高校虚拟仿真课程设计与开发模型初探

于杨　钟茂昌　郝珂雨

[摘 要] 虚拟仿真技术已经深入教育领域的各个层次，为教学模式、教学设计、课程内容等带来深刻变革。在实践过程中，虚拟仿真课程的设计与开发难以应用传统方法，存在对虚拟仿真课程内涵认识不足、虚拟仿真课程实践性偏弱、课程内容陈旧等问题。ADDIE课程开发模型不但具有深度灵活性，而且非常注重认知理论的应用，为解决上述问题提供了新思路。此课程开发模型通过覆盖式分析、全方位设计、综合性开发、系列化实施和深度化评价五个步骤，对高校虚拟仿真课程内部诸多要素进行选择与组合，最终完成对课程的设计与开发。

[关键词] ADDIE模型；高校虚拟仿真课程；设计与开发

[中图分类号] G426[文献标识码] A[文章编号] 2096-2991（2023）03-0084-08

虚拟仿真技术（Virtual Reality）也被称为“虚拟现实技术”或者“模拟技术”，是一门综合应用虚拟系统来对真实系统进行模仿的专业技术。[1]进入第四次工业革命后，得益于对数据的可视化表达和人机交互的智能化，虚拟仿真技术先后融入商业、工业、医疗、教育等诸多领域，得到了学者的广泛关注。[2]如在高等教育实验教学项目中，采用虚拟仿真技术进行实验教学不但能有效减少项目成本，而且还能减少实验不当对学生造成的身体损害，创新实验教学模式。[3]在此情形下，我国于2022年发布了《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（2022—2026年）》，该计划提出要在高等教育院校建设一批虚拟仿真试验基地，并开发出一批具有实践性、操作性的虚拟现实数字课程，最终实现“虚拟仿真实验教学2.0”目标。[4]目前，高校虚拟仿真课程的设计与开发在高校中可谓开展得如火如荼，据统计，约有上千所学校共开设3358门虚拟仿真课程。[5]但在实践过程中发现虚拟仿真课程的设计与开发难以应用传统方法，对虚拟仿真课程的开发仍存在内涵认识不到位、[6]课程内容陈旧[7]等问题。

ADDIE课程开发模型自20世纪70年代诞生以来，共经历了四次升级迭代过程。[8]第一代模型基于学习行为模式，内含四个组成部分：目标、前测、指导和后测；第二代模型采用系统理论加强了教学过程的控制和管理；第三代模型采用认知理论进行交互式开发，课程设计开发流程由线性过程变成环状系统；第四代模型利用人工智能领域的技术发展，通过持续的评估和故障排除过程来处理ADDIE系统的复杂性。ADDIE模型具有深度灵活性的同时非常注重认知理论的应用，这与高校的虚拟仿真课程具有不谋而合的适切性。[9]因此，本研究将结合ADDIE模型，从分析、设计、开发、实施和评估五个方面，对高校虚拟仿真课程的建设与开发做元研究，希望能为从事高校虚拟仿真课程开发的相关人员提供一定的启示。

一、覆盖式分析：高校虚拟仿真课程设计与开发的初始环节

覆盖式分析不仅是构建虚拟仿真课程的初始环节，同时也决定着虚拟仿真课程的建设方向，并保障后续环节的顺利进行。虚拟仿真课程的开发需要对课程所涉及的整个范围进行覆盖式分析，从课程的学习对象、学习内容和学习环境三个方面来进行剖析、选择与开发。

（一）对虚拟仿真课程学习对象的分析

高校虚拟仿真课程的主要受众是高校学生，其次是课程的任课教师。这主要是由教学的双主体论决定的，即教师是教学主体，而学生是学习主体。在虚拟仿真课程中，教师作为教学的主体在面对虚拟仿真课程时，具有两方面的困难：一方面，当前的任课教师未接受过系统的虚拟仿真课程教学训练，在虚拟仿真技术上需要学习；另一方面，教师虽然具备一定的传统课程模式的教学经验，但此类经验经过移植和转换之后，是否能够很好地适用于虚拟仿真教学环境，这也是值得商榷的。学生作为学习的主体也具有两方面的困难：一方面，面对学习方式的转变，学生群体的适应性差异大。现阶段的高校学生群体虽都成长于互联网时代，熟悉信息技术，但由传统学习方式转为虚拟仿真的学习方式时，学生群体体现出的个体差异性较大。另一方面，学生群体的专业性差异较大。高校学生群体已经进入分科培养阶段，专业化的学习使其对虚拟仿真课程的要求和条件不同。因此，虚拟仿真课程的设计须从学习对象出发，剖析基本的课程构成要素，最终使学习对象有效接收并理解课程所传授的内容，完成课程开发者与课程使用者、教师主体与学生主体之间的对接和协同。[10]

