虚拟仿真技术在高校不同学科中的实践探索

郭士茹，王 辉，王诚林，孙诣博

(长春电子科技学院，长春 130114)

为完善教育部关于提高高校教育质量的规范要求，各高校陆续开展虚拟仿真实验教学建设，将虚拟仿真技术应用于教学工作中，构建相应的教学中心，其涵盖范围较广，包含医、理、工等学科领域，实现了信息技术与学科专业的深度融合。

1 虚拟仿真技术概述

虚拟仿真技术于20世纪60年代出现，与传感器技术、光学计算机、图形学人工智能等领域关联密切，随着三维技术的发展，其应用效果不断提高，为技术应用提供了有力支撑。当前，虚拟仿真技术以计算机为基础，从听觉、视觉、触觉等方面进行一体化设计，在特定范围内形成了非常真实的虚拟环境，用户可以在自然状态下或借助设备等方式于虚拟环境中完成对象交互，以此获得身临其境的体验感[1]。我国虚拟仿真技术始于20世纪90年代，与西方发达国家相比技术研究时间较短，在技术应用方面还存在一定的差距。我国对虚拟现实技术的应用重视程度较高，制定了一系列与虚拟现实技术研发相关的规划项目。

2 虚拟仿真技术在高校不同学科中的应用

2.1 理学教育领域

虚拟仿真技术应用在理学教育领域，根据教育要求构建虚实结合的教学环境，搭建教学体系，为人才培养提供物质支撑。虚拟仿真技术改变了传统演示教学、教师宣讲的方法，让学生在虚拟环境中通过自主学习完成实验任务，学生可以在任何时间、任何地点完成理学实验预习，通过移动智能设备在教育平台中下载学习资料，运用线上线下相结合的学习方式，使学生根据获取的资源掌握实验内容，对实验的理论知识有较深的理解，进而提高学生综合能力[2]。

在传统的物理、化学实验教学中，受学生人数以及其他客观因素影响，教学成本不断提高，虚拟仿真技术的应用可以有效解决此类问题，将相应技术贯穿到实验的各个环节中，对预习实验活动具有较大帮助，使实验预习、实验后测试等环节有机关联在一起，让学生在虚拟仿真技术打造的环境下有身临其境的感觉，引导学生预习和开展实验，提高学生的实践技能。

与传统单一、理论与实验结合不紧密的教学方法不同，虚拟仿真技术能够应用在分子生物实验教学中，为学生模拟真实的环境。海洋科学研究涉及内容非常广泛，生物、化学、物理知识均包含其中。由于海洋实验的条件比较特殊，很多环境难以在实验中展现出来，通过虚拟仿真技术可以模拟实验对象与环境，打造实验模块并开展相应的实践活动，为学生提供更加真实的学习环境，对学生理解知识内容具有较大帮助。数字化模块与虚拟仿真模块是海洋地质与海洋生物模拟环境的主要内容，利用数字切片系统与数字化资源库，可以打破时空限制，为学生学习提供大量数据。在仿真模块内可以按照虚拟实验需要，为学生创造实验环境，帮助学生掌握仪器操作原理和过程，让学生更好地按照实验操作步骤开展实践，提高操作能力[3]。

2.2 工学教育领域

工学教育需要学生感受工作环境，这也是大部分院校工学专业对学生的要求。但是，受现实因素和教学条件的限制，很多工学专业学生无法较好地进行实践锻炼。虚拟仿真技术可以为学生提供石油钻采机械、船舶操控设备等真实的操作环境，提升学生对机械设备的认识和操作水平。运用软件制作模型，并通过视频展示模型，充分调动学生的学习热情，通过实践操作加深学生对理论知识的理解程度。例如，通过虚拟仿真技术学生可以在可视化影像中，确定井下设备与石油钻采设备的情况，评估相关信息和数据，减轻石油工作者在井下作业的工作量，提高工作效率，保障生产安全[4]。

受现实因素的制约，学生缺少实践体验的机会。以海洋油气作业为例，由于海洋勘探可能存在大量危险性因素，学校出于对学生安全方面的考虑，没有提供让学生参与实践的机会，而通过虚拟仿真技术，可以利用海洋油气工程虚拟仿真平台为学生再现真实的工作场景，学生可以在相关场景中结合课上学习的理论知识参与实践活动，提升实践技能。又如，钢铁冶金操作要求多、生产工艺非常繁杂，单纯的校内实习无法满足实际工作需要。运用虚拟仿真技术可以模拟生产期间的各项活动，使学生在虚拟仿真平台中进行实践，不会受到时间和场地的约束，可以反复研习。在此过程中，学生从被动学习变为主动参与，通过积极参与实践活动，提高了学生的思考能力、动手操作能力以及知识迁移能力。

2.3 医学教育领域

虚拟仿真技术在医学领域具有较高的应用价值，医学包含的知识内容较庞杂，是一门实践性较强的学科，临床实习与实验操作贯穿于医学教育的始终。实验教学是医学教育工作中的重要环节，学生应对医学课程相关内容具有清晰的认知。在传统的医学教育中，人体结构一直无法直接展示，很多教学内容也无法进行直观体现，对学生深入掌握医学知识造成了一定的阻碍。

部分医学实验存在成本高、危险性大的特点，因此学校开展实验活动非常谨慎，导致实验活动的数量有限。运用虚拟仿真技术可以动态展现诊断、护理等各个阶段，通过人机交互的形式形象、生动展示人体结构、疾病发生原理与演变过程，让学生在真实的情境中学习和掌握医学知识，提高教学质量和效果。比如，在解剖学教学中，由于学校的标本资源数量过少导致很多学生无法获得参与解剖标本的机会，而虚拟仿真技术的引入能够通过构建虚拟“数字人”，使学生在课堂中动态观察解剖过程，掌握结构形态与毗邻关系。

3 结语

虚拟仿真技术可以在计算机以及其他技术的支撑下模拟实际环境，为教学活动的开展营造良好的氛围与真实的实验情境，解决资源不足、时空受限等问题，保障教学活动的顺利开展。教育工作者应更新教学理念，优化教学内容，探索技术与教学融合的方法，围绕课程要求、学科特点，打造虚实结合的课程体系，为实践活动的开展提供支持。