基于“智能+教育”的虛擬實驗共享平臺設計策略研究＊

侯國棟，李 媛

（武漢華夏理工學院，湖北 武漢430223）

在第三次教育改革中，教學形式逐漸走向多元化和個性化教學，虛擬教學、分散式教學、網絡教學都將成為教學的一部分[1]。“虛擬仿真實驗實訓的課程有可能是一種新的教育生產力”[2]，建設跨學科的虛擬實驗共享平臺對于適應當今高等教育改革的潮流，推動應用技術型大學快速發展具有重要的意義。設計和開發虛擬實驗共享平臺要貫徹虛實結合、能實不虛的總原則，以學生為本，堅持需求導向和問題導向，從多個維度把握設計的基本方向，客觀地看待其優勢和不足，有針對性地建設，高質量地建設虛擬仿真教學資源。

1 新形勢下的“三F”學習需求分析

近年來，數字化和智能化的學習、工作、生活方式正在給人們帶來巨大的便利，傳統的諸多模式發生了動搖甚至變革。在教育領域，教學改革和教學創新是當前高校本科教育發展的重要方向，智能化、自主化的混合式學習成為教育改革的一個目標，新技術的不斷發展，引發了教學形態的變化。因此，深入研究學生的學習模式和學習需求具有一定意義。

1.1 “三F”學習需求

從教學過程及效果分析，教學中存在一些問題，集中表現為學生對課堂內容、教學形式的需求與傳統教學的“供給”不匹配，即“供需不平衡”。所以，在進行“供給側”改革的過程中，首先需要對學生的教學需求進行分析，“三F”需求是較為突出的3個需求。

學生的學習專注度（Focusing）。其表現為知識點不能完全滿足學生的需求。不同的時代背景對于知識的需求程度是不一樣的。在“智能+教育”的大背景下，學生獲取知識的渠道更加廣泛，在網絡中能找到非常理想的教學資源，其多元化的教學模式和適時更新的速度遠遠超過傳統教學課堂。傳統的教學模式對學生的吸引力在降低，如何提高學生的課堂專注度成為亟待解決的問題。

對教學情況的反饋度（Feedback）。教學中的反饋體現在課堂的即時互動和課后的教學反饋，其中課堂互動是在教學環節中師生隨時進行信息反饋，教師能及時關注到學生對知識點的掌握程度，也能提高學生對課程的參與度和專注度。傳統實驗教學主要是實物演示和操作，數字化和智能化程度較低，不能將實驗效果及時向學生反饋，不能將學生的學習需求及時向教師反饋，教師、學生、實驗項目三者信息不對稱，影響了教學效果。

自由度（Freedom）。自由度不足，傳統教學中教學模式、教學內容相對固定，缺乏自由探索的空間，課堂韌性不足。

1.2 虛仿實驗解決“三F”需求

長期以來，沉浸感（Ⅰmmersion）、交互性（Ⅰnteractivity）、構想性（Ⅰmagination）構成的“三Ⅰ”特性[3]，既是虛擬現實系統的特征也是其優勢，更是其建設的方向。虛擬現實技術有效滿足了學生的“三F”學習需求。

在實驗教學中引入虛擬現實技術，將給教學工作帶來多方面的變化。沉浸感（Ⅰmmersion）有助于提高學生的專注度（Focusing）；交互性（Ⅰnteraction）有助于解決學生的反饋度（Feedback）；構想性（Ⅰmagination）有助于開闊學生的思維，提高自由度（Freedom），即用“三Ⅰ”的特征解決“三F”的需求，如圖1所示。

圖1 “三Ⅰ”特性和“三F”需求

2 當前虛擬仿真實驗教學的局限性分析

虛仿實驗項目建設需要多元融合，教育理念、知識儲備、軟硬件設備、運行機制等都是重要的影響因素，決定著項目的建設水平。當前虛仿實驗教學項目還存在一些不足之處需要解決。

2.1 實驗教學與理論教學緊密度低，容易脫節

理論教學與實驗教學如何有效銜接是長期存在的問題，在虛仿實驗中，這個問題仍然有一定的普遍性。通過虛仿的方式在實驗環節融合理論知識是虛仿實驗項目改進的一個方向，需要在實驗項目的宏觀設計、腳本設計、虛擬技術應用以及美工設計等多方面進行努力改進。

2.2 師生對項目開發的參與度低，虛仿項目不能完全契合教學需求

一方面，常見的虛仿項目以購買商用軟件為主，這類軟件往往綜合了較多高校的實際教學需求，具有較好的實用性，但是并不能完全滿足個體高校的需求，尤其是在學校層次存在較大差異的情況下，脫節程度往往較高，參與實驗教學的師生基本不能或者較少參與軟件的開發，項目的改進意見和方案很難得到應用；另一方面，由于商用軟件的兼容性等軟硬件問題和對編程語言等技術的掌握情況，導致師生很難二次參與項目的改進。

