基于“智能+教育”的虚拟实验共享平台设计策略研究＊

侯国栋，李 媛

（武汉华夏理工学院，湖北 武汉430223）

在第三次教育改革中，教学形式逐渐走向多元化和个性化教学，虚拟教学、分散式教学、网络教学都将成为教学的一部分[1]。“虚拟仿真实验实训的课程有可能是一种新的教育生产力”[2]，建设跨学科的虚拟实验共享平台对于适应当今高等教育改革的潮流，推动应用技术型大学快速发展具有重要的意义。设计和开发虚拟实验共享平台要贯彻虚实结合、能实不虚的总原则，以学生为本，坚持需求导向和问题导向，从多个维度把握设计的基本方向，客观地看待其优势和不足，有针对性地建设，高质量地建设虚拟仿真教学资源。

1 新形势下的“三F”学习需求分析

近年来，数字化和智能化的学习、工作、生活方式正在给人们带来巨大的便利，传统的诸多模式发生了动摇甚至变革。在教育领域，教学改革和教学创新是当前高校本科教育发展的重要方向，智能化、自主化的混合式学习成为教育改革的一个目标，新技术的不断发展，引发了教学形态的变化。因此，深入研究学生的学习模式和学习需求具有一定意义。

1.1 “三F”学习需求

从教学过程及效果分析，教学中存在一些问题，集中表现为学生对课堂内容、教学形式的需求与传统教学的“供给”不匹配，即“供需不平衡”。所以，在进行“供给侧”改革的过程中，首先需要对学生的教学需求进行分析，“三F”需求是较为突出的3个需求。

学生的学习专注度（Focusing）。其表现为知识点不能完全满足学生的需求。不同的时代背景对于知识的需求程度是不一样的。在“智能+教育”的大背景下，学生获取知识的渠道更加广泛，在网络中能找到非常理想的教学资源，其多元化的教学模式和适时更新的速度远远超过传统教学课堂。传统的教学模式对学生的吸引力在降低，如何提高学生的课堂专注度成为亟待解决的问题。

对教学情况的反馈度（Feedback）。教学中的反馈体现在课堂的即时互动和课后的教学反馈，其中课堂互动是在教学环节中师生随时进行信息反馈，教师能及时关注到学生对知识点的掌握程度，也能提高学生对课程的参与度和专注度。传统实验教学主要是实物演示和操作，数字化和智能化程度较低，不能将实验效果及时向学生反馈，不能将学生的学习需求及时向教师反馈，教师、学生、实验项目三者信息不对称，影响了教学效果。

自由度（Freedom）。自由度不足，传统教学中教学模式、教学内容相对固定，缺乏自由探索的空间，课堂韧性不足。

1.2 虚仿实验解决“三F”需求

长期以来，沉浸感（Ⅰmmersion）、交互性（Ⅰnteractivity）、构想性（Ⅰmagination）构成的“三Ⅰ”特性[3]，既是虚拟现实系统的特征也是其优势，更是其建设的方向。虚拟现实技术有效满足了学生的“三F”学习需求。

在实验教学中引入虚拟现实技术，将给教学工作带来多方面的变化。沉浸感（Ⅰmmersion）有助于提高学生的专注度（Focusing）；交互性（Ⅰnteraction）有助于解决学生的反馈度（Feedback）；构想性（Ⅰmagination）有助于开阔学生的思维，提高自由度（Freedom），即用“三Ⅰ”的特征解决“三F”的需求，如图1所示。

图1 “三Ⅰ”特性和“三F”需求

2 当前虚拟仿真实验教学的局限性分析

虚仿实验项目建设需要多元融合，教育理念、知识储备、软硬件设备、运行机制等都是重要的影响因素，决定着项目的建设水平。当前虚仿实验教学项目还存在一些不足之处需要解决。

2.1 实验教学与理论教学紧密度低，容易脱节

理论教学与实验教学如何有效衔接是长期存在的问题，在虚仿实验中，这个问题仍然有一定的普遍性。通过虚仿的方式在实验环节融合理论知识是虚仿实验项目改进的一个方向，需要在实验项目的宏观设计、脚本设计、虚拟技术应用以及美工设计等多方面进行努力改进。

2.2 师生对项目开发的参与度低，虚仿项目不能完全契合教学需求

一方面，常见的虚仿项目以购买商用软件为主，这类软件往往综合了较多高校的实际教学需求，具有较好的实用性，但是并不能完全满足个体高校的需求，尤其是在学校层次存在较大差异的情况下，脱节程度往往较高，参与实验教学的师生基本不能或者较少参与软件的开发，项目的改进意见和方案很难得到应用；另一方面，由于商用软件的兼容性等软硬件问题和对编程语言等技术的掌握情况，导致师生很难二次参与项目的改进。

