资源建设新形态：虚拟仿真资源的内涵与设计框架*

王 娟，陈 瑶

(江苏师范大学 智慧教育学院，江苏 徐州 221116)

资源建设新形态：虚拟仿真资源的内涵与设计框架*

王 娟，陈 瑶

(江苏师范大学 智慧教育学院，江苏 徐州 221116)

虚拟仿真技术是近年来较热门的技术，目前广泛应用于教育信息化及高校实验教学示范中心建设领域。由于我国虚拟仿真资源建设起步较晚，广大研究者和实践者对其还缺乏清晰的认识，致使国内虚拟仿真实验教学中心推进缓慢。虚拟仿真资源具有沉浸性、交互性和构想性等特征，虚拟仿真资源设计需要在具身认知理论、情境认知理论及建构主义理论指导下，一方面遵循“共研共建、虚实结合、拓展共享”三大设计理念，另一方面设计架构“‘一体两翼多平台’的资源建设体系、‘多维度’的虚拟仿真实践教学体系、‘多向度’的虚拟仿真软件和产品”三个模块，按照确定资源类型、细化设计脚本、编写设计说明书、设计实施与开发四个环节进行设计架构。

虚拟仿真技术；虚拟仿真资源；情境认知；设计框架

随着教育教学改革的不断推进，教育部对高校实验教学信息化工作提出了新要求。2013年8月，教育部决定开展国家级虚拟仿真实验教学中心的建设工作(教高司函[2013]94号)，2013年建设100个左右国家级虚拟仿真实验教学中心[1]。2014年8月，教育部发布《关于开展2014年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》(教高厅函[2014]31号)[2]。2015年6月，教育部发布《关于开展2015年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》(教高厅函[2015]24号)[3]。截至2015年，我国已建成200个国家级虚拟仿真实验教学中心，分布在全国155所普通本科院校[4]。

目前，推进虚拟实验教学中心的建设已引起国内外学者的普遍关注，英国开放大学、美国耶鲁大学、IE商学院等机构，为开展虚拟教学相继推出了虚拟仿真教学资源和平台。虚拟仿真资源是虚拟仿真实验教学中心建设的重要内容，为学习者的动手能力、实践能力及创新能力培养提供了资源和平台。随着我国虚拟仿真实验教学中心建设的推进，大大提高了广大教育工作者和研究者开发虚拟仿真资源的勇气和信心，但通过文献梳理与相关调查发现，当前国内外对虚拟仿真资源设计的研究较少。基于此，本研究重点探讨虚拟仿真资源的内涵，通过虚拟仿真资源的设计理念，构建其设计框架、解析其设计流程，以期对我国虚拟仿真资源的建设提供借鉴和参考。

一、虚拟仿真资源内涵、类型与特征

(一)虚拟仿真资源的内涵

虚拟仿真技术是仿真模拟技术与虚拟现实技术相结合的产物，是综合利用计算机图形系统和各种现实及控制等接口设备，在可交互的三维环境中提供沉浸感的技术[5]。用虚拟仿真技术所创造的学习环境具有物理、环境和行为真实感，使学习者能在类似真实的情境中体验解决真实的问题。

“虚拟仿真资源”对多数人来说并不陌生。文献检索发现，2012年国内开始出现“虚拟仿真资源”的文章和报道。张莹在“以虚拟仿真资源为抓手，打造湖铁特色教学资源平台”中，首次对虚拟仿真资源的建设思路及与教学资源库平台发展提出了建设构思[6]。随后，孙爱娟对职教领域虚拟仿真教学资源建设与应用进行了分析[7]。此外，为提高使用效益、创新应用模式，近年来围绕虚拟仿真资源的高峰论坛不断涌现，如“中国职业教育虚拟仿真教学资源高峰论坛”等。这些研究和活动主要是分享了虚拟仿真资源建设、应用的研究成果和实践经验，以及行业前沿和产品方案，但对虚拟仿真资源的内涵阐释不多。

