虛擬仿真技術(shù)在高校不同學(xué)科中的實(shí)踐探索

郭士茹，王 輝，王誠(chéng)林，孫詣博

(長(zhǎng)春電子科技學(xué)院，長(zhǎng)春 130114)

為完善教育部關(guān)于提高高校教育質(zhì)量的規(guī)范要求，各高校陸續(xù)開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)工作中，構(gòu)建相應(yīng)的教學(xué)中心，其涵蓋范圍較廣，包含醫(yī)、理、工等學(xué)科領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)與學(xué)科專業(yè)的深度融合。

1 虛擬仿真技術(shù)概述

虛擬仿真技術(shù)于20世紀(jì)60年代出現(xiàn)，與傳感器技術(shù)、光學(xué)計(jì)算機(jī)、圖形學(xué)人工智能等領(lǐng)域關(guān)聯(lián)密切，隨著三維技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用效果不斷提高，為技術(shù)應(yīng)用提供了有力支撐。當(dāng)前，虛擬仿真技術(shù)以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，從聽覺、視覺、觸覺等方面進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，在特定范圍內(nèi)形成了非常真實(shí)的虛擬環(huán)境，用戶可以在自然狀態(tài)下或借助設(shè)備等方式于虛擬環(huán)境中完成對(duì)象交互，以此獲得身臨其境的體驗(yàn)感[1]。我國(guó)虛擬仿真技術(shù)始于20世紀(jì)90年代，與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比技術(shù)研究時(shí)間較短，在技術(shù)應(yīng)用方面還存在一定的差距。我國(guó)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用重視程度較高，制定了一系列與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研發(fā)相關(guān)的規(guī)劃項(xiàng)目。

2 虛擬仿真技術(shù)在高校不同學(xué)科中的應(yīng)用

2.1 理學(xué)教育領(lǐng)域

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在理學(xué)教育領(lǐng)域，根據(jù)教育要求構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)環(huán)境，搭建教學(xué)體系，為人才培養(yǎng)提供物質(zhì)支撐。虛擬仿真技術(shù)改變了傳統(tǒng)演示教學(xué)、教師宣講的方法，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中通過自主學(xué)習(xí)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，學(xué)生可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)完成理學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，通過移動(dòng)智能設(shè)備在教育平臺(tái)中下載學(xué)習(xí)資料，運(yùn)用線上線下相結(jié)合的學(xué)習(xí)方式，使學(xué)生根據(jù)獲取的資源掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)實(shí)驗(yàn)的理論知識(shí)有較深的理解，進(jìn)而提高學(xué)生綜合能力[2]。

在傳統(tǒng)的物理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，受學(xué)生人數(shù)以及其他客觀因素影響，教學(xué)成本不斷提高，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用可以有效解決此類問題，將相應(yīng)技術(shù)貫穿到實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，對(duì)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)具有較大幫助，使實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)后測(cè)試等環(huán)節(jié)有機(jī)關(guān)聯(lián)在一起，讓學(xué)生在虛擬仿真技術(shù)打造的環(huán)境下有身臨其境的感覺，引導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí)和開展實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的實(shí)踐技能。

與傳統(tǒng)單一、理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合不緊密的教學(xué)方法不同，虛擬仿真技術(shù)能夠應(yīng)用在分子生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為學(xué)生模擬真實(shí)的環(huán)境。海洋科學(xué)研究涉及內(nèi)容非常廣泛，生物、化學(xué)、物理知識(shí)均包含其中。由于海洋實(shí)驗(yàn)的條件比較特殊，很多環(huán)境難以在實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)出來，通過虛擬仿真技術(shù)可以模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)象與環(huán)境，打造實(shí)驗(yàn)?zāi)K并開展相應(yīng)的實(shí)踐活動(dòng)，為學(xué)生提供更加真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境，對(duì)學(xué)生理解知識(shí)內(nèi)容具有較大幫助。數(shù)字化模塊與虛擬仿真模塊是海洋地質(zhì)與海洋生物模擬環(huán)境的主要內(nèi)容，利用數(shù)字切片系統(tǒng)與數(shù)字化資源庫(kù)，可以打破時(shí)空限制，為學(xué)生學(xué)習(xí)提供大量數(shù)據(jù)。在仿真模塊內(nèi)可以按照虛擬實(shí)驗(yàn)需要，為學(xué)生創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)環(huán)境，幫助學(xué)生掌握儀器操作原理和過程，讓學(xué)生更好地按照實(shí)驗(yàn)操作步驟開展實(shí)踐，提高操作能力[3]。

