虚拟仿真技术在中等职业教育中的应用研究

文/广州市黄埔职业技术学校 蓝 魏

广东技术师范大学 赵桂雪

一、虚拟仿真技术概述

虚拟仿真技术,简称“VR”,是利用一个虚拟的系统模仿另一个真实系统,可利用肢体和语言进行交流互动,带给用户良好的仿真体验,使之身临其境的交互式视景仿真。目前,虚拟仿真技术已被公认为是未来的通用技术平台,是现代仿真技术的高级发展和突破,是支撑国防军事重点发展的关键技术。当前虚拟仿真技术应用于各行各业中,在教育、军事、工业、娱乐和医学等方面都有极大发展,且发展比较多元化,前景乐观。近几年,国内外各职业院校都在加强对虚拟仿真技术的教学应用,提高学生的信息化素养,促进教学质量的发展。

二、虚拟仿真技术在中等职业教育中的应用优势

中等职业教育具有实践性、开放性、生产性和时代性。为更好地实现“技能型”人才的培养目标,中等职业教育应以“实用”、“实训”和“应用”为主要特征,为学生提供更多的实习机会。在中等职业教育中运用虚拟仿真技术,可以改变教学观念、教学内容、教学场所,节约教育投入,提高教学效果。虚拟仿真技术以其沉浸性、交互性的特点,为学生提供近乎真实的实践体验,对激发学生的学习热情,突破教学重点、难点,唤醒学生的多元智慧,培养学生的技术应用能力、创新创造能力和合作意识具有重要的意义。

(一)实现情境化教学

情境化教学是情境性学习观念在教学中的具体应用。它是指为了创设一定的教学情境,教师有目的地引入或创设具有一定情绪色彩、以形象为主体的生动具体的场景,将学生引入一定的教学情境和一组情境之中,由形象感知转向情感体验,学生可以通过实验、学科活动、社会实践等体验生活,将课本知识与生活建立联系的一种教学方法。

目前,在中等职业教育中,由于受资金、设备、时间、空间等多种外在因素的影响,给学生提供的教学情境相对较少,从而限制了学生的发散思维。将虚拟仿真技术应用到中等职业教育教学中,能够呈现出多种不同的教学方式。通过视、听、触觉等感官的刺激,从而使其获得相应的知识。

情境化教学通常有以下三个特征:一是客观真实性的情境。传统课堂情境中,大多数情况下是教师讲授,学生想象特定的情景。但是情景常设的难度较大,学生很难真的进入真实情境中,难以激发学生的认同感和代入感。将虚拟仿真技术引入课堂后,学生可以借助头盔显示器、耳机、手柄、数据手套等进入教师预设的教学情境中,在每个学生全神贯注的参与下,创造出一个能让学生观察、感受到的虚拟环境。在虚拟仿真实践中,可以持续地将技术知识内化,并在此基础上,通过虚拟实践进一步深化对虚拟感知的生活与生产实践过程的总结与探讨,使学习者沉浸在这种虚拟感知的虚拟环境中,从而完成对理论知识的进一步学习。二是深入性的课堂互动。虚拟仿真技术具有交互性,当学生用手触摸虚拟仿真中的物体时,就会有一种手握东西的感觉,并感受到物体的重量,视场中的物体也会跟随手的运动而移动。在虚拟教学模式的环境下,合作会话可以帮助学生更好地理解和掌握知识,实现人人交互和人机交互。通常情况下,使用3D的输入和输出装置让学生在实际工作中,直观地使用电脑,实现交互式作业。三是感性化的实验情境。这种虚拟仿真技术并不是将学生在学习过程中提出的各种假设模型进行虚拟,而是通过一系列的动态试验和教学试验仿真训练相结合,从而起到良好的教学效果。传统的课堂教学,实验主要是由教师示范和学生小组进行,尽管实验具有一定的现实性,但是实验中的原理很难被直观地表现出来,很难给学生提供一个感觉的实验环境。虚拟实验室可以弥补传统实验的抽象和理想化的缺点,比如可以在实验室中探究电磁规律、物质分子结构、解剖动物或人类,可以在三维动态建模中探究数学,还可以在虚拟实验室中参观秦始皇墓、爬珠穆朗玛峰、感受《清明上河图》、模拟八大行星的运行等。学生可以对多个感知环境进行体验,获得直接的经验,推动自己进行持续的探索,从而达到更好的学习效果。

