虚拟仿真在线实验应用效果及其影响因素分析——来自于在线问卷的调查数据

邵士昌，王鹏，周光宏，吴菊清

(南京农业大学，江苏 南京 210095)

一、 引言

2020年年初，受到新型冠状病毒感染肺炎疫情的影响，国内各大高校均推迟了开学时间。根据教育部的指示[1]，由政府、高校和社会多方面共同保障高校在疫情防控期间的在线教学，实现“停课不停教、停课不停学”的任务目标。为此，运用虚拟仿真实验教学项目进行远程教学活动，并提供在线实验教学支撑教学质量，成为疫情期间高等院校重要的教学工作。

南京农业大学开发的“乳化肠规模化生产的虚拟仿真实验”是一项模拟工厂中批量生产乳化肠的规模化虚拟仿真实验，获批教育部2018年度国家级虚拟仿真实验教学项目。目前，国内高校的相关教学实践过程中普遍存在硬件设施不足、没有成套的实验设施设备、学生理论与实践脱节等问题。即使有的学校可以到工厂实习，但规模化生产的投料成本高，工艺固定，无法进行创新设计。理论授课中，学生缺乏直观的香肠品质评判标准，往往把品质与安全概念混淆。虚拟仿真实验倡导学生自主、合作、探究式学习以及师生间互动研讨式教学[2]，不仅让学生更好地体验生产过程，还可以促进实验教学与理论学习间的平衡发展，有助于个性化教学的实现。虚拟仿真作为近几年兴起的教学方式，对其应用效果的研究是教学研究的热点之一[3-4]。疫情期间的慕课学习和在线互动教学的实施情况及效果评价受到了教学研究者的重视[5-6]，而虚拟仿真实验教学在此方面的研究尚为数不多。本文在对参与虚拟仿真实验学生的问卷分析基础上，探索如何在在线教学的背景下发挥虚拟仿真实验的作用以及实验参与学生对实验满意度的影响因素，基于实证研究结果提出若干提升虚拟仿真实验在线教学效果的相关对策与建议，为后疫情时期智能时代下虚拟仿真实验教学的变革提供参考。

二、 虚拟仿真在线实验教学实施情况

(一) 数据采集与分析

为了解国内高校学生对虚拟仿真应用于实验教学的体验与感悟，此次调查以网上发布调查问卷的形式展开，调研对象为参与本实验的国内各大院校的食品专业本科生。调查问卷的时间跨度为2020年3月—6月，由于“乳化肠规模化生产的虚拟仿真实验”在线实验教学共分两个批次展开，此次调查同样分为两个批次，分别在3月和6月实施，两个调查共收到有效反馈287份。

(二) 在线实验教学实施情况

1. 对虚拟仿真实验的了解度和参与度分析

虚拟仿真技术[7]作为一项综合集成技术，逐渐成为传统教学手段的补充，在教育教学方面有着广泛的应用。通过与传统课堂教学相融合“以虚补实”，可以激发学生学习的兴趣，提高学习效率，促进教师达成以培养学生能力为重的教学目标。在对“虚拟仿真了解度和参与度”的调查中，我们发现85.02%的学生对虚拟仿真有着一定的了解，其中有4.53%的学生认为自己对虚拟仿真非常了解，参与过虚拟仿真项目的学生与未参与过的学生比例接近1∶1(见表1)。在实验操作前，超过半数的学生表示对虚拟仿真实验感兴趣，愿意参与仿真实验的学习中。这在一定程度上表明，虚拟仿真实验能够激发学生的学习兴趣，提高学生对实验的关注度，对推动教学起着积极的导向作用。

表1 对虚拟仿真实验的了解和是否参与过相关实验

在虚拟仿真实验的教学期间，国内各食品院校的工艺学、加工学等相关课程的处于理论教学阶段，“乳化肠规模化生产的虚拟仿真实验”针对各学校在线讲授的理论知识进行了扩充和延展，加深学生对书本知识的理解，也提升了对实验操作内容和实践技能的灵活性和掌握度要求。