2.2 工學(xué)教育領(lǐng)域

工學(xué)教育需要學(xué)生感受工作環(huán)境，這也是大部分院校工學(xué)專業(yè)對(duì)學(xué)生的要求。但是，受現(xiàn)實(shí)因素和教學(xué)條件的限制，很多工學(xué)專業(yè)學(xué)生無(wú)法較好地進(jìn)行實(shí)踐鍛煉。虛擬仿真技術(shù)可以為學(xué)生提供石油鉆采機(jī)械、船舶操控設(shè)備等真實(shí)的操作環(huán)境，提升學(xué)生對(duì)機(jī)械設(shè)備的認(rèn)識(shí)和操作水平。運(yùn)用軟件制作模型，并通過視頻展示模型，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，通過實(shí)踐操作加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解程度。例如，通過虛擬仿真技術(shù)學(xué)生可以在可視化影像中，確定井下設(shè)備與石油鉆采設(shè)備的情況，評(píng)估相關(guān)信息和數(shù)據(jù)，減輕石油工作者在井下作業(yè)的工作量，提高工作效率，保障生產(chǎn)安全[4]。

受現(xiàn)實(shí)因素的制約，學(xué)生缺少實(shí)踐體驗(yàn)的機(jī)會(huì)。以海洋油氣作業(yè)為例，由于海洋勘探可能存在大量危險(xiǎn)性因素，學(xué)校出于對(duì)學(xué)生安全方面的考慮，沒有提供讓學(xué)生參與實(shí)踐的機(jī)會(huì)，而通過虛擬仿真技術(shù)，可以利用海洋油氣工程虛擬仿真平臺(tái)為學(xué)生再現(xiàn)真實(shí)的工作場(chǎng)景，學(xué)生可以在相關(guān)場(chǎng)景中結(jié)合課上學(xué)習(xí)的理論知識(shí)參與實(shí)踐活動(dòng)，提升實(shí)踐技能。又如，鋼鐵冶金操作要求多、生產(chǎn)工藝非常繁雜，單純的校內(nèi)實(shí)習(xí)無(wú)法滿足實(shí)際工作需要。運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)可以模擬生產(chǎn)期間的各項(xiàng)活動(dòng)，使學(xué)生在虛擬仿真平臺(tái)中進(jìn)行實(shí)踐，不會(huì)受到時(shí)間和場(chǎng)地的約束，可以反復(fù)研習(xí)。在此過程中，學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)參與，通過積極參與實(shí)踐活動(dòng)，提高了學(xué)生的思考能力、動(dòng)手操作能力以及知識(shí)遷移能力。

2.3 醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域

虛擬仿真技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價(jià)值，醫(yī)學(xué)包含的知識(shí)內(nèi)容較龐雜，是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科，臨床實(shí)習(xí)與實(shí)驗(yàn)操作貫穿于醫(yī)學(xué)教育的始終。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是醫(yī)學(xué)教育工作中的重要環(huán)節(jié)，學(xué)生應(yīng)對(duì)醫(yī)學(xué)課程相關(guān)內(nèi)容具有清晰的認(rèn)知。在傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)教育中，人體結(jié)構(gòu)一直無(wú)法直接展示，很多教學(xué)內(nèi)容也無(wú)法進(jìn)行直觀體現(xiàn)，對(duì)學(xué)生深入掌握醫(yī)學(xué)知識(shí)造成了一定的阻礙。

部分醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)存在成本高、危險(xiǎn)性大的特點(diǎn)，因此學(xué)校開展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)非常謹(jǐn)慎，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的數(shù)量有限。運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)可以動(dòng)態(tài)展現(xiàn)診斷、護(hù)理等各個(gè)階段，通過人機(jī)交互的形式形象、生動(dòng)展示人體結(jié)構(gòu)、疾病發(fā)生原理與演變過程，讓學(xué)生在真實(shí)的情境中學(xué)習(xí)和掌握醫(yī)學(xué)知識(shí)，提高教學(xué)質(zhì)量和效果。比如，在解剖學(xué)教學(xué)中，由于學(xué)校的標(biāo)本資源數(shù)量過少導(dǎo)致很多學(xué)生無(wú)法獲得參與解剖標(biāo)本的機(jī)會(huì)，而虛擬仿真技術(shù)的引入能夠通過構(gòu)建虛擬“數(shù)字人”，使學(xué)生在課堂中動(dòng)態(tài)觀察解剖過程，掌握結(jié)構(gòu)形態(tài)與毗鄰關(guān)系。

3 結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真技術(shù)可以在計(jì)算機(jī)以及其他技術(shù)的支撐下模擬實(shí)際環(huán)境，為教學(xué)活動(dòng)的開展?fàn)I造良好的氛圍與真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情境，解決資源不足、時(shí)空受限等問題，保障教學(xué)活動(dòng)的順利開展。教育工作者應(yīng)更新教學(xué)理念，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，探索技術(shù)與教學(xué)融合的方法，圍繞課程要求、學(xué)科特點(diǎn)，打造虛實(shí)結(jié)合的課程體系，為實(shí)踐活動(dòng)的開展提供支持。