(二)促进个性化学习

个性化学习是根据学习者的不同需求和发展特点,采取适切和灵活的方法、手段、策略、内容、评价等促进学生自主学习。中等职业教育注重学生的个性化学习,随着虚拟仿真技术的发展,个性化学习的实现成为可能。利用虚拟仿真技术,学生进入到一个虚拟的教学环境中,并且按照自己的需要,自主地选择学习内容和所学课程。在传统的班级教学模式下,由于学生的数量太多,教师很难对学生进行个性化的教育。以学生为中心的个性化学习、自主性学习,是中等职业教育的必然选择。而研发虚拟仿真技术教学平台,为以学生为中心的个性化学习、自主性学习提供了重要的支持。虚拟仿真技术教学平台能够对传统的学习模式进行改进,对教学的方式和方法进行创新,为学生的教育提供专业的支持。作为教学的重要辅助工具,教学平台系统对于学生的学习起到很大的辅助作用。

(三)支持教学研训

教师要运用新的教学方法,善于总结、发现教学过程中遇到的困难,在探索中提高教学质量,推动自身专业发展。而虚拟仿真技术不仅可以为学生提供帮助,也能为教师提供帮助;一方面,虚拟仿真技术可以创设虚拟情境辅助教学,另一方面,也可以创设教研情境辅助教师研训。教师在进行教研的过程中,可以不断地总结教学经验,发现教学问题,探索教学方式,从而改进自己的教学,提升自己的教学水平。

虚拟仿真技术支持的教学研训主要有三个主要特征。一是教师参与度高。借助虚拟仿真技术,利用计算机进行仿真教学训练,能够为学员提供各种可重复性练习的教学情景。在这些教学情境中,教师可以与教学系统中的其他参与者进行协作,参与式学习为学生提供了一种参与式的学习经验和机会,为学生提供了一种体验和理解复杂教学内容的方式。同时,也为教师提供了一种更具真实性、灵活性和可持续性的教学方式,为教师提供更有效的教学策略,以激发学生的兴趣和好奇心。二是科研训练费用低。在虚拟仿真技术的支撑下,通过不断地构建和优化,形成了一个更加具有开放性、可持续性、高逼真度等特点的教师培训环境,可以降低研修场景构建的时间和费用。针对不同的培训对象,设置不同的培训时间、研修环境、教学场景等,让受训教师自主选择。使教学研训由被动“集中”到主动“自觉”,由“集中”到“自主”,由“被动”到“主动”,教学研训变得常态化。三是研究和训练更加接近实际的课堂教学。在虚拟仿真技术的支持下,能够对各种实际的教学事件进行模拟研训活动,例如:教学准备、师生问答、学生课堂纪律、设备故障等。此外,还能利用系统对学员进行虚拟形象的仿真,使研训更加贴近实际的课堂教学。利用虚拟仿真技术进行教学研究,可以解决传统的教研组织困难、参加者少、与实际课堂脱节的问题,从而有效地降低了研究的成本。学员可以在任何时候、任何地方都参与学习,在一个真实的学习环境中,直接面对教学中出现的实际问题,将学习变成一种真正的教学活动,推动教师专业发展。

三、职业学校对虚拟仿真技术的应用瓶颈

(一)设备成本较高

虚拟仿真技术设备成本较高,会加重学校的财政负担。目前,综合各职业学校虚拟仿真实训室的建设情况来看,相关软硬件设备的价格高昂。在构建虚拟仿真大屏和 OAE系统方面,需要花费超过百万元的资金,购买或定制开发课程资源的成本也要在数万到数十万元之间,因为投入太大,造成了实训设备的更新难度很大,所以会出现实训设备陈旧、更新滞后、维护成本高等问题,这对虚拟实训教学的连续性和及时性造成了严重的影响。

(二)虚拟实训教学资源难以为继

当前,我国职业院校在虚拟仿真实训教学资源建设上,存在如下问题:课程资源大量从企业购买,价格昂贵,学校负担过重;而且,购买的课程资源只能满足2-8个课时的教学需求,还存在着语言的特殊性,通用性较差,易用性差等问题。所有的课程都是公司自己研发的,没有太多的针对性,如果是量身定做的,一般都要几十万元,成本很高。

