虛擬仿真技術應用于教學實踐的幾點看法

季曉東，胡 斌，劉 崢

（上海工程技術大學，上海 201620）

0 引言

近年來，基于虛擬仿真技術的教學改革工作受到了極大重視。在教育部認定的國家級一流本科課程中，單獨劃分了虛擬仿真實驗課程的門類，并為此厘定了詳細的認定標準。在線教育也從初期的函授、視頻教學模式開始轉向與線下場景更為接近的虛擬課堂模式[1]。虛擬仿真技術因具備可重復再現場景的能力，成為一種便捷、低成本的具象式教學方法而受到關注。研究認為該技術可以有效增強感性認識、培養動手能力、激發創新精神、促進學生的學習興趣[2]。但當前處于教學應用的初期階段，也存在教學方法不成熟，尤其是虛仿實驗步驟過于程序化、不利于學生自主探索等缺陷[3]。

本文聚焦于虛擬仿真技術在教學實踐上的應用。首先，分類整理了近年來基于虛擬仿真技術教學的代表性研究成果；然后，針對虛擬仿真技術應用于教學實踐提出了幾點看法；最后，對該技術應用于教學實踐的前景進行了展望。

1 虛擬仿真應用于教學實踐的現狀

虛擬仿真技術在教學實踐上的應用可以分為虛擬仿真實驗和虛擬在線課堂兩個主要方向[4]。其中，研究者對虛擬仿真實驗的關注較為集中，成果較為豐碩，而虛擬在線課堂尚處于起步階段。現從兩個方向分別介紹：

1.1 關于虛擬仿真實驗的研究

虛擬仿真實驗在教學上的應用非常廣泛。從形式上講，既可以與MOOC等在線教學模式深度融合，實現基于線上教學的虛仿實驗[5]；也可以與傳統線下課堂進行融合，達成混合式教學[6]；也有兩者兼顧，在線上線下共同開展虛擬仿真的案例[7]。

從內容上講，虛擬仿真實驗的基本盤位于理工科。初期的虛擬仿真實驗主要以將傳統實驗室項目直接虛仿化為主，因此大量集中于物理[8]、化學、醫學[9]等學科的課程實驗領域。隨著技術能力的提高，以機械[10]、工程[11]等專業為代表的大型實驗項目開始逐步虛擬仿真化。近年來，我國“新文科”建設的逐步推進使以文科為背景設計的虛仿實驗有所增加[12]。尤其集中于經管類[13]、社會實踐類[14]等缺乏開展大型實驗條件的學科領域和藝術類[15]等需要豐富感性認知的學科。

與此同時，國內外對于虛仿實驗的開展和也存在大量的研究與爭議。學生通常對實驗的興趣與評價較高[16]，但從部分教師的反饋來看，教學效果的達成往往要依賴于教師的實驗指導，未能有效達成“靈活運用理論知識解決實際問題”的最初設想，因此不可盲目夸大虛擬仿真技術在實驗教學中的作用[17]。鄭亞輝等[2]認為，虛擬仿真實驗最大的優勢在于其易實現和可重復性，但是其基本原理與傳統實驗是相通的。國外研究者Birkbeck等[18]在經過問卷調查后認為，虛擬仿真實驗可以達到與傳統實驗一致的教學效果和學生滿意度，且成本低廉。張寧等[3]則主張虛擬仿真實驗的主要作用還是“以虛補實”，同時提出了基于虛擬仿真實驗的教學方法尚處于探索期，具有不成熟之處的問題。強彥等[17]進一步指出當前的教學中普遍存在“重虛仿輕實踐、重驗證輕創新”等問題，并沒有調動起學生親自動手解決實際問題的積極性。尹雋等[19]在對任務復雜性和學習者專業素養兩個因素上對不同虛仿實驗進行對比分析后指出，學習者的專業素養直接影響了在實驗操作上的表現和學習效果，虛擬仿真技術雖然增加了學生對于任務復雜性的接受程度，但如果復雜性過高，則可能挫傷高素養學習者的學習積極性，減弱專業素養對操作能力表現的正向關系。

1.2 關于虛擬在線課堂的研究

在虛擬在線課堂方面，國內研究與應用尚處于起步階段，方式也不如國外更加靈活多樣。國外既有基于開放式虛擬游戲的課堂實踐案例[20]，也有基于虛擬現實技術的教學用數字圖書館案例[21]，而國內的虛擬課堂研究仍然以傳統教學模式的線上化為主[1]。虛擬在線課堂有著廣泛的應用前景，因其交互性和沉浸感接近傳統課堂，可以實現線上即問即答，既可以部分解決徐博等[22]提出的在線教育的缺陷問題，也可以與線下課堂進行緊密配合，實現線上線下的融合教學[23]。

2 關于虛擬仿真技術應用于教學實踐的看法

對于虛擬仿真技術在教學實踐中的應用，本文提出了以下四點看法：

2.1 虛擬仿真技術是傳統教學的重要補充，但其“補充”的定位不應改變

相較于傳統教學方法，虛擬仿真技術的最大優勢在于其強大的表現力。無論是在課堂教學上通過虛擬仿真構建演示案例，還是將虛擬仿真實驗融入實驗課程的教學內容中，都可以直接以可視化方式向學生展示經過理論推演得到的結果，同時支持學生以不同的視角去進行自主探索。這種直觀呈現的優勢在于加深記憶和方便理解，起到鞏固理論學習效果的作用。