2.3 实验内容灵活度低，自主学习内容不足

一方面，项目建设以完成教学大纲规定项目为主，实验内容固化不能紧跟社会发展；另一方面，很多虚仿实验室以演示性、验证性项目为主，缺少综合性、设计性项目，学生探索空间较小，不能有效地进行自主学习。

2.4 虚仿项目孤立存在，没有与相关知识点形成衔接

在虚仿项目建设早期，建设经验不足，侧重于开展少量实验项目或者课程内实验等较小范围的尝试，缺乏从专业、学科及跨学科等角度进行宏观设计。这就造成已建成的虚仿项目孤立存在，没有形成相互衔接的项目群。这就需要在后续建设中，开展顶层设计，将拟建项目与原有虚仿项目有机结合，并预留未来发展空间，把不同的教学环节串联，形成新的教学模式。

2.5 多人协同和远程教学准备不足

在2020年新冠肺炎疫情防控期间，截至2020-04-03全国高校学生在线学习人次达到11.79亿。线上教学在一定程度上缓解了教育的压力，但是也清晰地感受到其中的不足之处和需要改进的地方。大量的实验教学课程无法顺利展开，很多虚拟仿真实验不符合远程教学的条件，教师只能远程示范甚至暂时取消实验环节。此外，传统实验中的多人协同实验在虚拟实验项目中不能完整展开。

3 虚拟实验共享平台设计原则

综上分析，根据学生的学习需求、结合当前虚拟实验教学的局限性，本文提出建设虚拟实验共享平台的设计原则。

3.1 以虚补实原则

虚仿实验项目是理论教学的延续和传统实验教学的改革，是课程建设和专业建设的重要组成部分，所以必须从全局的角度进行宏观设计，融合理论、实验、多媒体、网络通讯等元素，使其成为教学的有机组成部分。

虚拟项目要与传统线下实验教学相融合，能起到互补、完善的作用。在项目设计中用虚拟实验把理论教学、线下实验等教学环节有效衔接起来，综合训练学生多方面的认知、判断、动手、协同等能力，建立自主学习、个性化学习的实验教学平台。

要与理论教学相融合，能延伸、拓展和补充理论教学的知识点，对理论知识进行验证并升华，进一步探索和创新，最终突破知识阈值。建构主义学习理论说明了知识更多来源于学习者主动探索和获取，这一点正是虚拟仿真实验教学的优点。

3.2 通用设计原则

标准化设计是指在一定时期内，面向通用产品，采用共性条件，制定统一的标准和模式，开展适用范围较广泛的设计。在虚拟场景设计方面，采用数学生成和实景相结合的综合建模方式[4]，从正向和逆向2个方向进行建模，有效提高设计效率和质量，为项目的可持续开发奠定基础，师生可以按照通用标准对项目进行调整优化，满足不同层次的需求。

虚拟实验项目设计既要立足当前需求也要保证未来项目顺利拓展，因此在虚拟现实引擎选择、三维模型标准化制作和渲染等方面需要进行标准化设计，在项目策划前期对模型线数、面数、贴图、纹理等标准，以及系统单位、文件格式、音频、视频、教学文件、命名规则等内容制定统一的设计规范，有效缩短项目开发周期。

3.3 多元混合设计原则

传统教学模式下，理论学习和实验教学是分离的二元学习状态，物理空间割裂了知识之间的联系，影响了教学效果。在虚拟仿真实验项目设计中，要针对性地提出解决方案，开展一体化教学。在虚仿实验项目中设计教学考练等自主学习环节，开发语音广播、PPT导入、音视频导入、自由标注、常规题考试等功能，学生可以在虚拟环境下同时开展教学、学习、考核、练习等任务，真正实现“做中学，学中做，学做贯通”。利用信息化技术打破理论课堂与实践课堂传统壁垒，以学生为中心，重构课堂，探索虚实结合的混合式教学模式。

3.4 需求导向原则

格式塔学派的认知主义学习论强调了学生的主体作用，认为内在动机是强化学习活动的重要动力因素[5]。虚拟仿真实验教学建立以学生为中心的学习方式，既有传统教学的亲切感，也有“智能+教育”的新鲜感，激发了学生的主体意识和主动学习行为。

虚仿实验项目要凸显学生的主体地位，将学生的需求贯穿于虚仿项目规划、设计、实施等整个流程，尽力提供能满足教学需求的实验方案，以问题方式展开教学，培养学生提出问题、解决问题的探究精神，提高思维能力和创新能力，激发学生开展自主学习。

