同時，虛擬仿真實訓教學平臺部署在學校云服務器上，通過統一制定虛擬仿真教學資源的接口規范和標準，提高系統的安全性、兼容性和開放共享性，從而滿足不同專業和不同校區之間開展虛擬仿真實訓教學的需要，實現共享平臺和虛擬仿真教學資源的無縫對接與互相支撐。此外，平臺可以通過轉換的形式導入其他三維模型，并對模型進行動畫制作，包括通用三維CAD模型、3dMax模型、Maya模型和VRML模型等轉換接口。平臺突破了傳統實訓對時間、空間和實訓對象的限制，提供不同種類和各個層次的虛擬仿真實訓教學服務，可以實現遠程實訓、線上操作和智能考核等功能，具備較好的開放共享基礎。

（二）在線實訓系統建設

作為虛擬仿真實訓教學平臺的補充，學校聯合校外企業構建了“云+端”的智能開放共享在線實訓系統（如圖1所示）。學生通過訪問在線實訓系統，可有效地完成真實的硬件實驗。系統由“實驗在線共享平臺”和在線實驗硬件組成，其主要功能包括：教師根據實驗要求，把實驗使用的元器件實物和真實測量設備部署在實驗平臺上;學生安裝相關軟件后可以登錄實驗平臺，通過在電腦上搭接實驗電路、調整電路參數、測量指標等操作，與遠方實物操作達成一一映射，由此獲得與硬件實驗一樣的操控訓練效果。總體來說，在線實訓系統具有以下特色。

（1）遠程實訓

在平臺上部署一套或多套硬件（器件和設備），滿足本?；蚨鄠€學校的學生24小時在線實訓所需，滿足分散實訓的需求。在正常教學期間，一個器件完備、設備條件良好、不受時限的網上實驗室，不僅滿足學生實訓預習、操作溫習及課外研習的不同需求，也是對傳統實訓教學模式的有益補充。

（2）真實情境

實踐能力的培養需要面對各種硬件環境?？紤]到更高的實驗參與度，系統不但可以布局固化的模塊，還可以布局分立元和器件，滿足不同層次學校和不同水平學生的需要。系統還設計了教師在線幫助學生查詢、糾錯功能，把實境實驗條件下學生的自主優勢和教師輔導優勢還原于線上。

（3）閉環過程管理

系統可以支撐實驗在線預習檢測，助力教師遠程預習管理;平臺記錄學生實驗操作步驟，統計實驗實測數據等過程細節，比教師親臨實驗現場了解得更多;使用實測數據生成的實驗報告，杜絕作假。系統完成從預習到報告全過程閉環管理，成為可“認證”的實訓過程（如下頁圖2所示）。

（三）實訓教學的智能化

基于“互聯網+虛擬仿真”實訓教學平臺和在線實訓系統相結合的實訓教學資源，使得傳統的實訓教學向智能化發展。學生在遠程實訓的過程中，可以在虛擬仿真實訓教學平臺進行多次模擬，然后通過連接遠程在線實訓系統進行操作，從而真實體驗實訓教學的全過程。通過在線機器人對學生遠程操作進行實時指導和在線評分，為教師提供可量化的成績，從而實現遠程實訓教學的自動化、數字化、網絡化和智能化。這種智能化的“教、學、用”教學模式，促進學生知識、技能、職業素養協調發展，幫助學生從“學校人”向“準企業人”過渡。

（四）構建實訓課程新體系

廣東開放大學虛擬仿真實訓教學資源，致力于在開放教育和高職教育中打造多維度的理工類專業實踐課程體系和實訓教學平臺，從三個維度來構建科學的實訓課程體系架構。第一維度：教學模塊整合教學輔助資源。教師在虛擬仿真實訓教學平臺中可以整合各類教學輔助資源，學生在平臺的教學模塊可以調用資源進行自主學習。第二維度：實訓模塊使學生熟練掌握教學內容并應用。學生根據教學模塊的學習情況，在實訓模塊可以進行反復的虛擬操作，達到熟練掌握知識內容。第三維度：實際操作使學生切實掌握技能。學生經過自主學習和虛擬操作后，可以進入實體實訓室或遠程使用在線實訓系統開展實物操作，切實提高學生實際動手能力，并減少實訓設備的損耗和實訓材料的消耗。通過以上三個維度構建科學的實訓課程體系，確保各類教學輔助資源緊密結合并相互配套，滿足開放教育開展“互聯網+實訓”和高職教育培養學生實踐能力和創新精神的需求，減少傳統實訓室對硬件設施與場地的依賴。學生既能充分理解理論知識，又能熟練掌握崗位工作的方式和方法，解決立體化教材關聯性不佳、理論與實際結合不夠等問題，有效提高實訓教學效果。

（五）教學應用范圍

目前針對虛擬仿真的教學應用研究主要圍繞實踐教學（包括實驗、實訓、實習等）領域，以提高實踐教學質量，推進教學內容、教學方法和教學模式的改革，從而培養和造就更多合格的技能型人才與高技能人才。虛擬仿真實訓在高職教育和開放教育中對于解決個性化教學、智能化考核、標準化演示、工作職場展示、實訓內容開放性、縮短實操時間等方面有很大的支持作用。而云計算作為新一代信息技術，將改變虛擬仿真實訓教學資源的架構和應用模式，借助云計算技術搭建的虛擬仿真實訓教學平臺，可以對高校與高校聯盟的虛擬仿真教學資源進行統一部署和維護，從而整合高校和高校之間的軟硬件資源，降低虛擬仿真資源開發和采購硬件實訓設備的成本，實現資源的共享、共用，國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺就是典型的范例。

四、結語

隨著云計算、通信技術以及虛擬仿真技術的不斷發展，高職教育和開放教育對虛擬仿真教學資源的需求將越來越大。一方面，它使傳統的課堂教學逐步向網絡化教學探索，從而突破了時間、空間和實訓對象的束縛，推動在信息化技術條件下自主學習、探究學習、協作學習等教學方式改革。另一方面，它降低了傳統實訓教學的成本和風險，開展綠色教學，實現實訓教學的可持續發展。學校虛擬仿真實訓教學資源有效解決了學生線上實訓的難題，取得了良好的實訓效果。隨著5G技術的到來，虛擬仿真技術在高校的應用前景將會更加美好。

[參考文獻]

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[4]夏冬生，孫先念，朱公志.微課、慕課和翻轉課堂的特性及其相互關聯性的探究[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2019（4）：47-49.

[作者簡介]駱其城（1983-），男，廣東龍川人，廣東開放大學實驗師，碩士，研究方向：計算機技術、實訓室管理和實訓室建設等;趙國信（1965-），男，浙江諸暨人，廣東開放大學高級工程師，碩士，研究方向：校企合作、實訓室建設等;李柏輝（1995-），男，廣東茂名人，廣東開放大學實訓指導教師，研究方向：計算機技術和實訓室管理。

[責任編輯 肖志明]