高校教育結合虛擬仿真技術的探索與創(chuàng)新應用

摘要：目的：高校教育的信息化程度與科學技術的發(fā)展水平息息相關。文章以藝術學與生物學兩個代表性學科為例，探討虛擬仿真技術在高校教育中的創(chuàng)新潛力與應用前景。方法：首先，對虛擬仿真技術的起源、類型、特征以及在我國的發(fā)展現狀進行概述。然后，分別對藝術學、生物學與虛擬仿真技術融合的優(yōu)勢與不足進行深入探討，并提出相應的教學改革建議。結果：虛擬仿真技術作為一種新型教學輔助工具，在高校的應用日益廣泛，逐漸融入藝術學、生物學、醫(yī)學、農學、經濟學、管理學等多個學科領域。特別是在藝術學與生物學領域，虛擬仿真技術不僅能提供生動、豐富的交互性學習體驗，而且能突破傳統(tǒng)教學對材料和空間的限制，實現教學方式創(chuàng)新。但虛擬仿真技術仍面臨著操作真實感有待增強、個性化學習欠缺等挑戰(zhàn)。構建資源共享平臺，培養(yǎng)高校教師隊伍，增強學生的實踐能力，促進學科之間交叉協(xié)作與建立學生反饋機制，有助于藝術學、生物學等學科與虛擬仿真技術深度融合，建設一個更加智能、全面的虛擬仿真教學平臺。結論：虛擬仿真技術為激發(fā)學生的學習興趣、提升教師的教學質量和培養(yǎng)交叉學科人才提供了支持。教育科研人員、技術開發(fā)人員與政策制定者需要共同探索，更好地發(fā)揮虛擬仿真技術的優(yōu)勢，因材施教。

關鍵詞：高校教育；虛擬仿真技術；藝術學；生物學；創(chuàng)新

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2024）15-00-03

0 引言

在全球科技水平不斷提高的背景下，現代教育對新型信息技術有著迫切的需求。虛擬仿真技術作為其中的一個重要分支，已逐步滲透到高校教育的各個學科。該技術打破了傳統(tǒng)教學所受的材料和空間限制，以高度的仿真環(huán)境和豐富的互動體驗，給學生帶來更直觀、生動的學習感受。將抽象的理論知識轉化為可視化、可操作的仿真內容，便于學生在虛擬環(huán)境中親身實踐，更好地掌握知識。尤其是在藝術學和生物學教學中，虛擬仿真技術的應用潛力愈發(fā)凸顯。在藝術學科教學中，借助虛擬仿真技術構造三維立體的藝術作品，能讓學生從不同的角度欣賞，甚至參與到創(chuàng)作過程中［1］；在生物學科教學中，學生可以模擬實驗操作，觀察生物微觀結構，從而深化認知［2］。藝術學的實踐教學通常依賴實物材料，生物學的實驗教學則更強調動手能力和安全性，應用虛擬仿真技術開展教學，既可以保留傳統(tǒng)教育方式的優(yōu)勢，又能調動學生的學習興趣，從而有效提高教學質量。本文以藝術學和生物學兩種不同類型的學科為例，分別闡述虛擬仿真技術在教學中的應用現狀，并提出具有針對性的優(yōu)化策略。

1 虛擬仿真技術發(fā)展概況

虛擬仿真技術是一種利用計算機技術創(chuàng)建和模擬現實或虛構環(huán)境，使用戶能夠進行交互式體驗的技術。其核心在于通過軟件和硬件的協(xié)同工作，構建一個三維或多維的虛擬空間，便于觀察、操作甚至是情感體驗，從而獲取知識、提高技能或開展科學研究。該技術源自20世紀60年代的計算機圖形學和人工智能領域，20世紀90年代才真正進入大眾視野，并廣泛應用于教育領域［3］。隨著圖形處理能力的發(fā)展和互聯(lián)網的普及，虛擬現實（VR）、增強現實（AR）和混合現實（MR）等技術迅速發(fā)展，虛擬仿真技術開始走進課堂，成為教育改革的前沿陣地。

虛擬仿真技術經歷了從單一感官模擬到多感官沉浸式體驗的轉變。早期的虛擬環(huán)境主要是視覺上的模擬，如簡單的圖形界面。隨著計算機硬件和軟件算法的創(chuàng)新，虛擬仿真技術逐漸突破了視覺的局限，融入聽覺、觸覺、嗅覺甚至味覺的模擬，為用戶帶來了更真實的沉浸感。此外，交互性是虛擬仿真技術的另一個重要特征，從初期的單向輸入發(fā)展到現在的雙向或多向交互，用戶可以通過手柄、手套、頭盔和眼球追蹤等多種設備參與，使學習過程更為生動，從而提升學生的學習興趣和創(chuàng)造力［4］。