（二）对虚拟仿真课程的学习内容的选择

高校虚拟仿真课程的学习内容是传统课程学习内容经过信息化编码和虚拟化转换后的学生所需要学习的内容。与传统课程相比，虚拟仿真课程的学习内容体现出“形式多样、种类丰富”的时代特点。学习内容形式多样体现在内容更多以图片、音频、视频和虚拟仿真场景等形式，运用在教育教学全过程中；学习内容种类丰富体现在不断增长的使用虚拟仿真技术的高校、学科和课程数量上。高校虚拟仿真课程的学习内容选择可以分为：专业性内容的学习、技术性内容的学习和价值性内容的学习。[11]专业性内容与学生自身的专业性质密切相关，结合不同学科特点与教学要求，虚拟仿真课程可以划分为不同种类，各有其侧重点。技术性的学习内容主要是学生对虚拟仿真课程相关技术的学习，尤其是对头戴式和桌面式虚拟仿真设备及其软件的学习和使用。价值性的学习内容是“大思政课”视域下虚拟仿真课程的思想政治教育内容，将课程思政与思政课程有机融入虚拟仿真课程教学之中，构建全员、全过程、全方位育人新格局。[12]

（三）對虚拟仿真课程学习环境的开发

虚拟仿真课程学习环境是“借助计算机系统模拟出诸多生动而逼真的教学场景，形成一种可创建、可体验的虚拟环境，再现现实世界或是构想中的世界”[13]，虚拟仿真课程不再是在传统单一学习环境下进行，而是采用线上线下相结合的教学范式。如何将线上与线下这两种迥异的学习环境进行有效衔接和自然过渡是发挥虚拟仿真课程效果的关键性因素。[14]虚拟仿真课程学习环境可以分为软环境和硬环境。在软环境上，要构建全员共同接纳虚拟仿真课程教学模式的整体意识。软环境的构建需要师生转变身份认同，习惯于在沉浸式的、虚拟的“真实”场景中接受认知，并要清楚地感知到真实世界与虚拟世界的边界。这一方面有赖于师生对虚拟仿真技术的了解与使用能力的提升，另一方面也要对虚拟仿真课程的伦理和价值诉求进行深度挖掘和分析，让使用者能够在虚拟环境中与虚拟对象产生持续、深入的交互活动。在硬环境上，要搭建起支撑虚拟仿真课程教学的硬件系统。当前，高校虚拟仿真课程的硬件系统正在逐步完善。根据我国教育部发布的《教育部办公厅关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》，普通本科高等学校开始大规模开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作，以此进一步深化高校实验教学项目信息化建设。[15]

二、全方位设计：高校虚拟仿真课程整体质量提升的必然要求

虚拟仿真课程的全方位设计包括对虚拟仿真课程的教学目标、教学策略和教学理论等内容的评估和抉择，在课程实施中将可应用资源进行整合并进行测试，确保虚拟仿真课程的顺利进行。[16]具体而言，课程教学目标是课程开发的起点，也是终点；课程教学策略是对虚拟仿真课程的组织与安排；而教学理论则是如何实施有效教学策略以完成教学目标的一套方法论。