目前，国内外学者对虚拟仿真资源的概念界定尚显模糊，为此笔者通过对近年来虚拟仿真资源资料、会议、报告等梳理，将虚拟仿真资源界定为：借助仿真技术和虚拟现实技术开发的、蕴含大量信息、可以被利用的各种显现的或潜隐的条件和要素，主要涉及基础设施和设备、实验材料(素材、案例、影视、动画、图片、课件、教具等)、实验软件、支持系统等，通常包括仿真模型、仿真数据、仿真软件和仿真平台。当前各级各类机构，对虚拟仿真资源基本都采用自定方案的建设模式，暂无指定的设计方案。

虚拟仿真资源具有漫游、演示、互动、考核等功能[8]。目前虚拟仿真资源主要应用在军事与航天、城市规划与经营、建筑设计、房地产、科技馆、博物馆、古文化遗产还原与保护、模拟训练、游戏、娱乐、通信、医疗、教育、艺术、体育、分子化学、科学计算可视化等领域。虚拟仿真资源的教育领域应用主要体现在医学教育、电类实验教学、机器工程实验教学、现代通信网络实验教学、市政环境实验教学等领域(如图1所示)。

图1 虚拟仿真资源的教育应用

(二)虚拟仿真资源的类型

目前，我国虚拟仿真资源的开发正处于急速发展期，对虚拟仿真资源的分类主要涉及以下两种：

第一种方法将虚拟仿真资源分为四类：一是教材知识类，依据教材及教学大纲，系统化构建仿真资源，将抽象的知识形象化、立体化；二是现有实验类，将现有实验虚拟仿真，以拓展真实实验，摆脱地点限制，随时随地实验学习；三是企业一线类，由市场决定生产、资源围绕一线服务，即将企业一线的生产环节、制作过程、操作环节(难理解、难表达、意义大)虚拟仿真，以便学生在校内体验学习；四是设想类，属于设想或规划，没有实物参考，可依靠讲解、网络搜集图片、参考书籍资料，进行仿真教学资源开发，便于学习交流。

第二种方法是按照不同的应用技术、依托平台、使用方式及学科属性划分[9]：这里借鉴胡今鸿的观点[10]，按应用技术分为沉浸式实验(虚拟现实技术)、计算机虚拟实验(多媒体)、分布式协同实验(网络)、个性化自主实验(教育游戏软件)、远程交互实验(遥控技术)等资源；按平台特征可分为虚拟仿真实验室、移动实验室、网络实验室等资源；按使用方式可分为软件共享、仪器共享和远程控制三种资源。

(三)虚拟仿真资源的特征

用虚拟仿真技术开发的资源具有沉浸性、交互性、构想性等特征，同时具有将知识点附加到三维模型上，三维结构可任意旋转、缩放，互动拆装，实现三维可视化。具体体现如下：一是沉浸性，指使用者完全融入计算机所创建的虚拟环境中，真正实现人与虚拟环境的“融合”。理想的虚拟环境达到了让用户真假难辨的程度，如电力安全培训的虚拟操作过程，将安全事故的沉浸式体验突出强化，从而带来视觉、听觉、触觉、嗅觉上的感观刺激[11]。二是交互性，指虚拟现实系统能够提供方便、丰富、自然的人机交互手段。用户可以用手直接抓取模拟环境中虚拟的物体，并有抓握的感觉，被抓的物体也能伴随一起移动，如Kinect体感游戏。Kinect是一种3D体感摄影机，只要手势或声音就能进行游戏操作，使人机互动的理念更彻底[12]。三是构想性，指针对某一特定的领域，解决使用者的应用需要及丰富的想象力，使人沉浸在虚拟环境中产生联想和构建，延伸出新的理念和想法，进而产生认识上的飞跃。