近年來，我國各級教育部門積極推進虛擬仿真教學，進一步加速了其在高校教育中的應用。自2017年啟動示范性虛擬仿真實驗教學項目以來，越來越多的高校參與其中。通過建設虛擬實驗室和線上課程等形式，將虛擬仿真技術應用到藝術學、生物學、醫(yī)學、農學、經濟學與管理學等多個學科教學中。該類項目的順利實施不僅豐富了教學資源，促進了跨學科交流，提升了教學效率，還在一定程度上解決了實驗設備昂貴、實驗材料不足和存在安全隱患等問題。

2 藝術學與生物學的虛擬仿真教學實踐

2.1 藝術學的虛擬仿真教學探索

對藝術學教學而言，理論與實踐的緊密結合至關重要，而傳統(tǒng)教學模式往往受限于實物材料和實地操作，導致理論知識與實踐技能脫節(jié)。饒正杉等人指出，虛擬仿真技術能夠彌補這一缺口，通過在數字化、可操控的環(huán)境中模擬藝術創(chuàng)作過程，使學生在虛擬空間進行無實物或低成本的技能訓練，從而有效整合理論與實踐［5］。國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺顯示，虛擬仿真技術已成功運用到美術學、設計學、藝術學、音樂與舞蹈學、戲劇與影視學等學科，展現了其在藝術學領域的創(chuàng)新潛力。例如，中國人民大學藝術學院的“視聽敘事虛擬仿真實驗”項目，利用虛擬仿真技術復原經典影片的拍攝場景，使學生能夠在虛擬環(huán)境中親身體驗電影制作的各個環(huán)節(jié)。河南大學的“黃泛區(qū)考古與文物保護虛擬仿真實驗”項目，將虛擬仿真技術用于文物保護工作，通過數字化手段記錄文物信息、模擬修復過程，為文化遺產保護提供了技術支持。武漢體育學院的“中國民俗舞蹈——朝鮮族‘農樂舞’儀式虛擬仿真實驗”項目，利用虛擬仿真技術幫助學生更直觀地了解朝鮮族“農樂舞”的表演形式與演化歷程。

學生運用數字工具進行藝術創(chuàng)作，能夠擺脫實物限制，豐富創(chuàng)作手段。通過虛擬現實技術，學生可以創(chuàng)作雕塑、繪畫等作品，并從不同的角度觀察與修改。通過增強現實技術，學生可以借助手機或頭戴式設備，將藝術作品融入日常生活中，在現實環(huán)境中感受虛擬藝術作品。這樣既能增強學生的藝術感受力，又能鍛煉他們對藝術作品的多維度解讀能力。另外，應用虛擬仿真技術，學生能夠根據自己的節(jié)奏探索學習，自由嘗試不同的藝術創(chuàng)作方法，避免傳統(tǒng)教學模式下材料浪費或安全隱患等問題。

虛擬仿真技術為藝術教育開辟了一條新的道路，對培養(yǎng)學生的藝術創(chuàng)新思維和動手能力大有裨益。然而，虛擬仿真技術在藝術學科教學中的應用同樣面臨挑戰(zhàn)。首先要解決的問題是如何保證學生在高度沉浸于虛擬環(huán)境的同時，獲得與實物材料交互的真實感。高校教師也應思考，如何設計出既能激發(fā)學生的學習興趣，又能引導學生對藝術學課程進行深入探究的教學活動。

2.2 生物學的虛擬仿真教學創(chuàng)新

相較于傳統(tǒng)的教學方式，虛擬仿真教學對呈現生物學授課內容、模擬實驗操作以及提升學生的學習體驗具有重要作用。韓利紅等指出，虛擬仿真技術在生物實驗教學中的應用，不僅革新了教學模式，還極大地提高了教學效率，對培養(yǎng)應用型和創(chuàng)新型生物專業(yè)人才具有重要作用。在國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺上，虛擬仿真技術已廣泛應用于生物科學、生物技術、生物工程和生態(tài)學等多個學科。例如，揚州大學的“高致病性病原微生物檢測虛擬仿真實驗”項目，能使學生在保障自身安全的情況下，掌握高致病性病原微生物檢測的各個環(huán)節(jié)和生物安全操作規(guī)范。重慶大學的“蛋白酶表達純化及活性測定虛擬仿真實驗：以新冠病毒及細胞自噬蛋白酶為例”項目，通過四個模塊的實驗內容，幫助學生熟練操作蛋白的表達、蛋白純化、酶活性測定，并在線完成實驗報告。董彬等人所開展的黃河三角洲鹽地堿蓬多糖提取與活性研究實驗，取得了較好的教學效果［6］。