(三)教师的虚拟仿真教学能力不足

虚拟仿真技术的教学是一个相对复杂的过程,要求教师熟练掌握计算机应用技能,并能够利用虚拟实现空间开展多样化的教学工作。当前,在我国职业学校的教学中,存在着两种极端现象。对虚拟仿真技术的掌握和学习能力都比较强的都是年轻教师,但是他们的专业教育水平和教学经验又比较有限。而拥有较高教学资质的教师,往往对虚拟技术的应用知之甚少。在职业学校中开展虚拟仿真技术教学,对职业学校教师提出了新的要求,但在实际教学过程中,仍有一些职业学校教师对虚拟仿真技术教学应用不足,这也是制约虚拟仿真技术融入职业学校课堂的重要因素之一。解决好这一难题,是今后职业院校在课堂教学中使用虚拟仿真技术的先决条件。

四、职业学校对虚拟仿真技术的解决路径

(一)推动职业学校师资队伍的信息化建设

我国信息化教育发展相对落后,但在技术普及能力方面较强,因此,构建职业学校的信息化教育系统,可以很好地促进专业教学水平的提高。为了更好地满足职业学校虚拟仿真技术应用的需要,职业学校应该与信息化技术的发展相结合,加强师资力量的建设,增强教师对虚拟仿真技术的掌控力,以双师型教师教育为重点,通过教师下企业实践或聘请专家团队的方式培养师资。确保职业学校教师在使用虚拟仿真技术时,能够从根本上发挥出自身优势,不断提升教师的专业教育和虚拟仿真技术操作水平,不断强化对虚拟仿真技术的教学应用,并制定相关的教学实践计划,使虚拟化教育实践可以快速地在职业学校中展开。这也是职业学校在后续阶段开展虚拟仿真技术的教育实践计划中,实现人才培养目标的重要保证。

(二)校企合作促进产教融合

“校企合作”是一种以“校企”为主体的新型人才培养模式。针对虚拟仿真技术装备价格昂贵、维护费用高等问题,学校与企业、公司进行合作,职业学校为企业培训提供装备。坚持把深化产教融合、校企合作作为提高职业教育适应性的重要着力点,坚持把目标导向和问题导向相结合作为提高职业教育适应性的重要方法,寻求行之有效的途径,强化机制建设,提高融合效果。在路径上,以在全国范围内推进产教融合试点城市、试点企业建设为机遇,积极与相关企业展开合作,将先进技术、制度等引入学校,促进产教融合。在效果方面,学校应该吸纳企业工程师,深度参与教育教学和人才培养,提高资源的共享程度,不断提高学校与企业之间的合作程度,建立“校企共同体”。

(三)出台操作层面的政策或措施

新一代信息技术发展对国家经济社会发展具有重要作用,是经济社会持续健康发展的重要支撑,虚拟仿真技术在教育行业的推广应用同样如此。自2017年7月起,教育部高教司便启动了国家虚拟仿真实验教学项目认定工作,用四年的时间,面向60个专业类,遴选1000个国家级虚拟仿真实验教学项目,2019年将该项目纳入一流本科课程建设。近几年,教育部和江西省政府合力推动虚拟仿真技术与教育教学深度融合,依托现有资源,在全国范围内率先建立了第一个国家级高职院校虚拟仿真示范训练基地,在8个专业类别中建立了虚拟仿真教学区域,并在此基础上,将虚拟仿真教学与云计算技术有机结合,形成了以虚拟仿真教学为核心的云计算服务平台,为教师和学生提供了一整套虚拟仿真技术、增强现实技术智慧教育的综合解决方案。

(四)借用或自主研发系统平台

网络技术课可以借用思科的Packet Tracer,学生可以在这个软件里完成网络搭建、配置,物联网、智能家居等方面的实训操作。如果学校教师有实力可以自行设计虚拟平台,如我校陈老师经过多年的实践,自行设计了一个“物联网安卓物联网客户端程序”,用于控制物联网设备的物联网虚拟实训平台软件,其实现功能涵盖了真实物联设备的大部分功能和接口,学生在模拟设备上学习和训练软件开发编程技能,最终将掌握的技能运用于真实设备。

五、结语

随着虚拟仿真技术的发展,对中等职业教育教学的积极影响将会越来越大,中等职业教育的教学内容和形式也将会发生变化。将虚拟仿真技术应用于职业院校教学,是职业院校教学改革的必然选择。

当前,在中等职业教育中应用虚拟仿真技术进行教学的过程中,还没有形成一套完整的、系统的教育理论,也没有形成一套行之有效的教学模式。虽然现在虚拟仿真技术在中等职业教育中的应用还没有被广泛地运用和开发,但是随着信息技术的发展,虚拟仿真技术的发展以及硬件设备的成本的持续下降,它将会以其独特的教学优势和潜在的应用价值,在中等职业教育中起到越来越大的作用。