二、虚拟仿真资源设计的指导理论

(一)具身认知理论

具身认知观认为，环境是认知过程必不可少的部分[13]，人的认知是身体、环境、活动三者协同作用的结果[14]。基于此，虚拟仿真资源设计应将技术置于整个人类实践的境脉中考察，探索如何将技术用于扩展人类的认知系统并付诸实施，在此过程中，技术从“可见”走到“隐形”[15]；同时需要将虚拟学习空间和现实世界有机结合起来，提供学习者实践参与的、个性化、高互动的学习环境，即使得学习者在技术支持下创造属于自己的学习环境，学习在一个合作共变的过程中得以发生。在该过程中，技术及其支持下的学习环境不再是外在学习者的系统，而是内化为学习者认知系统的一部分[16]。

(二)情境认知理论

情境认知由实践共同体的边缘者逐渐到积极主动接触实践共同体文化的核心，并在实践共同体协助下完成知识的意义组建[17]。情境认知理论强调，教学设计的理论应与实践相结合，通过真实的情景进行教学。知识通过情境获取，影响着虚拟仿真资源的教学系统和学习环境的设计与开发[18]。因此，运用虚拟现实技术构建虚拟教学情境，应从学习者的认知心理出发，掌握学习者已具备的知识和对情境的理解，使得新旧知识顺利衔接，形成自己的认知结构，提高认知能力；并将学习资源通过超级链接的形式添加到场景中，充分发挥学习者的自学能力[19]。

(三)建构主义理论

建构主义理论认为，理想的学习环境包括情境、协作、交流和意义建构四个部分，情境创设是教学设计中最重要的环节[20]。虚拟现实技术的沉浸性、交互性和构想性，使学习者能沉浸其中，形成具有交互效能多维化的信息环境，把新旧知识联系起来，达到知识建构的目的。借助虚拟现实技术构建逼真的虚拟环境，能够解决学习中的情景化及交互性的问题，激发学生的求知欲，加深对知识的理解。虚拟仿真资源情境的创设多种多样，可以借助语言描述、图画展示、视频、多媒体设备创设。如物理、化学、生物实验中，使用虚拟仿真资源提供了一种身临其境的环境；历史、地理等学科教学中，则可以模拟历史人物及自然现象。

三、虚拟仿真资源的设计理念

为了创造有价值的虚拟仿真资源，使之在创新型人才培养、虚拟仿真实验教学中心建设中发挥重要作用，应建立资源融合、多方协同的合作模式，构建出技术先进、功能多样、近似真实、高效管理的虚拟环境。因此，虚拟仿真资源必须理性设计，应遵循三大理念，即共研共建(牵手行业顶尖公司、共研虚拟仿真资源)、虚实融合(虚拟资源远程控制、传统实验和虚拟实验无缝对接、开放融合)、拓展共享(重视实验教学、拓展资源共享)。这三种理念共同指导着高质量虚拟仿真资源的设计与开发(如右图2所示)。

(一)共研共建——牵手行业顶尖公司，共研虚拟仿真资源

虚拟仿真资源在设计过程中，应坚持开放共享，突出实验资源的“高精尖”“现代化”和“职业化”，与国内顶尖公司共同研发虚拟仿真实验软件，结合实体实验教学资源，与国内外多家大型产业基地合作，形成“一体两翼多平台”的实验教学体系，借助虚拟场景制作仿真实训软件、借助软件模拟实验制作过程，让学习者参与各类仿真设计和场景设计。唯如此，才使开发的资源具有不可替代性和可移植性，延伸实验的空间和实践，提升学习者的学习兴趣和设计能力，提高实验的效果和效率[21]。

图2 虚拟仿真资源的三大设计理念

(二)虚实结合——虚拟资源远程控制，虚实结合开放融合

虚拟仿真资源可以把实验成本高、大型综合训练，以及环境、硬件、安全无法保障的实验项目，通过虚拟仿真实验教学完成；大型昂贵的实体实验一般在共建的产业实践基地完成；基础性的实验、一般性技能训练，则通过中心实体实验进行实训。部分虚拟仿真实验资源，可以通过相应网站的开放共享实验课程实施远程操作，达到与实验室操作同样的实训效果。同样，学习者可以借助课程资源共享平台或手机微信公共号与实践指导教师交流，实时地得到指导。虚拟仿真资源容易远程操作，其建设应遵循“能实不虚、虚实结合”的原则，促进其可持续发展和良性循环。

