基于VR/AR技術的沉浸式環境類實驗課程思政教育研究淺析

摘要：在“碳達峰、碳中和”戰略背景下，推進綠色發展、加快污染治理產業賦能升級、促進人與自然和諧共生成為環境類專業領域技術創新和科學研究的主要目標。本研究基于VR/AR技術，以高校環境類實驗課程思政教育改革為契機，聚焦行業熱點問題，從資源擬合、教學設計、考核評價、教師技能和開發運維五個方面，提出了沉浸式環境類實驗課程思政教育實施策略，是新時代“把思想政治工作貫穿至教育教學全過程”的重要探索，符合科教結合培養行業拔尖創新人才的未來走向。

關鍵詞：VR/AR技術；環境類專業；實驗課程思政；實施策略

高校作為培養青年人才的主陣地，積極推進科學技術與思想政治教育深度融合，面向關鍵領域培養拔尖創新人才，是貫徹落實“立德樹人”根本任務的重要舉措。近年來，VR/AR技術的迅猛發展為高校環境類實驗課程思政教育改革創新帶來了新的契機——其可通過計算機建立三維的虛擬空間，模擬污染防治重點領域還原難度高、代價大、風險高的實驗場景，打造富于沉浸感、交互性的教學模式，為學生提供視覺、聽覺、嗅覺、觸覺多感官的真實體驗，是新時代實驗課程思政教育改革創新工作的有益探索[1]。

一、環境類實驗課程思政教育的培養目標

《大學》有云：“大學之道，在明明德，在親民，在止于至善?！钡赖掠^念伴隨著社會行為而產生[2]，環境類實驗課程思政教學首先要著眼于學生求真務實的行為習慣養成、忠誠進取的學術態度鍛造，以及對學術倫理的堅守和信奉，培養科學嚴謹忠實的學術精神，深化道德觀念塑造。環境專業層面，除了培養學生的污染控制和環境修復技能外，還需幫助學生樹立正確的自然觀與發展觀，指導學生以科學自然觀和綠色發展觀為準則，正確處理人與自然、“綠水青山”與“金山銀山”的關系，堅持思想引領，筑牢生態安全屏障；激勵學生以“生態環境保護”為己任，堅定理想信念、胸懷大局、不懈追求，樹立共建清潔美麗世界的責任感和使命感；在“雙碳”目標指引下，培養學生的核心素養，“居敬窮理”發揮實踐育人的作用，著力培養具有創新精神和實踐能力的復合型優秀人才，為促進循環經濟發展、創建綠色低碳未來提供人力資源保障。

二、 VR/AR技術在實驗課程思政教育中的應用價值

在個性化、互動型、開放式的“互聯網+教育”時代背景下，延續至今的以孔孟儒學為主的思想教育理念和模式迎來變革性發展。

首先，VR/AR技術打破了時空限制，曾經難實現、代價大、風險高、周期長的課程實驗教學得以開展，教師可在虛擬教學環境中實現多種工況、不同環境下的控制模擬操作，并與思政教育實現深度融合，從而大大拓展了傳統教學的深度和廣度。其次，基于VR/AR技術的實驗教學，打破了以“教師、課堂、知識”為中心的傳統教育模式[3]，轉而以學生為本，將理論與實踐相結合，重點提升學生能力和素質。在全新的教學模式下，學生在教師的指導下使用VR/AR設備自主探索，通過與實驗場景的深度互動，獲得全新的學習體驗；與此同時，教師可通過操控平臺掌握學生的實時動態，并針對學生存在的問題及時與其討論交流，從而激發學生的求知欲和創造力。最后，利用VR/AR技術的實驗教學，將實操型環境類實驗和互動型思政熱點相結合，可以讓思想政治教育綻放青春的活力，促使學生在學思踐悟中汲取奮進力量，開啟未來學習的新航向，如圖1所示。

三、沉浸式實驗課程思政教育的實施策略

利用VR/AR技術開展實驗課程思政教育，可通過渲染課堂氛圍增強學生對知識要素的認同感和對學習過程的專注度。在具體實施策略上，教師及學校應從教學資源的擬合、教學內容的設計、學習成果的評價、教師技能的培訓和運維技術的保障等五個方面入手。