4 虚拟仿真实验项目设计策略

通过研究虚拟现实技术的优势和不足，深入分析目前虚拟仿真实验教学项目建设和发展过程中存在的问题，提出新的设计策略。

4.1 基于知识结构重塑设计

脚本设计是虚仿实验项目设计的首要环节。脚本设计要从宏观规划和整体设计着手，抓住影响学生能力训练的核心环节，把知识点设计与专业能力提升相对应，把能力训练细化为项目任务点，在转化的过程中探索融合的方法。因此，虚仿实验项目设计需要脱离传统实验思想的束缚，对原有知识体系适时进行梳理、调整、更新。

知识结构重塑表现为虚仿项目的知识性、实践性。知识性体现在虚仿实验项目不仅能完成实验教学，还可以连接理论教学、线下实验、教研科研，串联不同的教学环节，并且能整合其他相关课程，实现多元融合的课程体系。实践性体现在虚仿项目不仅是对专业知识地验证和既定实验项目地完成，还能设计新的教学环节，学生根据已有知识能够进行新的尝试和探索，达到创新能力培养的效果。

4.2 基于深度交互设计

随着虚仿项目的知识结构重塑，教学内容大幅增加，对虚拟教学体系提出了新的要求，知识性和实践性设计要求能开展立体化教学，在三维场景中完成教学、学习、考核、练习等任务。在立体教学中，单纯的人机交互已经不能完全满足教学需求，师生互动、生生互动等人际沟通的交互同样需要在项目中得到体现。

设计深度交互方式，需要应用新的虚拟现实技术和网络传输技术，在虚仿实验中适时进行画面传输和语音交流，实现远程、异地、多人协同互动[6]。随着5G通信技术的发展，传输速率提高、网络延时缩短，为深度交互提供了技术支持。

4.3 基于二次开发设计

虚仿实验项目的设计和使用之间存在信息不对称的问题，商业化的软件有时不能完全满足个性化教学需求。师生在使用过程中，由于版权、程序语言等限制无法对这些软件进行修改，降低了实验效果。因此需要设计能够进行二次开发的虚仿实验项目。

专业课教师要参与实验内容设计，成为虚仿实验项目开发的主体。随着技术进步，一些软件提供了零编程的交互编辑器，采用可视化图形拖拽的方式设计交互逻辑，完全取代了传统代码编程，用户只需要稍加熟悉就可以开展设计；此外还有一些软件推出了基于Python脚本的二次开发功能，用户可以进行更高级的深度开发。专业课教师积极参与虚仿实验项目开发，采用门槛较低的虚仿设计引擎，设计针对师生的具备二次开发功能的开源项目，将有效提高虚仿实验的针对性和普适性。

4.4 基于学科新技术融合设计

虚拟仿真实验项目将缓解线下实验的滞后性问题，通过仿真方式把专业学科的新技术引入虚仿实验中，在传统的经典实验中注入新元素，使其更具时代特征。

引进学科新技术展开设计是创新训练的一个内容。通过虚拟仿真，在老设备中引入新的技术，把真实条件下暂时不可能实现的构想做出来，营造自由探索的空间，培养学生的创新思维和自主学习能力。虚仿实验应用新的信息技术，在实验流程管理、实验效果评价等领域具有数据优势和智能优势，能推动项目内容持续改进。

4.5 基于积木化设计

积木化设计是指虚仿实验项目中的功能模块可以积木化重组。知识结构重塑和各类虚仿项目不断建设，虚拟现实技术在教育中的应用更加广阔，虚拟项目之间的联系也更加密切，项目分拆、兼并都将成为可能。因此，在虚仿实验项目开发中必须制定建设标准，增加兼容性和通用性。

按照标准化设计的各功能模块都将成为整个教学体系的有机组成部分。根据教学需要随时调用各个模块，按照开发策略和框架，以搭积木的形式迅速开发新的虚拟实验教学项目，大幅提高了项目开发效率。

5 结束语

本文基于虚拟仿真实验项目建设面临的问题展开分析，提出针对性的设计原则和设计策略，以期为虚拟实验设计提出新的建设思路。随着国家一流本科课程建设的实施，虚拟仿真实验教学走上了快车道，引发了教育理念革新、教学结构重塑、教学主体转化和培养体系分层构建等新的变革。在“智能+教育”的背景下，虚仿实验项目提供了信息化思维方式，正在开创虚拟现实技术在实验实践教学中应用的新局面。