(三)拓展共享——重视实验教学，拓展应用领域

虚拟仿真资源设计应以单元集成、自主研究和开发、校企合作开发、虚拟仿真技术研究成果转化、典型工程项目转化为主；强调实践教学的重要作用，结合实验教学实际，关注虚拟仿真再现工作，并将其设计为虚拟实验资源。同时，注重校企合作、资源共享，通过校企合作共同开发实验软件，形成“产学研”一体化的实践教学体系；采用科研成果和校企合作开发，使资源具备良好的科学性、前沿性、实用性，保证资源的先进性、创新性。因此，虚拟仿真资源设计应体现实验资源整合、教学科研结合、校企联合的“三合”理念，使得资源真正共享、全面共享成为可能，进而推动资源的开放及推广应用。

此外，虚拟仿真资源设计也体现在3个“1+1”模式上，即“课程+项目、创作+竞赛、虚实+基地”。其中“课程+项目”是精心设计实验资源，结合研究课题和教学创新实践，全面提高实验的针对性和技能掌握的实用性，开发出针对性强的资源。“创作+竞赛”是实验资源在技能实训的同时强调整体创作训练，鼓励学习者利用各类专业竞赛带动科研创作与实践技能的提升。“虚实+基地”指设计的实验实训资源，强调理论与实践融合、校内与校外兼容、校企兼容、专业互补等，同时通过校外创新实践基地进行全方位的实体体验，达到“虚实相应、协调互补、全面提高”的实训效果。

四、虚拟仿真资源的设计框架和内容

新一代虚拟仿真技术注重学习者的主动参与，使得虚拟仿真资源发展将转向“理、虚、实”一体化方向，即将“有限的物理空间”拓展成为“无限虚拟空间”，实现多地、多校、多专业的资源整合和共享，形成虚实结合、师生互动、自主学习的虚拟环境。目前，将仿真平台和各种教学资源融为一体，实现教学内容立体化、教学过程和管理现代化，并通过平台实现在线教学管理、学习指导、成绩考核等任务，已得到广泛应用。如数字电路虚拟实验室教学资源以Multisim10仿真软件为核心，将资源分为课前学习资源、实验课教学资源和课后学习资源三部分[22]。

虚拟仿真资源作为虚拟仿真实验中心建设的重要组成部分，目前还缺少成熟的设计理论和开发过程模型。虚拟仿真资源设计应充分考虑信息特点，采用面向对象设计方法，遵循模块化设计理念，各资源模块应划分清晰、相互独立、具备高内聚、低耦合的特点。为此，基于对虚拟仿真资源的认识及实践经验，研究构建了虚拟仿真资源的通用设计框架，该框架包括四层，分别是理论指导层、模块要素层、资源样态层和资源管理层。

虚拟仿真资源设计在具身认知、建构主义和情境认知理论指导下，由实现虚拟仿真教学系统所需的多类资源组成，主要包括仿真软件和产品、教学素材资源、相关平台和实践教学体系。其中教学素材资源是资源库建设的核心任务，网络平台是资源库运行的关键要素，实践教学体系提供了支撑架构。教学素材资源主要建设虚拟实验、课件、图片、视频和动画等素材，为学习者提供设备、操作练习及实验案例等资源，如虚拟实验开发、教学课件、教学动画及教学录像等；同时设计出满足实验教学、互联网教学、课堂教学的仿真软件和产品，开发出不同形态的资源。此外，虚拟仿真资源还应加强管理，如O2O操作、仿真创新活动等。