2.3 實驗內容靈活度低，自主學習內容不足

一方面，項目建設以完成教學大綱規定項目為主，實驗內容固化不能緊跟社會發展；另一方面，很多虛仿實驗室以演示性、驗證性項目為主，缺少綜合性、設計性項目，學生探索空間較小，不能有效地進行自主學習。

2.4 虛仿項目孤立存在，沒有與相關知識點形成銜接

在虛仿項目建設早期，建設經驗不足，側重于開展少量實驗項目或者課程內實驗等較小范圍的嘗試，缺乏從專業、學科及跨學科等角度進行宏觀設計。這就造成已建成的虛仿項目孤立存在，沒有形成相互銜接的項目群。這就需要在后續建設中，開展頂層設計，將擬建項目與原有虛仿項目有機結合，并預留未來發展空間，把不同的教學環節串聯，形成新的教學模式。

2.5 多人協同和遠程教學準備不足

在2020年新冠肺炎疫情防控期間，截至2020-04-03全國高校學生在線學習人次達到11.79億。線上教學在一定程度上緩解了教育的壓力，但是也清晰地感受到其中的不足之處和需要改進的地方。大量的實驗教學課程無法順利展開，很多虛擬仿真實驗不符合遠程教學的條件，教師只能遠程示范甚至暫時取消實驗環節。此外，傳統實驗中的多人協同實驗在虛擬實驗項目中不能完整展開。

3 虛擬實驗共享平臺設計原則

綜上分析，根據學生的學習需求、結合當前虛擬實驗教學的局限性，本文提出建設虛擬實驗共享平臺的設計原則。

3.1 以虛補實原則

虛仿實驗項目是理論教學的延續和傳統實驗教學的改革，是課程建設和專業建設的重要組成部分，所以必須從全局的角度進行宏觀設計，融合理論、實驗、多媒體、網絡通訊等元素，使其成為教學的有機組成部分。

虛擬項目要與傳統線下實驗教學相融合，能起到互補、完善的作用。在項目設計中用虛擬實驗把理論教學、線下實驗等教學環節有效銜接起來，綜合訓練學生多方面的認知、判斷、動手、協同等能力，建立自主學習、個性化學習的實驗教學平臺。

要與理論教學相融合，能延伸、拓展和補充理論教學的知識點，對理論知識進行驗證并升華，進一步探索和創新，最終突破知識閾值。建構主義學習理論說明了知識更多來源于學習者主動探索和獲取，這一點正是虛擬仿真實驗教學的優點。

3.2 通用設計原則

標準化設計是指在一定時期內，面向通用產品，采用共性條件，制定統一的標準和模式，開展適用范圍較廣泛的設計。在虛擬場景設計方面，采用數學生成和實景相結合的綜合建模方式[4]，從正向和逆向2個方向進行建模，有效提高設計效率和質量，為項目的可持續開發奠定基礎，師生可以按照通用標準對項目進行調整優化，滿足不同層次的需求。

虛擬實驗項目設計既要立足當前需求也要保證未來項目順利拓展，因此在虛擬現實引擎選擇、三維模型標準化制作和渲染等方面需要進行標準化設計，在項目策劃前期對模型線數、面數、貼圖、紋理等標準，以及系統單位、文件格式、音頻、視頻、教學文件、命名規則等內容制定統一的設計規范，有效縮短項目開發周期。

3.3 多元混合設計原則

傳統教學模式下，理論學習和實驗教學是分離的二元學習狀態，物理空間割裂了知識之間的聯系，影響了教學效果。在虛擬仿真實驗項目設計中，要針對性地提出解決方案，開展一體化教學。在虛仿實驗項目中設計教學考練等自主學習環節，開發語音廣播、PPT導入、音視頻導入、自由標注、常規題考試等功能，學生可以在虛擬環境下同時開展教學、學習、考核、練習等任務，真正實現“做中學，學中做，學做貫通”。利用信息化技術打破理論課堂與實踐課堂傳統壁壘，以學生為中心，重構課堂，探索虛實結合的混合式教學模式。

3.4 需求導向原則

格式塔學派的認知主義學習論強調了學生的主體作用，認為內在動機是強化學習活動的重要動力因素[5]。虛擬仿真實驗教學建立以學生為中心的學習方式，既有傳統教學的親切感，也有“智能+教育”的新鮮感，激發了學生的主體意識和主動學習行為。

虛仿實驗項目要凸顯學生的主體地位，將學生的需求貫穿于虛仿項目規劃、設計、實施等整個流程，盡力提供能滿足教學需求的實驗方案，以問題方式展開教學，培養學生提出問題、解決問題的探究精神，提高思維能力和創新能力，激發學生開展自主學習。