另一方面也要注意到，虛擬仿真技術并不能直接指導學生的理論學習，且其展示的效果是通過理論推演得到的“再加工”結果，與經過現實實驗得到的第一手資料還是存在本質上的不同。這就注定了虛擬仿真實現的是一種“輕教學”，其內容限于知識淺表層，而在構筑完備知識體系方面的作用十分有限。這一差距體現在學生問卷調查反饋的結果與教師總結的教學效果上，即學生對于虛擬仿真完成度的普遍評價較高[16]，而教師檢視教學效果的達成時[17]，卻會發現問題的存在。雖然將教學效果的問題歸因于學生“主動性”的結論[17]有待商榷，但發現問題本身確屬客觀事實。這一差距主要還是由于虛擬仿真技術的“輕教學”屬性。因此，確實不應盲目夸大虛擬仿真技術在教學中的作用，虛擬仿真技術是傳統教學的重要補充，但不可超越“補充”的范疇，取代傳統教學。

2.2 虛擬仿真技術的最大優勢是其可復制性和可分享性，應善加利用

傳統教學實驗有一個重要缺點，就是實驗會產生材料消耗并需要提供合適的實驗環境，而材料的生產和采購需要成本，部分實驗的環境比較難于實現，受到上述客觀條件的限制，能夠在現實中開展的實驗教學比較有限。另外，受到學生操作性技能差距的影響，傳統實驗教學的可重復性和可再現性都需要額外保障，有時為了再現實驗結果，實驗教師必須親自操作演示。這些無疑都增加了開展實驗教學的難度，影響了教學效果。因此受限于物質條件，長期以來我國教育只能以理論教學為主，實驗教學位于邊緣位置。

虛擬仿真技術則良好的彌補了實驗教學的這項短板。虛擬仿真程序的執行結果是具有確定性的，且用于設計教學實驗時，操作技能的需求可以通過交互方式進行調節，有效保障了實驗的可重復性。而且，虛擬仿真實驗程序擁有一次建設、多次使用的特點，實驗建設成本隨著實驗的重復而被逐漸平攤，有效降低了開展實驗的門檻。實驗程序具有可復制性和可分享性，更加有利于不同教學主體之間共享實驗資源，避免重復建設。這一特性應善加利用，逐步形成多校互聯互通、學效-社會互聯互通的開放共享模式[24]。

2.3 虛擬仿真技術融入教學的方式可以更加靈活多樣，不必拘泥于技術開發

從現狀來看，虛擬仿真技術在我國教學實踐的融入形式主要以開發或購買獨立的虛擬仿真程序為主；而國外的應用場景更加靈活，有的虛擬課堂甚至直接使用一款公開的虛擬仿真在線游戲為平臺[20]。這說明，在應用虛擬仿真技術的創新形式上，國內還存在著一定差距。

獨立虛擬仿真程序的開發周期長，技術維護難度大，一般需要專業技術人員和專項資金維護才可以投入到日常教學實踐中。這無疑拔高了一線教學人員使用虛擬仿真技術的門檻。而完成開發后，進一步的改進升級工作也依賴于開發公司，教師不具備根據學生反饋和日常教學實踐需要來對程序進行調整的能力。這使得現有的虛擬仿真教學都不同程度存在“重虛仿輕實踐，重購置輕研發”等方面的問題，已經引起一線教師的重視[17]。

理想的情況是存在一個性能強大且開放、通用、可共享的虛擬仿真平臺，教師可以在平臺上通過輕量化、可視化的方式為自身的教學需求定制虛擬仿真場景，然后分享給學生訪問。這樣無論是虛仿實驗還是虛擬課堂都可以利用平臺的通用功能實現，進一步降低了開發成本和虛擬仿真在教學實踐中的使用門檻，而不必拘泥于獨立虛擬仿真程序的技術開發。

2.4 亟待探索適應于虛擬仿真技術的全新教學內容與教學方法

虛擬仿真技術是一種新穎的內容呈現方式，但任何一種形式的呈現，必然都有與其契合的內容和不契合的內容。將虛擬仿真技術應用于教學時，也應注重內容與形式的這種契合性問題。當前我國的虛仿教學實踐尚處于初級階段，只是將傳統教學的內容和方法套用到了以虛仿技術為基礎的教學活動中，而非針對虛仿呈現形式的特點，為其安排契合的教學內容與方法。在教學內容上，因為虛仿的形式更像實驗課就大搞虛仿實驗，缺乏探索理論課與虛仿結合點的主動性；而在教學形式上，因為虛仿的形式需要借助電子設備就安排虛仿在線教學，缺乏對于虛仿應用于其他教學形式，比如虛擬圖書館[21]的探索。

如果要在教學實踐中靈活運用虛擬仿真技術，就應該在課程大綱規劃和課程設計階段進行明確的內容規劃，摸索出哪些內容適合于傳統課堂理論講授，哪些內容適合用虛擬仿真的方式呈現，應用虛仿技術后可以開展哪些在傳統技術條件下無法開展的課程實驗。經過反復推敲與認真思索，一定能總結出最適應于虛擬仿真技術的教學內容與教學方法，以獲得最好的教學效果。

3 結語

虛擬仿真技術在教學實踐中的應用得到了廣泛關注。本文整理了近年來國內外對于虛擬仿真技術應用于教學實踐的一些主要研究，同時給出了四點看法：虛擬仿真技術是傳統教學的重要補充，但其“補充”的定位不應改變；虛擬仿真技術的最大優勢是其可復制性和可分享性，應善加利用；虛擬仿真技術融入教學的方式可以更加靈活多樣，不必拘泥于技術開發；亟待探索適應于虛擬仿真技術的全新教學內容與教學方法。