（一）虚拟仿真课程的教学目标定位

在传统课程基于结果导向的模式下，教学目标主要从知识、技能、价值观三个维度来进行设计。虚拟仿真课程的教学目标由结果导向转为过程导向，除了上述三个目标维度外，还增加了学习能力这一目标维度。所谓学习能力，即学生在学习过程中的投入程度、学习习惯、学习时间等要素所体现的学习素养。这一转变意味着教师在教学过程中需要投入更多的时间和精力，掌握更多的信息技术来追踪和记录学生在各阶段所表现出的学习能力。传统课程无法全过程、全方位、全员追踪学生的学习状况，只能通过学习结果来评估课程目标的实现程度。虚拟仿真课程能够利用大数据技术，全程追踪学生的学习情况，强化学生在学习过程中学习素养的培养。制定科学合理的学习能力目标，关键在于利用好互联网的可追踪性、可记录性的特点，对学生参加虚拟仿真课程的全过程做好数据库建设。数据库建设要围绕学生学习内容、学习时长、学习频次、学习方法等方面来进行记录，并利用大数据和算法技术做好后续的处理和追踪工作。

（二）虚拟仿真课程的教学策略设计

在传统课程模式下，教学策略可以分为教师主导和学生主导两种取向。[17]有学者对上述两种取向对学生学业表现、课程参与感和课程满意度的影响进行了研究：教师主导取向的教学策略对学生学业表现有显著性影响，但无法显著影响学生的课程参与感和对课程的满意度，而学生主导取向的教学策略则显示出相反的结果。[18]虚拟仿真课程能够将两者融合，实现师生互动型教学策略。虚拟仿真的教学策略将覆盖整个课程的构成设计，包括背景知识策略设计、单元实验策略设计、综合实验策略设计和实验反馈策略设计四个主要教学策略模块。背景知识策略用于引导学生学习各项基础知识，启发学生的学习思路；单元实验策略是按照先后次序进行的，将主要核心知识点拆解，相关仿真实验可不受限制地反复操作；综合实验策略模块允许学生在一定范围内自主设计、自主选择，以此考查学生在自主操作及虚拟学习个性化等方面的实际情况；实验反馈策略是利用虚拟仿真教学迅速响应的特点和数据采集的优势，结合虚拟仿真操作评分标准，通过虚拟仿真系统自动生成相应的实验报告，并提供相关的实验数据，供学生分析反思。

（三）虚拟仿真课程的教学理论运用

传统课程大多以教师的“教”为中心，而以学生的“学”为中心的教学仍然没有完全落实，“我国大学教学大多还是传统的”[19]。在虚拟仿真课程的设计与发展中要重视学生的需求，技术的使用要便于学生的操作。因此，其一，要坚持人本主义教学理论，即通过教学促进学生成为一个完善的、充分发挥作用的、自我发展的和自我实现的人。其二，要采用社会互动教学理论的交往方式。社会互动教学理论认为将师生群体共同放在一定的社会关系背景下，群体间、个体间能够在心理、行为上相互作用和相互影响。要在教师和学生、学生和学生之间建立一种友好互助的学习方式。其三，要实施认知主义教学理论，以此来构建虚拟仿真课程多元融合的教学模式。认知主义教学理论强调学习者的内部心理结构，在课程的教学过程中这一结构会发生变化和改组。因此，虚拟仿真课程的开发与设计要建构学科的知识结构，让学生自己主动发现知识，进行“人机交互”的深度学习。

三、综合性开发：高校虚拟仿真课程设计与开发的关键抓手

对课程进行细致入微的分析和设计是科学开发课程的前提，而如何落实到开发和实施的实践过程之中才是课程能够有效运行的关键核心问题。以往研究认为，课程开发是一种综合性过程，需要完成教学资料组织、教学模式选择、教学支撑团队建设等方面的开发。[20]在虚拟仿真课程的开发过程中，开发人员需要将课程需要的教学资料转化、创造出来，建设相应的教学平台作为教学场所，并安排教学活动，支持团队为其提供技术保障。