4 虛擬仿真實驗項目設計策略

通過研究虛擬現實技術的優勢和不足，深入分析目前虛擬仿真實驗教學項目建設和發展過程中存在的問題，提出新的設計策略。

4.1 基于知識結構重塑設計

腳本設計是虛仿實驗項目設計的首要環節。腳本設計要從宏觀規劃和整體設計著手，抓住影響學生能力訓練的核心環節，把知識點設計與專業能力提升相對應，把能力訓練細化為項目任務點，在轉化的過程中探索融合的方法。因此，虛仿實驗項目設計需要脫離傳統實驗思想的束縛，對原有知識體系適時進行梳理、調整、更新。

知識結構重塑表現為虛仿項目的知識性、實踐性。知識性體現在虛仿實驗項目不僅能完成實驗教學，還可以連接理論教學、線下實驗、教研科研，串聯不同的教學環節，并且能整合其他相關課程，實現多元融合的課程體系。實踐性體現在虛仿項目不僅是對專業知識地驗證和既定實驗項目地完成，還能設計新的教學環節，學生根據已有知識能夠進行新的嘗試和探索，達到創新能力培養的效果。

4.2 基于深度交互設計

隨著虛仿項目的知識結構重塑，教學內容大幅增加，對虛擬教學體系提出了新的要求，知識性和實踐性設計要求能開展立體化教學，在三維場景中完成教學、學習、考核、練習等任務。在立體教學中，單純的人機交互已經不能完全滿足教學需求，師生互動、生生互動等人際溝通的交互同樣需要在項目中得到體現。

設計深度交互方式，需要應用新的虛擬現實技術和網絡傳輸技術，在虛仿實驗中適時進行畫面傳輸和語音交流，實現遠程、異地、多人協同互動[6]。隨著5G通信技術的發展，傳輸速率提高、網絡延時縮短，為深度交互提供了技術支持。

4.3 基于二次開發設計

虛仿實驗項目的設計和使用之間存在信息不對稱的問題，商業化的軟件有時不能完全滿足個性化教學需求。師生在使用過程中，由于版權、程序語言等限制無法對這些軟件進行修改，降低了實驗效果。因此需要設計能夠進行二次開發的虛仿實驗項目。

專業課教師要參與實驗內容設計，成為虛仿實驗項目開發的主體。隨著技術進步，一些軟件提供了零編程的交互編輯器，采用可視化圖形拖拽的方式設計交互邏輯，完全取代了傳統代碼編程，用戶只需要稍加熟悉就可以開展設計；此外還有一些軟件推出了基于Python腳本的二次開發功能，用戶可以進行更高級的深度開發。專業課教師積極參與虛仿實驗項目開發，采用門檻較低的虛仿設計引擎，設計針對師生的具備二次開發功能的開源項目，將有效提高虛仿實驗的針對性和普適性。

4.4 基于學科新技術融合設計

虛擬仿真實驗項目將緩解線下實驗的滯后性問題，通過仿真方式把專業學科的新技術引入虛仿實驗中，在傳統的經典實驗中注入新元素，使其更具時代特征。

引進學科新技術展開設計是創新訓練的一個內容。通過虛擬仿真，在老設備中引入新的技術，把真實條件下暫時不可能實現的構想做出來，營造自由探索的空間，培養學生的創新思維和自主學習能力。虛仿實驗應用新的信息技術，在實驗流程管理、實驗效果評價等領域具有數據優勢和智能優勢，能推動項目內容持續改進。

4.5 基于積木化設計

積木化設計是指虛仿實驗項目中的功能模塊可以積木化重組。知識結構重塑和各類虛仿項目不斷建設，虛擬現實技術在教育中的應用更加廣闊，虛擬項目之間的聯系也更加密切，項目分拆、兼并都將成為可能。因此，在虛仿實驗項目開發中必須制定建設標準，增加兼容性和通用性。

按照標準化設計的各功能模塊都將成為整個教學體系的有機組成部分。根據教學需要隨時調用各個模塊，按照開發策略和框架，以搭積木的形式迅速開發新的虛擬實驗教學項目，大幅提高了項目開發效率。

5 結束語

本文基于虛擬仿真實驗項目建設面臨的問題展開分析，提出針對性的設計原則和設計策略，以期為虛擬實驗設計提出新的建設思路。隨著國家一流本科課程建設的實施，虛擬仿真實驗教學走上了快車道，引發了教育理念革新、教學結構重塑、教學主體轉化和培養體系分層構建等新的變革。在“智能+教育”的背景下，虛仿實驗項目提供了信息化思維方式，正在開創虛擬現實技術在實驗實踐教學中應用的新局面。