“理、實、虛”一體化課程設計

李亞莉，張玉清

(黑龍江林業職業技術學院，黑龍江 牡丹江 151000)

0 引言

虛擬仿真技術具有形象生動、反饋實時、交互性強等突出特點，可以較好地取代真實場景，在仿真設備操作、仿真加工制作、仿真宏觀控制等方面，得到社會的肯定。隨著虛擬仿真技術在教學過程中的應用，職業院校的課堂教學形式也悄然發生著改變。課堂教學從理論與實踐二者的結合，進一步升級，向理論、實踐、虛擬仿真三者有機結合的形式轉變。在這個轉變過程中，如何抓住虛擬仿真新技術的特點將三者完美結合，使學生能夠更好地完成知識學習、技能練習，這就需要在課程設計上深入研究，使課堂教學效果得到更大的提升。

1 確定“理、實、虛”課堂教學設計的方向

要做好這類課程的教學設計，就需要先研究“理、實、虛”教學的課堂特點。在職業教育的教學發展中，為了解決理論與實踐結合的問題，采取了理實一體化的教學方法。這種方法突破了以往理論與實踐相脫節的現象，將理論和實踐結合在一起，教師在教學的過程中采取做中教、學生做中學的方式，讓教師學生雙方邊教、邊學、邊做，改變了傳統教學方式，得到了良好的教學效果。隨著職業教育教學手段的發展，虛擬仿真技術在教學上顯示出優越的特性。

1.1 可較好地替代真實操作，安全性好

虛擬仿真軟件中所建立的虛擬場景是根據真實工作場景數據所建立的數學模型而設計完成的，遵循了行業的職業技術標準要求。由于設計了逼真的二維、三維應用場景，對設備、工件、環境等進行了真實的“再現”，可以使教師和學生沉浸在該種虛擬場景中的人機交互與在真實工作場景中一樣。該種教學實踐環節，不是“真刀真槍”地使用設備，不對真實工件進行操作，這便減少了由于理論或實踐知識掌握不足，造成設備損壞和發生安全事故，不會產生人身和設備損壞的安全性問題。這樣一方面保證了人身、設備的安全，另一方面，由于在教學的過程中，教師不用過多地顧慮安全因素，使教師有更多精力放在課程教學的技術指導上面。從而在整體上提高實訓項目任務的學習質量。

1.2 可不發生或少發生實訓材料消耗

在使用仿真教學的過程中，由于是在計算機軟件的仿真環境中對虛擬的工件或產品進行加工，虛擬一般不發生對真實工件、產品的操作，即便是有，也是相對真實產品或工件成本很低的替代品，這樣就不會產生真實的材料消耗[1]。另外，在一些涉及到零件拆卸方面的實訓，采用實物進行拆卸時，很難保證不發生零部件損壞的情況，采用虛擬仿真就避免了由于操作錯誤而產生零部件的損壞。另一方面，由于采用虛擬仿真后，不對真實零件進行拆卸，大大降低了零部件拆裝頻次和使用強度，相應減少零部件的磨損、延長使用壽命。綜合上面種種情況，虛擬仿真可以大幅度降低實訓材料消耗，降低實訓教學成本。從而使教師在教學中可以增加學生的訓練范圍和訓練強度，大大促進了學生專業能力的培養效果。

1.3 可實現斷續操作、分段操作和多次重復操作

由于虛擬仿真教學使用的是非真實的產品或工件，所以在連續工序的教學示范和訓練中，就不用擔心中途停下來會影響后續的工序問題。例如，發動機氣門的拆卸，可以在拆卸的任何時候停下來，而不會像采用實物拆卸時必須連續完成拆卸工作，這樣就可以對重要環節進行更加詳細的講解和探索；對需要多次重復訓練的部分，可以從整體連續的作業過程中抽取出相應的訓練區段，進行多次的反復訓練，這都是真實場景下的操作做不到的。虛擬仿真在進行大場景、多環節、程序性的復雜任務教學時，能夠顯著提高教學效率。

例如，在講解汽車維修質量管理時，在哪些部分檢測哪些參數、怎樣進行檢測，是教學的重點。如果采用真實場景進行教學，雖然零部件的安裝并不是教學的重點，但是實際教學中，就會被這些不是本教學內容重點的安裝過程所占用；而在零件安裝到哪個環節、怎樣檢測相應的技術參數等重點知識卻無法在時間上給予足夠的保證，重點、難點沒有突出，教學效率也相應的降低。可以想象，如果是更大場景的實踐，這樣的問題將更加突出。而當使用虛擬仿真教學，優勢和效率就有明顯的體現。