2. 传统实验和虚拟仿真实验的对比分析

调查结果显示，传统实验教学存在着种种不足。71.78%的学生认为做实验只是为了获取实验数据和完成实验报告，对实验理解不足；71.43%的受调查学生认为实验仪器少，接触时间短；受时空限制，不能重复做实验也是传统实验教学中比较明显的不足之处(58.19%)；而认为趣味性低(29.62%)等其他因素的学生占比较少(见表2)。虚拟仿真技术通过构建虚拟信息环境，视听效果的结合，带来身临其境的沉浸式体验，从而巩固理论知识，锻炼实验操作，提高思考能力，更能激发学生的学习热情。

表2 传统实验和虚拟仿真实验的对比分析

教学形式的互动性是提升网络在线课程质量的重要因素[8]。如表2所见，超过70%的参与调研学生认为：突破时空限制和自主探究学习是虚拟仿真实验和传统教学相比较的优势所在。虚拟仿真教学之所以能有这样的效果是因为在线虚拟仿真实验通过网页端对实验关键工序进行组合与综合设计，以问题为导向培养学生分析问题、解决问题的能力。学生不仅参与学习的过程，还可以参与设计环节。学生在实验中，可以根据需要调整和修改实验参数，得到不同实验参数下的实验结果。教师通过后台对学生的实验结果进行批阅和反馈，帮助学生更好地进行实验操作。

3. 虚拟仿真实验的难度设置调查分析

结合“乳化肠规模化生产的虚拟仿真实验”的开课时间，此次调查共分两次施行。表3展示的是学生对实验难度的认知对比，从第一批调查情况看，认为实验难度大的占比为26.13%，认为难度一般的为67.57%，而认为难度小的占比为6.30%。这一结果与第二批调查结果对比可以发现，在第二批调查中认为难度大的学生占比有所提升，而认为难度一般和难度小的学生占比有所减少，这一结果和实际教学相符。

表3 学生对实验难度认知的前后对比

而从学生虚拟仿真实验表现看(表4)，第一批调查中仅有16.22%的学生自我满意度高，认为实验完成度好，有63.06% 的学生认为自己完成度一般。而第二批调查中完成度好的占比提升，完成度一般的占比也有提升，完成度差的比例下降。其中可能的原因是同时存在主观和客观条件影响到学生对实验的完成度。除技术层面的问题外，大部分学生表示操作步骤不熟悉、细节问题不明、理论知识了解不足等问题是影响实验完成的主要因素，而这些问题也是常规实验室操作中经常碰到的问题。此外，基于第一批虚拟仿真实验在线教学的经验，在第二批在线实验教学实施前，各学校针对虚拟仿真实验都做了相应的培训，并对实验说明进行了优化。因此，第二批实验的完成度优于第一批实验。

表4 学生虚拟仿真实验表现前后对比

4. 虚拟仿真实验的师生交流效果分析

虚拟仿真实验在课后教学反思中有着得天独厚的优势。“乳化肠规模化生产的虚拟仿真实验”的在线程序可以根据学生在不同实验环节的操作和综合性设计给予成绩评定，帮助学生对自己设计的工艺参数进行反思，进而设计优化参数，并对产品品质进行人机协同检测，以获得令人满意的实验报告。在虚拟仿真系统中，学生可以不断地“重新实验”来强化实验操作技能，可以达到与实际实验室操作相同的目的。超过98%的学生通过师生交流和自主学习来解决实验操作中的问题，这对于培养学生的思考能力和创新意识具有积极的意义。调查发现，84.67%的学生希望实验课老师能够将仿真实验和传统实验相结合(见表5)。实验课程注重培养学生的动手操作能力，其线上授课难度远远大于理论课程。疫情期间，虚拟仿真在线实验的广泛推广和应用大大促进了实验教学的开展，缓解了教学压力，使学生足不出户就可以开展实验，进行仿真操作练习，减小了疫情对实验教学的不利影响，也为今后多渠道开展实验教学提供了新思路。

