虚拟仿真技术应用于教学实践的几点看法

季晓东，胡 斌，刘 峥

（上海工程技术大学，上海 201620）

0 引言

近年来，基于虚拟仿真技术的教学改革工作受到了极大重视。在教育部认定的国家级一流本科课程中，单独划分了虚拟仿真实验课程的门类，并为此厘定了详细的认定标准。在线教育也从初期的函授、视频教学模式开始转向与线下场景更为接近的虚拟课堂模式[1]。虚拟仿真技术因具备可重复再现场景的能力，成为一种便捷、低成本的具象式教学方法而受到关注。研究认为该技术可以有效增强感性认识、培养动手能力、激发创新精神、促进学生的学习兴趣[2]。但当前处于教学应用的初期阶段，也存在教学方法不成熟，尤其是虚仿实验步骤过于程序化、不利于学生自主探索等缺陷[3]。

本文聚焦于虚拟仿真技术在教学实践上的应用。首先，分类整理了近年来基于虚拟仿真技术教学的代表性研究成果；然后，针对虚拟仿真技术应用于教学实践提出了几点看法；最后，对该技术应用于教学实践的前景进行了展望。

1 虚拟仿真应用于教学实践的现状

虚拟仿真技术在教学实践上的应用可以分为虚拟仿真实验和虚拟在线课堂两个主要方向[4]。其中，研究者对虚拟仿真实验的关注较为集中，成果较为丰硕，而虚拟在线课堂尚处于起步阶段。现从两个方向分别介绍：

1.1 关于虚拟仿真实验的研究

虚拟仿真实验在教学上的应用非常广泛。从形式上讲，既可以与MOOC等在线教学模式深度融合，实现基于线上教学的虚仿实验[5]；也可以与传统线下课堂进行融合，达成混合式教学[6]；也有两者兼顾，在线上线下共同开展虚拟仿真的案例[7]。

从内容上讲，虚拟仿真实验的基本盘位于理工科。初期的虚拟仿真实验主要以将传统实验室项目直接虚仿化为主，因此大量集中于物理[8]、化学、医学[9]等学科的课程实验领域。随着技术能力的提高，以机械[10]、工程[11]等专业为代表的大型实验项目开始逐步虚拟仿真化。近年来，我国“新文科”建设的逐步推进使以文科为背景设计的虚仿实验有所增加[12]。尤其集中于经管类[13]、社会实践类[14]等缺乏开展大型实验条件的学科领域和艺术类[15]等需要丰富感性认知的学科。

与此同时，国内外对于虚仿实验的开展和也存在大量的研究与争议。学生通常对实验的兴趣与评价较高[16]，但从部分教师的反馈来看，教学效果的达成往往要依赖于教师的实验指导，未能有效达成“灵活运用理论知识解决实际问题”的最初设想，因此不可盲目夸大虚拟仿真技术在实验教学中的作用[17]。郑亚辉等[2]认为，虚拟仿真实验最大的优势在于其易实现和可重复性，但是其基本原理与传统实验是相通的。国外研究者Birkbeck等[18]在经过问卷调查后认为，虚拟仿真实验可以达到与传统实验一致的教学效果和学生满意度，且成本低廉。张宁等[3]则主张虚拟仿真实验的主要作用还是“以虚补实”，同时提出了基于虚拟仿真实验的教学方法尚处于探索期，具有不成熟之处的问题。强彦等[17]进一步指出当前的教学中普遍存在“重虚仿轻实践、重验证轻创新”等问题，并没有调动起学生亲自动手解决实际问题的积极性。尹隽等[19]在对任务复杂性和学习者专业素养两个因素上对不同虚仿实验进行对比分析后指出，学习者的专业素养直接影响了在实验操作上的表现和学习效果，虚拟仿真技术虽然增加了学生对于任务复杂性的接受程度，但如果复杂性过高，则可能挫伤高素养学习者的学习积极性，减弱专业素养对操作能力表现的正向关系。

1.2 关于虚拟在线课堂的研究

在虚拟在线课堂方面，国内研究与应用尚处于起步阶段，方式也不如国外更加灵活多样。国外既有基于开放式虚拟游戏的课堂实践案例[20]，也有基于虚拟现实技术的教学用数字图书馆案例[21]，而国内的虚拟课堂研究仍然以传统教学模式的线上化为主[1]。虚拟在线课堂有着广泛的应用前景，因其交互性和沉浸感接近传统课堂，可以实现线上即问即答，既可以部分解决徐博等[22]提出的在线教育的缺陷问题，也可以与线下课堂进行紧密配合，实现线上线下的融合教学[23]。

2 关于虚拟仿真技术应用于教学实践的看法

对于虚拟仿真技术在教学实践中的应用，本文提出了以下四点看法：

2.1 虚拟仿真技术是传统教学的重要补充，但其“补充”的定位不应改变

相较于传统教学方法，虚拟仿真技术的最大优势在于其强大的表现力。无论是在课堂教学上通过虚拟仿真构建演示案例，还是将虚拟仿真实验融入实验课程的教学内容中，都可以直接以可视化方式向学生展示经过理论推演得到的结果，同时支持学生以不同的视角去进行自主探索。这种直观呈现的优势在于加深记忆和方便理解，起到巩固理论学习效果的作用。

