虛擬仿真實驗教學在高校教學改革與人才培養中的應用價值

孫銳

（中原工學院藝術設計學院，河南 鄭州 450007）

21 世紀是科技飛速發展的時代，伴隨著互聯網技術的大面積普及，人類進入了新媒體時代，同時，該行業對人才的綜合素質的需求也逐漸提升，具備創新能力的人才需求也與日俱增。而高等學校作為人才培養與輸出的機構，其人才培養的質量好與壞將直接印象到高校的聲譽與發展。新時代的高校學生由于從小就接觸到網絡信息、網絡教育。因此，在學習興趣和學習潛力都具備接受數字化教學的能力。現代高校如何與現代技術相結合，從培養學生個性化的角度出發，如何打破傳統的教育教學方式，在數字技術為基礎框架上構建綜合性虛擬仿真實驗教學模式。為學生打造一條同理論學習到實踐中更為便捷的橋梁，充分發揮高校人才培養和學生能力開發的雙重潛能，為行業和社會培養出大量專業強、創新型人才。以信息技術為基礎構建多層次綜合性實驗教學模式，為學生搭建由理論走向實踐的便在下文中，以我院數字漫游虛擬仿真拍攝實驗教學模式為例進行說明：

一、傳統動畫專業實驗教學模式存在的問題

（一）動畫專業教學資源“做不了”的問題

傳統實驗教學由于實驗空間、設備的限制，在我院數字動畫漫游課程中學生無法親臨現場真實體驗漫游空間環境，如：太空空間站、軍事基地、深海隧道、山地礦坑等。這些空間存在高風險、高危險性，涉及到此類空間傳統實驗教學都是無法實現的，同時，面臨著行業對高校人才的諸多需求以及行業技術、知識的不斷更新換代的壓力和實驗室建設的實際問題，傳統實驗課程漸漸出現“做不了”的問題，比如：多人同時虛擬空間交互漫游技術、人物面部動畫捕獲、手指動作捕獲等設備更新問題，也制約著人才培養計劃的更新與調整。因此，引入虛擬仿真實驗教學模式就成了解決該問題的一個契機。

（二）動畫專業教學資源“做不好”的問題

我們現有的數字漫游實驗設備無法滿足現有學生的使用，使得實驗教學效果不佳。造成實驗“做不好”的原因主要有：首先，實驗教學設備屬于高精尖設備，價格昂貴，其中，動作捕捉系統包括：肢體捕捉、人物面部捕捉和手指捕捉，全景360 度拍攝設備就有兩目、四目、六目等級別，其價格小到幾十萬，大到上百萬。目前我們實驗室擁有動作捕捉系統中的肢體捕捉、VR 佩戴套件和全景360 度拍攝等設備，但是由于這兩部設備之間的引進時間相差5 年，所有在產品信息參數兼容和匹配上存在很大問題，是的實驗效果不佳。其次，數字設備價格高昂的同時，新設備、新技術的更新日新月異，高校設備沒有辦法做到設備和技術的實時更新和換代，所有高昂的實驗設備將面臨幾年后的技術落后和更新的問題，同時，高校設備申報報廢和申請新設備具有程序繁瑣、耗時久、設備參數縮水、設備很難整套引進等特征，所有的因素都造成了該實驗課程的滯后性和局限性。也造成了實驗效果不佳，學生實驗課程“做不好”。

（三）動畫專業教學資源“做不到”的問題

傳統實驗教學中涉及到的漫游空間模型的制作參數和相關數據信息大部分是依靠學生網絡收集、圖書查閱等途徑獲取，大部分學生獲取的相關數據信息存在信息陳舊、碎片化拼接、數據模糊等問題，主要原因是并沒有一個統一的制作標準或者參數來規范作品，同時，也沒有一個量化考核機制對學生的學習過程進行精準考核。因此，使得最后成型的三維空間環境和空間貼圖存在著精度不夠、結構不準確、比例偏差和紋理材質不準確等一系列的“做不到”等問題，實驗教學成果出現“圖有其形，卻無其神”現象嚴重。

（四）動畫專業教學資源“做不上”的問題

本專業實驗室的教學資源及設備數量有限，無法同時滿足所有學生課程需求，造成學生排隊上實驗或者共同使用設備，這樣將會造成學生實驗時長和學期強度大大縮水，從而造成了學生知識和操作掌握不牢，反復借用設備程度繁瑣，無法做到隨時隨地學習，從而對該課程失去興趣。從而造成實驗課程內容走馬觀花、淺嘗輒止，人才培養達不到應有的效果。這也虛擬仿真項目能夠與該課程緊密結合的根本目的。

二、虛擬仿真實驗教學模式的特點及優勢

虛擬仿真教學實驗的主要優勢有：

（一）實驗過程的形象性：利于教師結合實際教學需求，用逼真、立體的表現形式把抽象的實驗過程形象地演繹出來，最大限度地發揮虛擬元器件資源的優勢，以此提升教學效果。

（二）提供更高地可能性與安全性：輔助教師進行課堂實驗演示：如復雜實驗、危險性實驗、極端破壞性實驗、反應周期過長實驗、無法控制反應過程以及在傳統實驗室無法完成的實驗等，可以安全、直觀的展示出來。

（三）輸入到輸出的趣味性：借助對多媒體（音頻、視頻、圖像）技術、虛擬仿真技術、傳感技術、輸入輸出技術構建了一種高度虛擬現實仿真的實驗教學環境，使學習者體驗置身其中的感覺，能夠實現互動實驗教學，能最大限度地激發學生的自主實驗興趣以及解開物理奧秘的沖動，有助于發展學生的構建思維，具有獨特的實驗教學的實踐作用。