（一）虚拟仿真课程教学资料的组织

教学资料即课程课内外教学所需的学习资源，也是学习内容的载体。在传统教学模式下，教学资料多是以文字、图片等静态方式呈现，学生通过视觉就可以进行知识的学习与理解。受制于此类方式的信息承载量有限，教学资料无法对课程进行深入的拓展，因此传统教学资料主要以教科书内容为主。在信息化技术与学科教学“深度融合”的今天，学科的学习资源日益丰富。[21]当高校虚拟仿真课程的教学资料上传到教学平台、网络世界后，教师可以通过视频、音频、游戏互动等形式将教学资料呈现给学生。在虚拟仿真课程教学资料的组织中，尤其要发挥教学视频的作用。因为通过视频的方式，学生不仅在视觉上能直观了解学习内容，而且还可以从听觉上结合视频旁白加深印象。此外，虚拟仿真课程还应重视游戏互动的教学资料组织。这一形式需要将学习内容游戏化，采用通关式或引导式的方式来实现学习内容与学习者之间的互动。将课程学习内容通过虚拟仿真游戏的方式进行组织，既能引起学生对课堂的兴趣，也可以增加学生的课堂参与感。

（二）虚拟仿真课程教学模式的选择

虚拟仿真课程的教学模式就是将课程呈现给学生的具体途径。传统课程以单一的线下授课为主，采用班级授课制的形式进行师生间的面对面教学。此种教学模式有利于拉近师生间的距离，营造师生互助的教学氛围。虚拟仿真课程利用技术优势对课程环境进行模拟，采用线下面授、线上云端以及混合教学这三种不同的方式进行教学。以上教学模式各有其侧重点：在线下面授过程中，教师与学生零距离接触，需着重发挥教师的现场指导作用；现场式的虚拟仿真课程教学，教师能通过手把手、面对面的指导和解说，帮助学生更好理解虚拟仿真课程内容；云端课堂方式的教学应科学、合理分配教学内容，在现有的教学项目上进行改造，从而建设具有更加专业性、灵活性、系统性的教学项目。[22]在混合式教學的过程中，教师利用好线上、线下教学的比较优势，对其进行整合，从而规避单一的线上、线下教学模式的内在弊端，以线上、线下混合式教学模式来实现两者的有机结合。

（三）虚拟仿真课程教学支撑团队的建设

虚拟仿真课程教学支撑团队是虚拟仿真课程运行过程中必不可少的人力资源。传统的高校课程授课团队由任课教师主导，并负责课前准备教案、课中讲授知识、课后作业批改等工作，没有相关的后勤保障和技术支持团队。虚拟仿真课程的开发需要多主体跨越学科界限共同进行，单一的专业教师主导无法适配融合了信息技术的新教学样式。对一门虚拟仿真课程的开发来说，需要有企业、教师、后勤三大主体的共同参与才能开发出遵循教学规律的、符合学生需求的、匹配教师能力的高质量虚拟仿真课程。具体来说，企业要对教育市场进行深入细致的市场调查，还要组织一批专业技术团队来开发高新技术，在硬件方面实现升级换代。对教师群体来说，课程必须在教师的指导下完成挑选课程教学内容、确定学生学习目标、设计教学步骤等一系列流程。后勤团队起到“桥梁”的作用，连接着企业与教师，发挥沟通与交流作用。只有在企业技术人员、课程任课教师、后勤保障人员的相互配合下，虚拟仿真课程教学才能得以顺利开展。

四、系列化实施：高校虚拟仿真课程设计与开发的核心阶段

学习内容从教师向学生的顺利转移，知识向能力的高效转化离不开课程的实施。当前高校虚拟仿真课程在实施过程中，教师与学生之间存在时间与空间上的割裂问题，因此要格外注重课程的实施过程，并将其放置于核心阶段。课程的实施是一项具有完整过程的系列活动，因此可以按照各阶段活动的作用与功能将其划分为三个步骤：课前准备、课中互动、课后反馈。

（一）虚拟仿真课程实施的课前准备

虚拟仿真课程的课前准备是指在正式讲授课程之前做好的系列工作，既包括教师的工作，也包括学生的参与。传统课程在课前准备时，教师只需准备教材、课件、课案，再利用一定的教学策略与教学技巧即可。但信息技术的加入改变了虚拟仿真课程教师课前准备的内容与模式。首先，教师需要做好教学内容的组织，利用好电子化、信息化教学材料，制作好教学图片、视频和音频等内容。其次，教师根据实际情况自主确定课程教学平台，如ZOOM系统、Canvas平台、“好大学在线”、线下智慧教室、华为云平台等。最后，教师还需熟悉虚拟仿真课程技术，加强技术方面的相关培训，了解虚拟课程运行状况。对学生来说，学习不再是传统的课前预习教材的简单方式。首先，学生需在课堂上亲身操作专业的仿真软件、仿真设备、仿真教具，因此须事先了解相关操作。[23]其次，学生在课前的准备过程中，还需在硬件方面做好准备，其中包括网络设备准备、网络安全准备和网络技术准备。[24]最后，学生还需对教师提供的数字化学习资源包做好课前预习，了解课程主要内容。