另一方面也要注意到，虚拟仿真技术并不能直接指导学生的理论学习，且其展示的效果是通过理论推演得到的“再加工”结果，与经过现实实验得到的第一手资料还是存在本质上的不同。这就注定了虚拟仿真实现的是一种“轻教学”，其内容限于知识浅表层，而在构筑完备知识体系方面的作用十分有限。这一差距体现在学生问卷调查反馈的结果与教师总结的教学效果上，即学生对于虚拟仿真完成度的普遍评价较高[16]，而教师检视教学效果的达成时[17]，却会发现问题的存在。虽然将教学效果的问题归因于学生“主动性”的结论[17]有待商榷，但发现问题本身确属客观事实。这一差距主要还是由于虚拟仿真技术的“轻教学”属性。因此，确实不应盲目夸大虚拟仿真技术在教学中的作用，虚拟仿真技术是传统教学的重要补充，但不可超越“补充”的范畴，取代传统教学。

2.2 虚拟仿真技术的最大优势是其可复制性和可分享性，应善加利用

传统教学实验有一个重要缺点，就是实验会产生材料消耗并需要提供合适的实验环境，而材料的生产和采购需要成本，部分实验的环境比较难于实现，受到上述客观条件的限制，能够在现实中开展的实验教学比较有限。另外，受到学生操作性技能差距的影响，传统实验教学的可重复性和可再现性都需要额外保障，有时为了再现实验结果，实验教师必须亲自操作演示。这些无疑都增加了开展实验教学的难度，影响了教学效果。因此受限于物质条件，长期以来我国教育只能以理论教学为主，实验教学位于边缘位置。

虚拟仿真技术则良好的弥补了实验教学的这项短板。虚拟仿真程序的执行结果是具有确定性的，且用于设计教学实验时，操作技能的需求可以通过交互方式进行调节，有效保障了实验的可重复性。而且，虚拟仿真实验程序拥有一次建设、多次使用的特点，实验建设成本随着实验的重复而被逐渐平摊，有效降低了开展实验的门槛。实验程序具有可复制性和可分享性，更加有利于不同教学主体之间共享实验资源，避免重复建设。这一特性应善加利用，逐步形成多校互联互通、学效-社会互联互通的开放共享模式[24]。

2.3 虚拟仿真技术融入教学的方式可以更加灵活多样，不必拘泥于技术开发

从现状来看，虚拟仿真技术在我国教学实践的融入形式主要以开发或购买独立的虚拟仿真程序为主；而国外的应用场景更加灵活，有的虚拟课堂甚至直接使用一款公开的虚拟仿真在线游戏为平台[20]。这说明，在应用虚拟仿真技术的创新形式上，国内还存在着一定差距。

独立虚拟仿真程序的开发周期长，技术维护难度大，一般需要专业技术人员和专项资金维护才可以投入到日常教学实践中。这无疑拔高了一线教学人员使用虚拟仿真技术的门槛。而完成开发后，进一步的改进升级工作也依赖于开发公司，教师不具备根据学生反馈和日常教学实践需要来对程序进行调整的能力。这使得现有的虚拟仿真教学都不同程度存在“重虚仿轻实践，重购置轻研发”等方面的问题，已经引起一线教师的重视[17]。

理想的情况是存在一个性能强大且开放、通用、可共享的虚拟仿真平台，教师可以在平台上通过轻量化、可视化的方式为自身的教学需求定制虚拟仿真场景，然后分享给学生访问。这样无论是虚仿实验还是虚拟课堂都可以利用平台的通用功能实现，进一步降低了开发成本和虚拟仿真在教学实践中的使用门槛，而不必拘泥于独立虚拟仿真程序的技术开发。

2.4 亟待探索适应于虚拟仿真技术的全新教学内容与教学方法

虚拟仿真技术是一种新颖的内容呈现方式，但任何一种形式的呈现，必然都有与其契合的内容和不契合的内容。将虚拟仿真技术应用于教学时，也应注重内容与形式的这种契合性问题。当前我国的虚仿教学实践尚处于初级阶段，只是将传统教学的内容和方法套用到了以虚仿技术为基础的教学活动中，而非针对虚仿呈现形式的特点，为其安排契合的教学内容与方法。在教学内容上，因为虚仿的形式更像实验课就大搞虚仿实验，缺乏探索理论课与虚仿结合点的主动性；而在教学形式上，因为虚仿的形式需要借助电子设备就安排虚仿在线教学，缺乏对于虚仿应用于其他教学形式，比如虚拟图书馆[21]的探索。

如果要在教学实践中灵活运用虚拟仿真技术，就应该在课程大纲规划和课程设计阶段进行明确的内容规划，摸索出哪些内容适合于传统课堂理论讲授，哪些内容适合用虚拟仿真的方式呈现，应用虚仿技术后可以开展哪些在传统技术条件下无法开展的课程实验。经过反复推敲与认真思索，一定能总结出最适应于虚拟仿真技术的教学内容与教学方法，以获得最好的教学效果。

3 结语

虚拟仿真技术在教学实践中的应用得到了广泛关注。本文整理了近年来国内外对于虚拟仿真技术应用于教学实践的一些主要研究，同时给出了四点看法：虚拟仿真技术是传统教学的重要补充，但其“补充”的定位不应改变；虚拟仿真技术的最大优势是其可复制性和可分享性，应善加利用；虚拟仿真技术融入教学的方式可以更加灵活多样，不必拘泥于技术开发；亟待探索适应于虚拟仿真技术的全新教学内容与教学方法。