綜上所述，虛擬仿真在專業教學中涉及的幾大問題——安全、成本、重點難點突出和教學效率等多個方面都能夠有針對性地突破。在進行課程教學設計時，在熟悉原有教學內容的基礎上，通過熟悉、挖掘所采用的虛擬仿真軟件的功能和優勢，將兩者充分地進行有機結合，就能夠設計出來更加高效的教學課堂。

2 協調“理、實、虛”教學特點，確定“理、實、虛”課堂教學模型

從課堂教學的發展過程來看，課堂教學從理論課堂走向理論與實踐相結合的一體化課堂，再走向理論、實踐、虛擬仿真相結合的混合式教學新課堂。但從教學的實施過程來看，需確定虛擬仿真的教學環節。根據虛擬仿真的特點和教學經驗來看，職業教育教學中，虛擬仿真最主要的應用是替代真實工作環境，多是做為進入真實工作環境前的預熟悉、預演練。例如，在汽車專業拆裝類課程中，在講解了發動機的原理、結構等知識后，就可以先使用發動機拆裝虛擬仿真軟件進行教學[2]。教師首先使用虛擬軟件進行拆裝示范，然后學生使用虛擬仿真軟件進行發動機的拆裝學習和訓練。當學生的操作達到一定熟練程度后，再使用真實發動機進行拆裝學習訓練。在這個過程中，通過虛擬仿真軟件拆裝發動機，既不會對發動機產生意外損壞，也不會發生學生操作方面的安全問題。由于學生、教師都不用擔心發生意外情況，學生、教師在訓練中就可以大膽探索，不斷糾正錯誤，逐漸形成正確、規范的拆裝技能。在虛擬仿真學習訓練基礎上，再轉入運用真實設備進行學習訓練，學生很快就能達到預期的目標。對于操作的準確規范和安全操作要求，一般虛擬仿真軟件也都進行了設計，當學生出現操作錯誤時，會提示操作錯誤，或無法進行下一步操作。但由于是虛擬仿真操作，出現錯誤不會造成真實的安全問題，這樣既保證了學生操作的規范性與安全性方面的學習，又不會出現安全事故。正是由于虛擬仿真的學習訓練過程，排除了諸多干擾因素，突出了學習的重點和難點，使學習的效果更好。

從上面所舉的例子及過去的教學經驗來看，“理、實、虛”相結合的課堂教學，三者的教學應用順序一般可以是：理論→虛擬仿真→實踐。為了在教學中讓學生從實踐認識的基礎上開始新知識的學習，也可以在課程的引入時采用虛擬仿真，比如在發動機拆裝課程的教學中，在講解發動機原理、結構的時候，可以運用虛擬仿真軟件將發動機結構進行透視，以及可以方便從任意角度展示零件結構，放大微小結構，呈現安裝位置關系等功能，把原本抽象或不可觀察的結構呈現出來。從而形成另外一種教學形式：虛擬仿真→理論→虛擬仿真→實踐。在一般課堂教學中，還是第一種形式應用較多，即：理論→虛擬仿真→實踐(即理→虛→實)，就是突出把虛擬環節放在實踐的前面，這樣的教學效果最好。有了這個基本的教學應用模型，就可以在此基礎上，進行下一步教學設計工作。

3 按照“理→虛→實”的進程進行整體教學實施設計

整體進程確定后，將課程實施設計為以下階段。

第一階段：知識講解階段。把知識性的內容安排在課程教學的前面，課程開始進行理論、實踐知識，以及相關操作要求的講解。內容講解完成之后，進入虛擬仿真階段。

第二階段：虛擬仿真階段。在第一階段講解的基礎上，教師使用虛擬仿真系統進行操作講解示范。在講解示范的基礎上，學生開始使用虛擬仿真系統進行模仿操作，具備了基本的操作能力后，可進行獨立的重復訓練。當學生的操作達到一定熟練程度之后，轉入下一階段。

第三階段：真實操作階段。學生經過虛擬仿真訓練，具備一定的操作基礎后，學生和教師就可以使用真實設備進行操作訓練，掌握真實設備和工具的正確使用，在真實場景中訓練、培養學生的職業技術能力。