（二）虚拟仿真课程实施的课中互动

虚拟仿真课程实施中的课中互动是教师与学生在课堂上的具体表现。与传统课程相比，虚拟仿真课程在实施过程中，教师与学生存在时间和空间上的错位，因此师生之间可能存在互动和朋辈效应的缺失问题，由此导致超越课堂场域之外的自主性学习参与严重不足的问题。[25]因此，在虚拟仿真课程中，要消弭学生与教师在课程活动中的时空隔阂感，拉近彼此之间的心理距离。首先，利用好虚拟仿真环境的虚拟性和沉浸性，其强大的模拟和再现功能能够将知识产生、发展和变化的全过程在虚拟世界展示出来，与现实世界的感知功能高度匹配。其次，在智能时代，教师必须学会与多元背景的学习者群体互动，移情被认为是教师最重要的技能。[26]273-282移情能力的高低体现于师生之间的互动之中。教师在虚拟仿真课程的教学过程之中发挥学生之间的朋辈效应，采用团队式探究分析教学方法，包括合作学习、伙伴学习、小组学习等组织形式，构建起发挥教师主导作用和体现学生主体地位的“主导-主体相结合”的教学结构。[27]

（三）虚拟仿真课程实施的课后反馈

虚拟仿真课程实施的课后反馈既是对学生学习状况的考查，也是对课程与教师授课情况的具体反映。与传统课程相比，虚拟仿真课程课后反馈采用的是大数据技术而非人力，因此能够更大规模、更加准确地收集相关信息。大数据技术在数据分析、决策向导和学习服务方面具有先天性的优势，[28]可以利用该技术及时发现教学过程中存在的一些问题，并做出相应的调整。对学生学习状况的考查最为直接的方式是对学生学习效果进行测验，获取学生知识的掌握度和解决问题能力的高低。课程和教师授课情况可以在课堂评论区、聊天框、论坛等网络社区进行反馈。这种网络社区的建立具有匿名性的特点，因此能够真实反映出学生群体对课程和教师的评价，并提出相应的意见和建议。除此之外，网络社区功能区还可以方便教师在课程结束后发布与课外相关的拓展资源，让感兴趣并学有余力的学生自主学习。[29]

五、深度化评价：高校虚拟仿真课程设计与开发的自我突破

作为一种课程，虚拟仿真课程具有跟传统课程部分相似的评价体系，如评价目标、评价方式、评价主体等；作为数字化时代的新式课程，虚拟仿真课程也具有与以往课程迥异的评价方式和内容，如即时性评价、精准性反馈等。综合来看，在继承传统的基础上，对虚拟仿真课程的评价可以从：过程性评价目标、多元化评价方式和精准性结果反馈三个方面进行。

（一）以学生发展为中心的过程性评价目标

高校虚拟仿真课程评价要以学生发展为中心，关注学生发展过程，帮助学习者构建有目的的、真实的和深入的学习活动。[30]在虚拟仿真课程的评价过程中，坚持以学生发展为中心作为一切工作的出发点和落脚点，同时也要凸显学生的意义主体价值，积极鼓励学生表达出对课程的实际需求、个人兴趣和基本态度。虚拟仿真课程评价强调过程性评价，对学生的评价根据课程活动的变化而实时发生变动，全过程、多方位记录学生在不同成长阶段所取得的相关成就。在虚拟仿真课程中，为每位学生量身制定学习计划、学习任务和学习目标不再是难以解决的技术难题：大数据技术能够采集学生细致而深入的语言、行为甚至心理数据；智能算法能够优化这些数据并针对性推送给相关用户；深度学习技术能够促进虚拟仿真课程不断优化升级；头戴式和桌面式虚拟仿真设备能為师生提供人机交互界面。除此之外，教师根据网络互动、模拟训练、个人汇报、小组讨论等活动为每一位学生制作信息化档案，做到每一活动有记录、每一阶段有备案、每一评价有依据。