表5 师生交流与实验结果反馈

5. 学生参加虚拟仿真实验的总体收获分析

虚拟仿真实验教学效果的评价可体现课程是否坚持以问题和需求为导向，能否完善实验设计使其与知识点衔接紧密，能否使实验内容紧跟学科发展前沿。坚持以学生为中心，产出为导向，努力弥补高校人才培养目标与社会需求间的差距。表6的调查结果显示，通过“乳化肠规模生产的虚拟仿真实验”，大大拓宽了学生的知识层面，学生的思考能力有了一定提高。学生对肉品加工规模生产实践产生了浓厚的兴趣，为将来的科研道路奠定了基础。在评价过程中坚持“过程评价”和“结果评价”相结合，不仅能够及时反映问题，帮助学生反思回顾，同时也使得实验结果更加准确，评价体系更加完善。学生表示在未来的教学中，希望针对肉品加工实验、产品生产工艺流程等一些操作性较强的知识点运用虚拟仿真教学，以达到学以致用的目的。

表6 学生参加虚拟仿真实验的收获

此外，学生也反映了在虚拟仿真实验过程中遇到的一些问题，比如WEB端中流程指向箭头不准确、设备出现卡顿、清晰度有待加强等。这些设计缺陷也在一定程度上影响了学生的完成度和兴趣性，需要进一步改进。

三、 应用效果及其影响因素分析

(一) 模型构建

由于因变量是多分类变量，因此本文采用多元线性回归模型进行分析，其公式如下：

Y=a0+a1X1+a2X2+…+a7X7+ε

其中，Y为因变量，表示“学生如何评价自己在虚拟仿真实验中的表现”和“是否希望实验课老师使用仿真实验和传统实验相结合” ，这两个问题分别反映了学生对当前虚拟仿真实验的体验感，以及未来是否愿意接受这一实验教学形式。自变量分别为“是否了解虚拟仿真”“之前是否参与过虚拟仿真实验项目”“是否对仿真实验感兴趣”“乳化肠虚拟仿真实验难度如何”“遇到问题是否通过查资料”“遇到问题和老师同学在线交流”。此外，还基于调查问卷中围绕网页版、PAD版和VR版设置的问题，将“哪个版本更能对课堂教学更好的补充”“哪个版本更容易操作”“哪个版本更适合学生日常的学习”“哪个版本教学更能吸引你”“哪个版本更直观地展示学习内容”“哪个版本更容易存在或出现问题”六项问题的选择进行积分，以反映学生更倾向于选择哪个版。表7为各变量的统计描述。

表7 变量统计描述

(二) 实证结果分析

本文首先对“学生如何评价自己在虚拟仿真实验中的表现”进行回归，以分析各影响因素对学生的表现评价是否有影响。表8模型回归结果显示，“是否了解虚拟仿真”对表现评价有着显著的正向影响，这一结果与前文中表4的结果基本一致，说明提前进行虚拟仿真系统的介绍与培训可以提高学生对虚拟仿真实验的了解，进而可以提高其在虚拟仿真教学时的表现评价。

而“之前是否参与过虚拟仿真”的影响并不显著，可能的原因在于过去虽然有对虚拟仿真实验的探索，但施行的范围较小，大多数的学生并没有接触过在线虚拟仿真实验。而此次疫情的影响才使得在线虚拟仿真实验大范围推广，因此这一因素并没有对学生的表现评价产生影响。“对仿真实验感兴趣”和“实验难度”对学生的表现评价分别产生正向的显著影响和负向的显著影响，这两个因素一定程度上反映的是课程本身对于学生评价的影响。而虚拟仿真教学这一教学形式的变化也会影响学生对于该门课程的兴趣和在线操作难度，因此虚拟仿真实验需要从实际体验和操作等方面加以改进，以提升学生的学习兴趣，降低学生的在线操作难度。“和老师同学交流”对表现评价存在正向的显著影响，表明在线形式并没有影响到学生在学习过程与老师和同学的交流，教学效果良好。而在具体的网页版、PAD版和VR版选择方面，网页版和PAD版的影响显著，表明学生更倾向于选择这两个版的虚拟仿真实验。