這三個階段的教學設計，既是知識技能深度的晉升，也是知識技能廣度的提升，同時還是學習由抽象想象到虛擬仿真、由仿真到真實的提升。其學習是遵循“理→虛→實”的進程進行的。

4 按照“理→虛→實”進程的混合式教學設計時應注意的幾個問題

4.1 先“虛”后“實”是此類教學設計的基本原則

從發展上看，課堂教學從“理論+實踐”轉化到“理論+實踐+虛擬仿真”，但在課程的實施順序上，幾種教學形式應用的順序應該是：理論→虛擬仿真→實踐，即“理→虛→實”。這樣組織實施，能夠更好地發揮虛擬仿真的作用。在教學實施過程中，以虛擬模仿真實是虛擬仿真教學的關鍵。這個“虛”是為了替代“實”。是用虛擬仿真為進入真實場景的訓練奠定基礎，是為了避免直接進入真實場景而可能產生的一系列問題。

4.2 “虛擬”不能完全取代“實操”

實踐環節的訓練，往往受到材料消耗與指導教師不足的影響，不能完成多項目、大范圍和多次訓練。使用虛擬仿真后，就可以發揮虛擬仿真應用靈活、安全、低消耗的特點。在初學階段多練習，其練習達到的熟練程度越高，轉入運用真實設備操作的效果會越好。但不能認為虛擬仿真教學可以取代真實工作場景的學習訓練，而取消真實工作場景下的學習和訓練。就目前來看，虛擬仿真技術還不能做到與真實工作場景完全一致。可根據虛擬仿真系統應用的具體情況，適當調整虛擬仿真和真實工作場景二者訓練的時間安排，即“虛”和“實”的比例。

4.3 發揮虛擬優勢，反復呈現提高教學效果

虛擬仿真教學的應用也應是機動靈活的。可以采用虛擬仿真進行新課程的引入，讓學生通過虛擬仿真系統開始新知識、新技能的探索學習。原來采用真實場景進行教學的環節都可以使用虛擬仿真。在實踐操作過程中，對一些可能出現設備損壞和人身安全的情況，也可以多次返回虛擬仿真環境中，運用虛擬仿真對這些情況進行再現，利用虛擬仿真可以隨時暫停、可重復再現的優勢，使那些過去難以在真實設備上不能暫停、不能重現的疑難問題得到解決，使其安全地進行呈現出來，使問題得到解決。

4.4 創新應用虛擬教學

這里采取“理→虛→實”的順序進行課程設計，是強調了宏觀上的課程安排。在教學設計上要靈活運用，可以結合現代教學技術與教學方法，設計出各種應用形式，進行多次的虛擬仿真在教學中的交叉，充分發揮虛擬仿真靈活、易用的特點[3]。

4.5 運用遠程仿真，促進線上線下混合教學

可以進行遠程訪問的仿真軟件，能夠更好地融入線上線下混合式教學。尤其是在受到疫情影響時，該種方式具有更好的教學效果。

采用虛擬教學也會帶來一些新的問題，例如使用虛擬仿真教學時，不需要擔心出現操作安全問題，教師可能就會在教學的實施過程中，忽視可能引起人身安全和設備損壞問題方面的規范操作，就可能會忽略安全方面的教學要求。這樣會造成學生安全意識降低，對今后的學習和工作埋下隱患。所以，教師在教學設計和教學實施過程中，要把安全問題做為虛擬教學中的重點應給予足夠的重視。

虛擬仿真教學盡管有諸多的優點,但也不能因“虛”而廢“實”，用虛擬仿真完全取代真實操作，這是錯誤的。這是在虛擬仿真教學應用過程中必須引起注意的一個問題。我們必須清楚，人們在真實環境下實際操作設備、制作產品時，這些真實的感受從目前來看，虛擬仿真還是無法替代的。如果完全使用虛擬仿真替代實踐，會弱化學生對使用儀器設備的真實感受和直接體驗，影響學生對基本技能的準確掌握。所以不能用虛擬仿真完全替代真實操作的實踐過程。

5 結語

總之，做為教育新技術——虛擬仿真有著許多突出的特點，在混合式教學中的應用具有很大的發展空間。要不斷研究虛擬仿真的特點，跟蹤虛擬仿真課程資源的開發，做出更好的教學設計，使虛擬仿真與真實工作環境結合應用不斷獲得突破。