“互联网+”背景下高校虚拟仿真实验教学体系的构建与应用

杨万霞

（南京林业大学林学院，江苏南京210037）

现今，虚拟仿真技术在高校教育领域广泛应用，进一步提高了高校专业教育发展水平。以互联网+教育发展为基础，做好虚拟仿真实验教学体系的完善，有益于实现虚拟仿真技术在高校实验教学方面多元化的运用，使高校可以利用完备虚拟的仿真教学管理体系，解决高校自身部分实验教学问题，同时为虚拟仿真技术助力实验教学工作高质量推进创造良好的时代新机遇。

一、虚拟仿真技术起源及在教育领域应用起点

（一）虚拟仿真技术发展

1.虚拟仿真技术概念提出

虚拟仿真技术又称VR 技术，全称为“Virtual Reality”。该项技术最早起源于20世纪60年代末期。该时期电子技术应用及数字信息技术高速发展，为VR 技术运用提供必要技术保障。但早期阶段VR 设备体积过于庞大，设备使用条件也相对苛刻。因此，最早的VR 技术运用仅作为重点系统进行隐秘信息查看，其技术功能相对单一。20世纪70年代，头戴式VR 设备的问世，解决了VR 设备功能方向单一问题，使其在摄影、图像处理及多媒体技术运用等领域有所涉足。随着后续阶段，美国国家航空航天局对VR技术的进一步拓展，使VR设备真正意义上实现了基于LCD 光学显示器进行图像信息交互，极大地提高了VR 技术适用范围，使VR 技术在电子竞技、教育及医疗等诸多方面得以充分普及。1995年，日本电子游戏公司“任天堂”率先推出基于VR 技术的Virtual Boy 电子游戏交互设备，该设备首次采用独立信息技术处理模块，使VR 设备与计算机设备交互实现无缝衔接。虽然从商业化角度来说，Virtual Boy 电子游戏交互设备推出，并未达到预期收益目标，但对于VR 技术在更多领域的广泛运用，创造了有利技术发展条件。

2.虚拟仿真技术普及

20世纪90年代末期，计算机设备在我国发展普及，为我国信息化技术发展奠定坚实基础。随着技术应用条件的不断革新及计算机技术应用水平的充分提升，我国信息化技术产业发展充分完善了全球互联网产业发展布局。开发我国信息化互联网市场资源，成为21世纪初期阶段世界互联网经济发展的重要目标。在此环境下，用于商业用途的VR 技术逐渐成为互联网市场资源开发主流方向，Microsoft、Google 等互联网巨头纷纷加入VR 技术研发主战场，为VR 技术发展普及创造良好技术发展条件。在商用VR 技术发展带动下，将VR 技术融入军事、教育及医疗等相关领域，成为新时代VR 技术发展新风向，美国、德国是首先将VR 技术运用于高等教育的国家，为VR 技术在教育领域普及积累了诸多技术经验。

（二）虚拟仿真技术教育应用

1.国外

从计算机技术应用角度来看，国外对VR 技术研究水平相比于国内而言相对更强，但该项技术在教育领域的应用，仍然是以北美、西欧国家为主，尤其美国、德国及英国，是最早在高等教育领域开展VR 技术应用试点国家。目前，美国VR 技术在高等教育中普及率不足10%，其中绝大部分应用VR 技术开展教学工作的高校均处于经济发展、技术实力较为雄厚地区。之所以出现这一状况，主要由于美国VR 技术在教育领域应用成本相对较高，需要根据不同专业、课程内容对VR 教学资源进行定制，而建立VR 虚拟模型所需的时间成本、资源成本成为限制VR 技术在美国高校教育普及的重要门槛。德国、英国虽然率先进行VR 技术教育试点，但由于德国、英国对VR 技术在高等教育运用尚处于教育评估阶段，因此，VR 技术难以在德国、英国高校得到大范围普及，一定程度上限制了VR 技术在教育应用方面的发展。

2.国内

2017年7月，教育部办公厅下发《关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》，进一步预示VR 技术应用成为未来阶段我国教育发展的重要组成部分。2018年6月，为更好地满足VR 技术在教育领域的应用需求，教育部开放了“实验空间”的实践平台，该平台主要针对技术共享为VR 技术在高等教育中的运用提供技术支持，使各地区的各个高校能基于对VR 技术的有效运用，提高不同学科的专业教育能力，使VR 技术切实成为高等人才教育培养的辅助手段。VR 技术在我国高等教育领域的广泛普及，不仅得益于政府机构的政策支持，同时VR技术的商业发展也为VR技术教育实验运用提供了必要帮助，使我国VR 技术发展逐渐从技术探索走向技术创新，为各地区的VR 技术教育普及积累丰富技术经验，从根本上构建VR技术教育实验发展新生态，充分解决我国高等教育信息化发展部门的基础问题。