（一）教學資源深度擬合，構建虛擬現實場景

VR/AR技術在某種程度上可以實現實驗教學資源的深度擬合。目前，國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺為不同領域、各類學科的實驗教學組織提供了優質資源，然而，通過網絡很難實現對氣味、溫度、氣流等感知類環境要素的還原，和對人站立、行走、觸摸等動態化過程的模擬，且其中涉及課程思政教育的內容相對固定且匱乏，環境類實驗課程思政教育的發展亟待優質資源、工具、平臺的加持。高校課程思政教學內容需因事而化、因時而進，教學資源的擬合、虛擬現實場景的構建亦需因勢而新。根據環境類專業實驗課程的基礎與特色，結合行業熱點問題，設計VR展示、AR示范、實驗課程與思政教學深度擬合模型。系統通過人與自然、知識與技能等虛擬現實場景的系統構建，實現生態文明思想教育與環境類實驗教學的深度擬合，具體而言，系統引入了環境類污染控制與修復的基本知識原理；系統可根據當前環保督察、生態小流域建設、截污納管、高質量發展轉型等源頭治理手段，整合各項污染控制方法和水質指標監測手段，滿足專業基礎實驗教學的基本要求；系統從整體出發，支撐學生對水體、土壤和大氣等環境類工程實驗技能的學習和應用實踐；針對流域綜合治理、生態島建設、“一河一策”等具體實施方案，進行解析環境系統、厘清現象過程、聚焦問題解決等拓展訓練。在環境類實驗課程思政教育中引入該類系統，構建虛擬現實實驗教學場景，能夠有效促進教學效率的提升。

（二）PBL案例展示驅動，進行成果導向式教學設計

以VR/AR技術結合PBL教學進行成果導向式教學設計，可為學生打造沉浸式實驗教學體驗。具體而言，可通過VR/AR技術全景展示環境污染具體情境，以PBL（Problem-Based Learning）教學為驅動提出問題，以成果導向進行教學設計，激發學生關注環境問題的積極性，引導學生自主探究解決環境問題的自主性，從而切實提升環境類實驗課程思政教育實效[4-5]。如針對“長江流域生態環境保護”熱點問題，從水環境質量的微生物指征角度，以環境微生物群落識別和生物多樣性分析實驗為例，進行沉浸式課堂教學設計（如圖2所示）。

教師可通過VR展示《長江一分鐘》，讓學生領略大江奔流的氣勢，繼而向學生展示長江的環境污染和生態破壞問題，提出引起學生共情的結論——長江病了，幫助學生樹立保護長江生態環境的責任感，激發學生對環境微生物領域的研究興趣和潛能，激活其專業基本理論知識，最后展示“環保鐵軍”實地核查、長江“十年禁漁”、沿江生態濕地建設等保護措施和落地成效，讓學生對長江流域水污染監測、溯源、整治過程加以學習。VR展示完成后，教師可通過AR向學生示范群落形態識別等微生物基礎實驗內容，帶領學生進行利用微生物多樣性評價表征水生態系統健康狀況演示實驗；向展示微生物的生長過程，進行生長繁殖與生存因子分析教學，追溯長江流域不同季節、區域、水深下微生物群落的分布情況。AR展示和教學完成后，教師可結合三水統籌、岸線綜合治理及《長江保護法》等系統治理方案，帶領學生進行水環境質量表征、微生物修復、功能菌群開發利用等方面的拓展運用，幫助學生創新污染控制思路，提升其解決復雜環境問題的能力，讓學生在真實的工程案例中進一步領會環境因子對生物多樣性和生態環境的影響，從而實現思政與教學、理論與實踐相交互、深度融合的沉浸式體驗。

（三）以能力培養為核心，構建系統考核評價體系

對課程學習目標的達成度評價，是評定教學目標達成情況及優化調整教學方式的重要依據[6]，為此，教師需制定規范系統的考核體系，通過反饋和糾錯機制，促進沉浸式實驗課程思政教育取得實質性效果。沉浸式實驗課程思政教育中，教師應從學生在實驗完整過程中的理論知識準備、文獻資料調研、實驗操作、工藝設計、數據分析、拓展應用、實驗報告等各方面的表現進行全面考核。本文嘗試以能力評價為核心，圍繞自主學習、知識應用、創新思維和宏觀視野等層面設計了實驗課程思政教育系統考核模型，通過該模型，教師可對教學質量進行量化評價?？己四Ｐ腿鐖D3所示。