(一)“一体两翼多平台”的资源建设体系

虚拟仿真资源设计应以“虚拟结合、资源共享、开放融合”的理念，构建“一体两翼多平台”的资源建设体系。“一体”指实验资源体系，“两翼”指实体实验资源和虚拟实验资源(如图3所示)。实体实验资源即传统的实验平台资源，虚拟实验资源包括“虚拟场景制作仿真实验”“特殊虚拟仿真实验”等资源。实际上，实体实验为虚拟实验提供内容资源和实训目标，虚拟实验则通过高效、便捷、低成本的方式成为实评实验的重要支撑。

图3 “一体两翼多平台”的虚拟仿真资源建设体系

(二)“多维度”的虚拟仿真实践教学体系

虚拟仿真资源设计应着眼于社会需求和未来发展，紧密联系实体实验和理论教学，构成“虚拟、实体、理论”三位一体的课程体系，将虚拟实验分为基础实验、技能训练、综合实验三个层面，强调与理论、研究成果、企业、实体实验的融合，打造“产学研”一体化的资源建设模式(如图4所示)，如常规实验、实验仿真(教学、培训)、科研服务实验项目、虚拟仿真实验项目演示、实验课程和实验项目的多媒体课件演示。通过观看实验视频或课件，可以了解实验过程，完成部分虚拟实验操作，提高学习的主动性、获得更好的实验效果。

图4 多维度的虚拟仿真实践教学体系

(三)“多向度”的虚拟仿真软件和产品

虚拟仿真资源的实践教学应用主要体现为：课堂教学(多媒体教室+互联网)、实验室教学(局域网络版)和互联网教学(在线教学平台，如笔记本、IPAD、手机等)。但目前高校的虚拟仿真资源多存在知识点掌握度不够、规范操作意识薄弱、实践能力差等问题，虚拟仿真资源设计需要遵循“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，需要开发面向不同学习者的虚拟仿真软件，需要和企业合作开发虚拟仿真产品。如目前比较有代表性的仿真教学软件，包括NOBOOK虚拟实验室系列仿真软件、Vcm仿真实验、仿真软件Multisim等，这些软件有助于理论和实践的融合，提高行业综合实力。

五、虚拟仿真资源设计的流程

虚拟仿真资源是根据用户需求开发的仿真资源，包括系统和设备的三维模型、相关视频和动画、操作流程、典型案例等。目前，国内对虚拟仿真资源设计的具体流程还处于探索阶段，大多是对虚拟仿真实验教学中心的设计和研发。为实现优质资源的充分共享、满足专业建设和现实发展的需求，在借鉴职教领域虚拟仿真教学资源建设基础上，研究提出了虚拟仿真资源设计的通用流程，包括：确定资源类型、细化设计脚本、编写设计说明书、设计实施与开发四个环节(如图5所示)。

图5 虚拟仿真资源的通用设计流程

(一)确定资源类型

传统的实验设备和技术条件有限，集成度低，完成的实验功能单一，因此虚拟仿真资源设计首先要明确资源的类型，提供资源设计指导书、设备图片、示意图或视频(展现或说明设备的结构、原理、使用过程)等必要的说明材料。如虚拟仿真资源平台应具有丰富的网络实验教学资源，包括基础实验、实践培训、实验项目介绍、部分虚拟仿真实验项目的演示视频、课程和实验项目的多媒体课件等。一般而言，虚拟仿真资源主要包括实验教学类、实践培训类和科研服务类等资源，这几类资源应满足学校、企业、地区的虚拟仿真实践教学需求，实现校内外、本地区及更广范围内的资源共享。

(二)细化设计脚本

脚本应包括虚拟仿真资源涉及的实验项目、实验软件、仿真环节等设计、展示形式、实验的方法和步骤、实验数据分析方法及标准等。其中，“教”的环节主要涉及教学流程、实验完整事项等文字、视频或语音的介绍；“学”的环节需要展示相关内容，如观看实验步骤、了解实验仪器结构及操作方式等；“练”的环节主要是进行实验练习、模拟演示、实训操作等；“考”的环节主要描述实验数据的分析、处理方法，得出实验结果，对使用者的演示、操练过程进行评价等。