二、虚拟仿真技术在高校教育领域的应用优势

（一）提高实验教学的实践安全性

虚拟仿真技术是计算机技术应用，实现虚拟环境信息交互。在实际实验教学方面，仅需通过对计算机图像处理，即可实现对3D 立体实验过程进行呈现，极大地提高了实验教学效率、实验教学安全性。尤其对于化工类专业学生课程教学而言，利用虚拟仿真技术开展实验教学，省略了繁琐的实验教学准备环节，使专业大学生对实验课程内容学习在短期内即可完成，避免了学生参与危险化学实验，为其更好地开展化学实验教学工作提供了有利的基础保证。除此之外，虚拟仿真技术不仅能对单一实验教学内容进行呈现，同时，虚拟仿真技术也可基于理论知识教学，实现理论课程教学与实验教学双向对接，使部分专业学科在不改变教学环境的情况下，亦可有效开展实验教学课程，进一步解决高等实验教学时效性不足问题。

（二）加强知识概念教学立体化呈现

早期阶段，高校所采取的信息化教学，大部分以多媒体设备应用为基本载体。多媒体设备运用虽然丰富课堂教学内容，并使实验教学能从多个角度对知识概念进行渗透，但无法对知识体系进行串联，导致实验教学难免存在一定程度的教学遗漏。利用虚拟仿真技术开展实验教学，则能使知识概念实现立体化呈现，提高理论课程教学与实验教学课程连贯性，切实强化实验课程教学的衔接能力，突破传统信息化教育发展对实验课程教学限制，弥补高校实验教学部分不足。正是由于虚拟仿真技术在实验教学方面的运用，实现了对知识概念立体化呈现，使高校实验教学工作的开展可以针对不同专业学科，优化教育策略，提高实验课程教学灵活性，为后续阶段实验教学工作稳步推进创造良好的基础条件。

（三）强化专业课程教学实验多元化教育能力

长期以来，专业大学生理论学习水平及实践操作能力方面的差异，始终是困扰实验课程教学规划的重要导向因素，如何在教学规划方面掌握好教学平衡，并尽可能满足不同专业大学生多元化学习需求，对高校教师而言至关重要。虚拟仿真技术在实验教学方面的运用，则可有效针对这一困扰进行解决。虚拟仿真技术人机交互，虽然是建立在三维立体模型应用及虚拟环境模拟角度得以实现，但本质上三维立体模型仍然是以数字信息技术为核心基础，因此，若教师能充分掌握计算机技术及数字建模技术应用，则可适当根据大学生实验课程教学需求，调整实验教学难度及实验内容，使虚拟仿真实验教学能根据学生学习能力、学习水平，更好地进行教学对接。从而，进一步实现实验课程教学多元化开展，确保虚拟仿真实验教学能适用于不同教学环境。

三、“互联网+”背景下高校虚拟仿真实验教学技术应用现状及问题

（一）虚拟仿真实验教学资源共享体系尚不完善

当前阶段，虚拟仿真技术在我国高校实验教学方面运用形成一定教育规模，但教育资源共享仍然存在共享管理体系不完善问题，基础问题主要集中在以下两个方面。第一，教育资源共享申请流程较为繁琐，针对虚拟仿真实验教学资源共享管理并不到位，未能根据高校实验课程教学需求，及时调整数据资源共享管理方案，导致资源共享存在时效性不足问题，无法切实满足部分学科虚拟仿真实验教学需求。第二，现阶段虚拟仿真实验教学，其技术成本仍然相对较高，部分高校的部分学科，由于教育资源投入不足，无法支持虚拟仿真实验教学长期应用，使虚拟仿真实验教学在技术成本方面形成一定门槛，难以在现有教育发展条件下实现大规模教育普及，使虚拟仿真实验教学无法到达预期教育要求。

（二）虚拟仿真实验教学资源开发能力不足

虚拟仿真技术是以计算机技术应用为基本载体，技术内核仍然基于计算机图像处理技术延伸而来。计算机图像处理、编辑成本相对较高，仅依赖信息技术共享平台单方面提供技术支持，难以保证虚拟仿真技术在实验教学中应用有效性。受限于技术成本及技术条件，在“实验空间”技术平台中部分虚拟仿真实验模本，普遍存在图像处理质量较差及仿真处理效果不足问题，无法切实发挥虚拟仿真技术沉浸性、交互性及构想性基本优势，降低了虚拟仿真实验教学基本质量。此外，由于信息共享平台技术开放主体尚不明确，使虚拟仿真实验课程设计，仅能针对部分简单实验课程教学提供教育帮助，无法将复杂及难度较高的实验课程采用虚拟仿真形式加以呈现，进一步限制了虚拟仿真技术功能使用，促使虚拟仿真实验教学质量大打折扣。