（四） 教師進行VR/AR技能培訓，提升“角色表演”能力

沉浸式實驗課程思政教育對高校教師提出了全新的要求，教師需在具備駕馭虛擬仿真設備及相關配套設施技能的前提下，方能發揮好自身專業知識體系、工程實踐經驗以及“思政”教育能力的協同育人作用。為了滿足這一前提，一方面，教師需要參加專業培訓，掌握VR/AR技術操作基礎和技能，提升對其相關設備的應用能力，能夠根據實際教學情況和當前時政熱點設計教學形式、制作或更新教學內容。另一方面，教師應響應美國數據科學家Alex Pentland[7]提出的“教師要具備角色表演戲劇能力”的新倡議，將教師學業教授提升至藝術創作的至高水平，提升自身“角色表演”能力，完全融入虛擬仿真課堂，成為真正的“教師藝術家”，從而為學生提供非凡的學習體驗。

（五） 硬件設備智能化，軟性資源多元化，保障教學供給質量

沉浸式實驗課程思政教學的場景需要由一線教師、專業策劃師、3D建模師、3D動畫師、音效師等組成的專業開發、運維團隊共同制作而成[8]，高昂的研究制作成本對實驗課程思政教育的常態化開展提出巨大的挑戰。因此，教學場景技術開發與運維的智能化，是VR/AR技術大規模應用于實驗課程思政教學的必要條件，也是教學供給質量的重要保障。在課程場景搭建硬件設備高質量供給的前提下，教師還需通過日益成熟的互聯網、大數據、人工智能等技術，不斷提高實驗課程思政教學內容設計的交互性、情境性、及時性，深入挖掘多元開放的課程內容，提高教學軟性資源的供給質量，使實驗課程思政教育常講常新，最終幫助學生將實驗原理、方法、應用學深學透，推動生態文明思想入腦、入心、入行。

四、結束語

宋代理學家朱熹曾以“博學之，審問之，慎思之，明辨之，篤行之”作為治學之序，主張“為學之實，固在踐履。茍徒知而不行，誠與不學無異”?；赩R/AR技術的實驗課程思政教學是對傳統教學的延伸和拓展，解決了工程試驗難以實時觀察、實地取樣、隨機調控的教學“痛點”，實現了環境專業教學內容從感性認知、發現問題、理性決策到模擬演練的全過程覆蓋，契合了學生的認知規律，有助于培養學生運用專業知識解決環境生態問題的綜合能力，具有重要的研究意義和應用價值。

作者單位：王蘇琴 蘇州科技大學環境科學與工程學院

劉鋒 蘇州科技大學環境科學與工程學院 蘇州科技大學環境生物技術研究所

程向明 錢飛躍 蘇州科技大學環境科學與工程學院

參考文獻

[1]黃超， 田豐， 褚靈偉.沉浸式VR在教育培訓領域中的應用綜述[J]. 電聲術， 2017， 41（24）： 99-105.

[2]劉宇文，范樂佳，“雙一流”背景下課程思政的價值意蘊與實施策略研究[J]. 當代教育理論與實踐， 2020： 12（3）： 1-5.

[3]丁剛．知識螺旋擴張循環教學模式的研究與實踐[J]. 高等工程教育研究， 2018（4）： 163-167.

[4]張霞，桑曉光，王錦霞，等. "知識、能力、素養"融合的無機化學課程新教學模式建設[J]. 大學化學，2021，36（11）：155-160.

[5]錢飛躍， 李 勇， 王俊霞， 沈耀良. OBE背景下五星教學法在環境工程原理實驗教學中的應用[J]. 化工高等教育， 2020（1）： 115-119.

[6]王保健， 陳花玲， 楊立娟. 工程教育認證標準下的課程教學設置[J]. 實驗室研究與探索， 2018， 37（8）： 162-166.

[7]（美）阿萊克斯`彭特蘭. 智慧社會： 大數據與社會物理學[M]. 杭州：浙江人民出版社， 2015： 37.

[8]杜穎. VR+教育[M]. 北京：清華大學大學出版社，2017： 50-57.