(三)编写设计说明书

虚拟仿真资源设计需要依托虚拟现实技术、360度全景展示技术、网络通讯技术和人机交互技术等现代技术手段，以实现多种功能为主，同时通过情景再现，为科学研究提供实验支撑和数据支持。虚拟仿真资源设计需要编写“设计说明书”，制作软件、注意事项以及操作使用方法(如相应设备、仪器、仪表、工具等的图片或录像)。如江苏师范大学轨道交通信息与控制虚拟仿真实验，功能设计完备、说明充分，有效地解决了传统实验和实训质量考核难的问题。

(四)设计实施与开发

虚拟仿真资源是多种教学资源的融合，需要构建技术先进、功能多样、贴近实际的虚拟环境，为学习创造有力条件，使资源建设促进教与学模式的变迁。因此，在脚本设计基础上需要对虚拟仿真资源进行虚拟场景、三维模型的搭建，制作相关视频、动画、演示操作等(如图6所示)。此外，虚拟仿真资源设计还需考虑操作场景模型，按照虚拟教学训练平台要求设计仿真资源包，视频和动画制作要依据制作脚本整理、制作、输出素材。

图6 虚拟仿真资源设计流程

总之，虚拟仿真资源设计，应注重过程设计、重视资源呈现的样态(视频、动画、虚拟场景等)，利用制作软件预演、修正与完善，从而制作出最佳的资源。当下，物联网、云计算、大数据等技术的快速发展及在教育领域的逐步渗透，正在改变教育的运作模式[23]。虚拟仿真教学资源建设是实现教育信息化的重要抓手，作为虚拟仿真实验教学中心建设的重要内容，未来其重要性将会更加凸显。

[1] 教高司函[2013]94号. 关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[Z].

[2] 教高司函[2014]31号.关于开展2014年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[Z].

[3] 教高厅函[2015]24号. 教育部办公厅关于开展2015年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[Z].

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The New Form of Resources Construction:The Connotation and Design Framework of Virtual Simulation Resources

Wang Juan, Chen Yao

(School of Smart Education, Jiangsu Normal University, Xuzhou Jiangsu 221116)

Virtual simulation technology is a hot technology in recent years. Now it is widely used in education informatization,the construction of experimental teaching demonstration center in Colleges and universities. The construction of virtual simulation resources in our country starts late, and the majority of researchers and practitioners still lack a clear understanding, which leads to slow development of virtual simulation experiment teaching center in China. The virtual simulation resources have three characteristics, that’s immersion, interactivity and imagination. The design of virtual simulation resources needs to be guided by cognitive theory, cognitive theory and constructivism. On the one hand, we should follow three design concepts, including co construction, combination of dummy and reality, and expanding sharing. On the other hand, we design three modules, including resources construction system on “one body and two wings and multi-platform”, virtual simulation practice teaching system on “multi dimension”, and “multi-dimensional” virtual simulation software and products. According to the step of determining the type of resources, detailed design script, writing design speci fi cations, designing implementation and development to design framework.

Virtual Simulation Technology; Virtual Simulation Resources; Situational Awareness; Design Framework

G434

A

王娟：博士，副教授，硕士生导师，研究方向为现代远程教育、开放课程(wjuan8@163.com) 。

陈瑶：在读硕士，研究方向为教育信息化与智慧教育。

2016年9月23日

责任编辑：赵兴龙

1006—9860(2016)12—0091—06

*本文系2016年教育部人文社会科学研究青年基金项目“‘互联网+’时代高校智慧型课程构建的理论与实践”(项目编号：16YJC880074)阶段性研究成果，受江苏高校品牌专业建设工程资助项目(项目编号：PPZY2015C204)资助。