（二）人机交互的多元化评价方式

高校虚拟仿真课程评价需要采用人与机器交互式的多元化评价方式。传统课程评价倾向于使用简单的量化方式评价课程质量，但最终得出的量化分数无法体现课程内容的丰富性，也无法展示出教育情景的复杂性，以及无法展示学生个体学习经验的成交性。[31]高校虚拟仿真课程评价不能仅靠单一的学习成绩，也不能依赖于纯人工的评价方式，而是应探索匹配数字化时代的人机交互式多元评价方式。在人机交互之中，学生与教师能够随时随地产生大量数据，机器收集数据并通过技术手段进行筛查与处理，[32]最后评价者根据处理好的数据来作出判断。机器与数据处理技术的加入为课程的评价者提供了更多、更全面的判断依据，但最终的决定者仍然是人本身。虚拟仿真课程评价方式应多方考量学习者身心发展规律和计算机量化技术的相关特点，体现出互动性、情景性和表现性的评价过程，将量化评价与质性评价、过程性评价与结果性评价相结合，建立起“人—技术—人”的多维连接。

（三）个性化的精准性结果反馈

高校虚拟仿真课程评价需要对学生和教师提供个性化的精准结果反馈，以此做出针对性的改进措施。由于技术方面的限制，传统课程在课程结束之后形成的总结性评价，并不需要对学生学习结果进行深度的分析与反馈，缺少对结果的反馈使学习过程无法形成环状结构，仅是单向的填鸭式学习。而在信息化时代，更多数据处理技术的应用能使对每位学生的评价给出更具个性化和精准化的结果。虚拟仿真课程将课程各部分细化，分模块、分阶段、分内容来进行不同部分的权重赋分，采用课程讨论、单元测试、课程作业、作业互评等形式来进行灵活考核。学生随时登录虚拟仿真系统上传个人数据，主要包括管理类数据、行为类数据、资源类数据和评价类数据。[33]基于虚拟仿真技术的课程评价可以利用学生实验操作数据的提取以及云端数据的计算分析，来对学生课程学习状态进行分析判断，并为学生提供专属定制的反馈。

六、结 语

总而言之，在当前国家大力推动实现“虚拟仿真实验教学2.0”目标的过程中，如何开发出科学合理的虚拟仿真课程与实际的课程教学相结合成为当务之急。不妨借鉴ADDIE课程开发模型，为虚拟仿真课程的设计与开发提供理论与方法上的指导。具体而言，就是要：深入课程学习对象、学习环境、学习内容的分析；加强课程教学目标、教学策略、教学理论的设计；促进课程教学资料、教学平台、教学技术的开发；保障课程课前准备、课中互动、课后反馈的实施；进行课程生成性、多元化、及时性的反馈。在实际的应用过程中，根据自身所具备的不同情况，需要课程的开发者、使用者立足实际情况不断调整，在分析、设计、开发、实施和评价五个方面与时俱进，自始至终地保持对技术进步的谨慎、对课程开发的热情、对学习探究的敬畏。

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【特约编辑 龙   晟】

A Preliminary Study on the Design and Development Model of Virtual Simulation Courses in Universities

YU Yang，ZHONG Maochang，HAO Keyu

（Institute of Higher Education，Institute of Marxism，Jilin University，Changchun，Jilin 130012，China）

[Abstract] Virtual simulation technology has penetrated into various levels of the education field， bringing profound changes to teaching modes， teaching design， course content， and so on. In the practical process， the design and development of virtual simulation courses are difficult to apply traditional methods， and there are problems such as insufficient understanding of the connotation of virtual simulation courses， weak practicality of virtual simulation courses， and outdated course content. The ADDIE course development model not only has deep flexibility， but also places great emphasis on the application of cognitive theory， providing new ideas for solving the above problems. This course development model selects and combines many internal elements of virtual simulation courses in universities through five steps： coverage analysis， comprehensive design， comprehensive development， serialized implementation， and in-depth evaluation， ultimately completing the design and development of the course.

[Key words] ADDIE model; virtual simulation courses in universities; development and design