考虑到后疫情时代下虚拟仿真实验在教学中的应用，本文同时对“未来是否愿意接受实验课老师使用仿真实验和传统实验相结合”进行了回归，从表8的结果看，“是否了解虚拟仿真”“对仿真实验感兴趣”依然是显著的影响因素，对学生持有“希望未来使用”有着正向的影响。表明虚拟仿真教学在未来的推广需要加强学生对虚拟仿真的认知，并且要提升学生对虚拟仿真的兴趣。在具体形式选择方面，从目前的情况看，网页版和PAD版是更好的选择。

表8 模型回归结果

四、 结论与对策

本研究从新冠疫情期间居家学习学生的虚拟仿真实验效果出发，从学习兴趣的激发、实验设置难度、师生交流效果、教学方式对比的角度进行了定量的结果分析，并通过构建多元线性回归模型对虚拟仿真实验教学效果及未来的使用进行了分析。结果表明，突破时空限制和自主探究学习是虚拟仿真实验和传统教学相比较的优势所在，也是吸引学生的关键因素。绝大多数的学生通过师生交流和自主学习来解决实验操作中的问题，这对于培养学生的思考能力和创新意识具有积极的意义。学生希望实验课老师能够将仿真实验和传统实验相结合，这说明多种实验形式的虚实互补将是可取的实验教学策略。而从影响教学效果和未来使用的影响因素看，使学生更多地了解虚拟仿真教育方法，提升学生对虚拟仿真实验的兴趣，以及选择合适的方式是虚拟仿真教学能够更好的发挥作用的关键。

根据上述研究结论，结合现今虚拟仿真在线课程的实际情况，提出以下进一步提升虚拟仿真实验效果的对策。

(一) 多终端优势互补

虚拟仿真技术支持多终端跨平台访问，在虚拟仿真共享平台、学校教学平台、各类管理平台中实现联通，在手机端、PC端、WEB端、VR等各类终端间运行畅通。移动互联网时代，人们往往“机不离手”，若将智能手机应用于虚拟仿真教学中，则会给教学过程带来极大的便利[9]。手机端可以帮助学生对教学内容进行实时性、碎片化的学习，具备很强的灵活性和自主性，方便师生之间进行沟通交流。VR端具备360度全景画面，可以带来身临其境的沉浸式体验，试听效果的结合更能激发学生的学习热情和积极主动性[10]。

(二) 提高人机交互性

所谓交互性是指用户通过屏幕、VR眼镜等与虚拟环境产生联系，从而能够操纵事物和得到反馈的过程[11]。目前，本实验存在用户视角切换不够流畅，无法随机交互获得实时反馈等不足。增强人机交互性，需要提高系统的智能性，加快更新迭代的速度，弥补软件计的缺陷与不足。同时，也应增强平台的兼容性，消除因硬件配置不同而导致的不兼容问题，进一步方便资源的共享和传播[12]。

(三) 虚实结合，扩展教学的广度和深度

目前，国内高校相继建设了虚拟仿真实验教学中心，大大促进了实验教学的发展，但虚拟实验教学在不同学科中各有其应用特点。食品科学与工程作为实践性很强的一门学科，可以充分发挥实践操作与虚拟仿真各自的特点。具体来说，可以用虚拟仿真实景化再现工程情境，激发学生的学习兴趣；在实际动手操作中引导学生利用交叉学科知识，融合解决食品问题。通过以上的虚实结合，扩展教学的广度和深度。