（四）突破實驗對客觀條件的依賴性：虛擬仿真教學設備的應用，破除傳統的教師講解以及一般教學輔助工具的使用，客觀上促進教學形式的優化，各類實驗能夠完整完成，隨時隨地，簡約直觀。

三、虛擬仿真實驗教學模式對教學改革和人才培養的價值

（一）結合專業特征打造學校特色實驗課程

1.發揮動畫專業優勢

虛擬仿真虛擬實驗的基本實現方式就是將真實實驗轉變成虛擬仿真交互實驗，而數字化、虛擬化特征恰恰是動畫專業的優勢。我們系成立于2002 年，是河南省高校類開始動畫專業最早的高校之一，在教學資源和師資隊伍及教學設備都較為成熟完善。數字漫游實驗教學的培養目標之一就是培養學生設計制作虛擬仿真空間并實現在其中的人機交互能力，這一技術恰恰與我們現在國家申報的虛擬仿真實驗教學項目的技術相似，我們的虛擬仿真交互實驗平臺就是由自己實驗中心的教學團隊和研發團隊制作完成的，其中學生的參與度達到60%。做到了學以致用，同時學生也可以參與到其他專業及學科的虛擬仿真實驗平臺的制作。真正意義上把我們的專業特色與該實驗教學項目結合在了一起，做到學有所用并實現與行業精準對接。

2.打造學校特色實驗課程

我們專業隸屬于文科，而我們學校是工科為主的院校，工科成為學校發展的重點，因此學校對工科方向的實驗課程建設的重視和投入精力遠遠高于文科實驗課程建設，出現了一邊倒的發展趨勢制約著文科專業的發展。然而，國家申報虛擬仿真實驗項目這一個契機，給擁有虛擬仿真先天優勢的動畫專業帶來了用武之地，我們正好可以發揮自己的專業優勢和特點，使我們不僅僅成為虛擬仿真實驗教學平臺的“使用者”，同時也是它的“創作者”，真正把培養原創性人才、創新性人才的高校人才培養任務落實到實處。我們也希望能夠借助這次申報機會打造屬于藝術類的特色實驗課程，成為我們學校的特色實驗課程，為藝術類學科的長遠發展建設積累豐富的經驗。

（二） 建立校企合作模式，企業實戰項目入校園，提升學生的實戰技能和積極性；同時，實現實驗教學成果的產學研。

1.對于開展校企合作項目中的高校

（1）通過該模式可以填補理論教學環節中落后于行業發展中知識的不足，讓理論教學內容與行業需求之間達到接軌。

（2）校企合作之間的雙向溝通，對高校建設“雙師型”師資隊伍，其成效會變得十分顯著，容易實現“內培外引，專兼結合”。

（3）該模式打破了校企合作中，高校尋找實習場地，企業向高校獲得廉價勞動力的低層次合作模式，使企業參與高校人才培養計劃和員工培訓過程，提升深化教學改革成效。

（4）高校運用該模式可以提高培訓質量，增加學生的專業技能和創新能力，從而可以拓展辦學空間，提升辦學效果，同時，增加社會效益和行業經濟效益。

（二）對于開展校企合作項目中的企業

1.企業可以吸引大量優秀的畢業生就業，通過提升員工技能的方式來提高知識轉化成生產力的效率，從而提高經濟效益和核心競爭力。

2.人才競爭的時代，公司之間的競爭實際上就是行業人員之間技能的競爭，企業可以利用和借助高校的教學資源，發揮高校的人才培養資源優勢，組件企業員工培養新模式，全面提升員工技能，從而達到高校與社會的資源優化配置的目的。

3.校企合作之間也可以拓展更頻繁、更廣泛的合作模式，比如：行業在引入新設備、研發新產品的過程中，可以發揮高校的智力優勢，把技術研發交給相關高校研究教師帶領學生一起去攻關，在一定時間內完成科研課題并達到各種設計要求，然后再有企業對科研成果進行鑒定評估后，從優收購后在最短時間內轉化成生產力，縮短產品研發周期，搶占市場先機。

（三）對于在校學生

讓學生在真實的實踐環境中學習，以學促用，以用促學，比較有新鮮感，學習主動性也會增強，學習效果也會有明天提高。通過開展企業現場教學、專題講座、崗位實習等社會實踐活動，提升學生團隊意識、質量意識、安全文明生產意識及職業道德，通過感受企業氛圍，為適應今后的工作打下基礎。

因此，該實驗項目的建設團隊中有三分之一的成員來自于社會企業中的骨干技術專家，他們能夠為教學團隊提供最新、最全面的企業人才需求信息，能夠讓學生的實踐成果與企業產品研發技術和方向保持一致性，同時也為高校教學團隊的科研方向提供很好的指引作用，這也是該項目的重要目的之一。

（四）對于社會

與行業之間進行實時接軌，向社會企業輸送所需技術人才。我們的研發團隊選擇數字漫游這門課程作為虛擬仿真實驗課程的重要原因就是該課程是當下的熱門行業，同時未來也將會是虛擬仿真的時代，這個是社會和科技發展的必然趨勢，在這樣的一個行業趨勢下，就會產生大量的人才缺口，而且對人才的需求會源源不斷甚至是搶手。

綜上所述，虛擬仿真實驗系統的最大優勢之一就是實時更新性，行業技術的不斷發展和科技的不斷更新，是的數字漫游行業永葆青春活力的動力，所有如何讓高校人才培養與行業人才需求向吻合，就要看高校人才培養中對學生接觸的知識和技術是否與行業接軌。虛擬仿真實驗系統可以做到技術和知識的實時更新，可以很好地與社會行業技術保持一致性，擺脫了高校舊設備的報廢、新設備申報安裝等所帶來的時間和金錢上的高昂付出。同時也向社會輸出大量的符合行業需求的人才。