虛擬現實技術和增強現實技術為高校生物學教學帶來了全新的視角，使學生能夠在安全、低成本的環(huán)境中探索生物的奧秘。通過虛擬現實技術，學生可以進行細胞分裂觀察、虛擬生物解剖、生物進化和生物發(fā)酵過程模擬等各種生物實驗［7］；利用增強現實技術，將虛擬的生物模型融入現實環(huán)境，如在公園內觀察虛擬的昆蟲生態(tài)［8］，既能激發(fā)學生的學習興趣，又能加深其對生物的生態(tài)作用的認識。另外，虛擬仿真技術具有交互性，學生能夠在模擬環(huán)境中實時調整參數，基于不同角度、不同實驗條件觀察生物結構，從而加深對生物原理的理解。學生根據自己的進度進行虛擬實驗，教師可以同步追蹤學生的課堂表現，通過數據分析功能對其進行個性化引導。虛擬仿真實驗技術還支持學生之間的遠程協(xié)作，共享實驗數據，共同解決問題，對培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作能力和批判性思維具有重要作用。

然而，虛擬仿真技術在生物學教學過程中的應用仍存在多方面的不足。如何在虛擬環(huán)境下模擬操作的真實感，確保學生的動手能力得到充分鍛煉，是需要重點關注的課題。此外，需要慎重考慮的問題還有如何平衡虛擬實驗和實際操作之間的關系，如何將實驗倫理教育融入虛擬實驗之中。教育者和研究者應繼續(xù)探索如何在虛擬與現實之間找到最佳的平衡點，確保該技術能夠充分挖掘學生的潛能。

3 虛擬仿真技術與高校教育深度融合的策略

高校教育的智能化水平離不開科學技術的支持。虛擬仿真技術在高校教育領域的應用正以前所未有的速度發(fā)展，為學生提供了一個直觀、安全且高效的學習平臺，逐步成為提升教學質量和培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要工具。與此同時，該技術也面臨著開發(fā)成本高、真實性欠缺和學生適應能力存在差異等問題，亟須進一步完善。筆者結合自身的高校虛擬仿真教學經驗，從以下五個方面進行優(yōu)化，推動虛擬仿真技術與高校教育深度融合，充分發(fā)揮其技術優(yōu)勢。

第一，加快構建資源共享平臺。教育部門應加大對虛擬仿真技術的投入力度，加快建設虛擬仿真教學平臺。同時，鼓勵高校之間共享優(yōu)質教學資源，建立內容更豐富的虛擬仿真教育資源庫，提高平臺利用度。

第二，加強高校教師隊伍培養(yǎng)。教師是推動虛擬仿真技術與高校教育融合的紐帶。高校需要定期組織教師參加虛擬仿真培訓課程，使其熟練掌握虛擬仿真技術的操作方法和教學策略，提高教師的基本素質。

第三，增強學生的實踐能力。通過虛擬仿真實驗、創(chuàng)意項目等形式，將虛擬仿真技術與實踐活動緊密結合。同時，鼓勵高校與企業(yè)合作，提供實習機會，讓學生在實際操作中豐富經驗。

第四，促進學科交叉協(xié)作。高校之間或學科之間應打破傳統(tǒng)壁壘，以虛擬仿真技術為主題開展聯(lián)合攻關項目、課程設置和團隊建設，加強不同學科的跨界合作，培養(yǎng)學生的綜合素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，激發(fā)學生的創(chuàng)新靈感。

第五，注重學生的反饋。建立健全學生反饋機制，及時了解學生在使用虛擬仿真技術過程中遇到的問題，不斷優(yōu)化教學內容、教學方法和教學平臺。

4 結語

本文探討了虛擬仿真技術應用于高校教育中的優(yōu)勢與不足。一方面，該技術打破了傳統(tǒng)教學壁壘，提高了學生的學習效率，并促進了教學方式創(chuàng)新；另一方面，該技術面臨操作真實感有待增強、個性化學習欠缺等不足。隨著科學技術的進一步發(fā)展，虛擬仿真教學平臺的智能化水平逐漸提高，通過大數據分析和人工智能，能夠為學生提供更精準的個性化學習方案。教育科研人員、技術開發(fā)人員、政策制定者應協(xié)同努力，結合理論研究、技術創(chuàng)新和政策支持，促進虛擬仿真技術在藝術學、生物學等學科教育中深入應用，推動其在高校教育改革中發(fā)揮關鍵作用。

參考文獻：

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［7］ 趙倩茹.以創(chuàng)新型人才培養(yǎng)為目標的細胞生物學教學設計［J］.工業(yè)微生物，2024，54（4）：176-178.

［8］ 武承旭，于曉飛，楊茂發(fā)，等.“森林昆蟲學”課程教學改革探索［J］.教育教學論壇，2022（10）：59-62.