（三）虚拟仿真实验教学对接管理平台单一

我国虚拟仿真实验教学平台，主要是以“实验空间”为主，由于虚拟仿真实验教学尚未实现大规模商业化推广，导致现阶段虚拟仿真实验教学课程设计无法满足多元化实验教学需求。加之各地区不同学科对专业实验课程要求各不相同，使虚拟仿真资源共享平台无法针对不同地区、不同学科对实验教学要求，有针对性地进行教育资源优化，导致虚拟仿真实验教学效率及质量有所降低。未来阶段，高校对虚拟仿真实验教学技术运用，应建立完善实验教学发展体系，根据不同地区高校、学科虚拟仿真实验教学需求，建立完整的信息化教育发展新生态，提高虚拟仿真实验教学教育质量、教育有效性，使虚拟仿真实验教学切实成为高校教育发展不可或缺的组成部分，为虚拟仿真实验教学技术应用更好地适应时代新环境奠定良好的根基。

四、基于“互联网+”背景下高校虚拟仿真实验教学体系的构建方法及应用策略

（一）提升高校虚拟仿真实验教学教育对接能力

加强高校教育对接能力，其目的在于弥补高校虚拟仿真实验教学资源不足问题，使高校虚拟仿真实验教学能突破技术门槛限制，更好地完善虚拟仿真实验教学体系。在此过程中，高校要根据自身实验教学需求，从平台对接、高校对接及企业对接三个维度同时开展虚拟仿真实验教学。改变传统模式下单一平台对接教育输出，使高校能通过与不同地区重点院校、相关企业教育合作，获取更多元虚拟仿真实验教学内容，利用自身教育优势开展系统化虚拟仿真教育联动，以混合式教学为基本载体，拓宽虚拟仿真实验教学适用范围，使虚拟仿真实验教学能解决高校实验教学多方面基础问题，有效改变高校虚拟仿真实验教学发展现状，为其更好地运用虚拟仿真实验教学提高教育质量夯实基础。

（二）开放虚拟仿真实验教学商业化教育推广

当前，我国虚拟仿真实验教学发展尚未基于商业化推广建立虚拟仿真教学生态圈。导致不同学科、不同专业及不同高校虚拟仿真实验教学质量存在较大差异。而开放虚拟仿真实验教学商业化发展，则能基于建立市场竞争环境，实现对虚拟仿真实验教学资源质量提升。从教育发展本质上来说，不同专业对于虚拟仿真实验教学资源应用需求具有较大差异，利用市场竞争促进教育发展良性循环，则能从根本上弥补虚拟仿真实验教学资源不足问题，使虚拟仿真实验教学可以在商业化发展推动下，进一步强化与相关企业之间教育合作关系，打破传统模式下虚拟仿真实验教学技术垄断，使该项技术能真正意义上成为高校人才教育培养重要基础，为高校开拓虚拟仿真实验教学发展新路径创造积极条件。

（三）推动虚拟仿真实验教学多端口协同开展

现阶段，虚拟仿真实验教学开展，大部分仍然是以PC 端计算机设备应用为主。之所以基于计算机设备开展虚拟仿真实验教学工作，主要由于计算机设备性能参数能达到虚拟仿真技术应用需求。未来阶段，智能通信设备性能参数提升，将打破现有教育条件限制，以移动端设备为主体虚拟仿真实验教学，将成为主流的教育发展方向。为此，高校应针对技术应用未来化发展，做好对虚拟仿真实验教学技术创新，积极利用与企业教育合作，做好多端口虚拟仿真实验教学优化，运用不同端口之间的信息交互，使虚拟仿真实验教学能在任何时间及任意地点均可有效开展，进一步突破环境因素及条件因素对虚拟仿真实验教学的限制，使虚拟仿真实验教学能切实满足更多教育发展需求。

（四）建立完善虚拟仿真实验教学的课程管理体系

建立完善虚拟仿真实验教学管理体系可以更好地弥补虚拟仿真实验教学部分基础不足。教学管理体系的建立主要基于以下两项内容：第一，是根据虚拟仿真实验教学需求，对教学实践过程中存在的问题进行记录，并向资源共享平台、资源开发者及有关企业进行反馈，帮助企业及教育机构进行资源优化，使虚拟仿真实验教学课程内容能与该学科教学需求保持一致；第二，规范教学实验流程，提高虚拟仿真实验教学标准化水平，使仿真实验课程教学能真正意义上发挥实际教育优势，从根本上保证虚拟仿真实验课程教学的有效性，避免教育实践发展形式化问题，为虚拟仿真实验教学更好地融入高校教育发展体系提供切实保障。

五、结语

综上所述，高校虚拟仿真实验教学体系的建立，对提高虚拟仿真实验教学质量具有积极影响。高校应基于当前阶段仿真实验教学现状，以互联网+教育发展为载体，做好对虚拟仿真实验教学体系优化，不断弥补虚拟仿真实验教学内容的缺失，开拓虚拟仿真实验教学多元化发展路径，为未来阶段高校适应虚拟仿真实验教育发展新环境做好充足准备。