虚拟仿真技术在高等职业教育实践教学中的研究*

芦冏耀 贾晓琪

山西工程科技职业大学·信息工程学院 山西 晋中 030619

引言

虚拟化教学方案为计算机组装与维护开辟了一个新的教学路径，虚拟现实（Virtual Reality）是把客观上存在的或并不存在的东西，通过运用计算机技术，在用户眼前生成一个虚拟的环境，使人感到像真实存在的一种技术。利用此项技术我们可以把真实的硬件用虚拟化的方式展现出来，学生可以通过虚拟的场景，完成组装拆解过程，也可以完成一些特定的设置验证性实训，比如：BIOS的设置、系统优化设置等。还可以有效解决我们在硬件更新方面的不足，如果有新的硬件产生，也只需要调整虚拟教学课件即可，无须再次投入大量的资金用于购买设备，可以快速跟上市场变化的步伐。在教学的形式上，虚拟教学更加灵活，它可以根据教师的要求灵活设计实训方案，根据学生对知识的掌握情况，针对性的添加一些实训项目。这在普通的教学中是无法实现的。虚拟教学在解决实验实训设备建设滞后方面，展现了非常大的优势，实现了实验设备一次性投资，反复利用，随时升级，管理方便的愿望。但期初投入比较大，需要在实验教学方面深入考察、多方论证，相信虚拟教学会在以后的实践教学中展现更强的优势。

1 虚拟仿真技术的概念及应用

1.1 虚拟仿真技术的概念和特点

虚拟仿真技术是一种基于计算机技术的教学方法[1]，可以通过计算机模拟实验环境和实际操作，让学生在虚拟环境中进行实践操作，培养学生的实践技能和解决问题的能力。虚拟仿真技术已经在工业制造、医学、建筑设计、航空航天等领域得到了广泛应用，成为一种重要的教学工具。虚拟仿真技术应用于实训教学中具备以下特点[2]：①可以模拟真实环境，提供高度仿真的体验和感受。②可以提供交互性，让用户参与到虚拟环境中去。③可以进行实验和测试，提高效率和准确性。④可以进行多次仿真和演练，提高安全性和效果。⑤可以在多个领域中应用，具有广泛的适用性。

1.2 国内外的虚拟仿真技术在职业实训教学中的应用

目前，国内外的虚拟仿真教学主要包括三种模式[3-4]：基于虚拟实验室的教学模式、基于虚拟仿真环境的教学模式和基于虚拟实践项目的教学模式。虽然一些高校和职业培训机构采用虚拟仿真技术进行实践教学，取得了一定的教学效果，但也存在技术水平不够成熟、应用模式不够灵活、教师教学能力不够强等诸多问题[5]。高等职业教育实践教学更是要进一步探索虚拟仿真技术的应用模式和方法，完善虚拟仿真教学的教学内容和教学管理，提高虚拟仿真技术在高等职业教育实践教学中的应用效果。虚拟仿真技术在职业实训教学中的应用主要包括以下方面：

1.2.1 实训过程模拟。实训过程模拟是指将实训过程完全模拟到计算机程序中，让学生在虚拟环境中进行实训操作。这种模式下，学生可以随意尝试不同的实训方案，进行实训结果的预测和验证。同时，虚拟环境中的实训过程可以进行多次演示，让学生对实训过程有更加深入的理解。

1.2.2 实训参数控制。实训参数控制模式是指在虚拟环境中，学生可以通过调节虚拟实训设备的参数来进行实训操作。这种模式下，学生可以随意调节不同的实训参数，观察不同的实训结果，从而更好地理解实训原理和实训过程。

1.2.3 实训结果演示。实训结果演示模式是指在虚拟环境中，将实训结果以动画或者其他视觉化方式进行呈现。这种模式下，学生可以更加清晰地观察到实训过程和实训结果，从而更好地理解实训原理和实训过程。

虚拟仿真技术在实训教学中的应用模式可以极大地提高实训教学的效率和效果，让学生在虚拟环境中进行实践操作，可以大大降低设备成本和安全隐患，同时可以提供更加真实的实践环境，增加学生的实践经验和职业素养。此外，虚拟仿真技术还可以提供多种操作场景，让学生在不同场景中进行操作，从而提高学生的综合能力和应变能力。因此，在职业教育中，虚拟仿真技术的应用模式将成为未来教育的趋势。

2 虚拟仿真技术在高等职业教育计算机类课程实践教学案例

将虚拟仿真技术应用在计算机硬件类课程实践教学中，可以为学生提供更加真实、高效、多样化的实践场景和工具，同时还可以减少实验成本、提高实验安全性。实践教学的整体思路如下：①采用三维立体仿真技术，还原实训场景，为学校师生提供立体直观，高度仿真的虚拟教学环境；②支持移动、旋转、缩放等各种交互操作，可以观察硬件产品的每一个细节，提升参与度，增强趣味性；③严格按照计算机硬件行业标准及专业要求进行设计，确保实训过程的准确性；④采用在线方式进行考核，针对不同学生的出错知识点及频率，随机形成包括理论和实践操作的考卷，检查学生实践教学的效果，同时系统自动统计分数，分析易出错环节，帮助提高教学质量和学生学习效果。

2.1 虚拟仿真技术在计算机组成原理课程中的应用

以计算机组成原理课程为例，该课程主要涉及计算机硬件体系结构和工作原理，包括CPU、存储器、总线等方面的内容。传统的计算机组成原理教学中，学生需要在实验室中进行电路板拼装、接线等操作，需要大量的实验设备和人员管理。而采用虚拟仿真技术，可以提供高度仿真的计算机硬件环境，让学生在虚拟环境中进行实验操作，同时也可以提供多种实验场景和数据，让学生进行不同类型的实验。采用虚拟仿真平台来模拟计算机CPU、存储器、总线等硬件模块的工作原理。学生可以通过虚拟环境中的模拟器进行指令执行、数据读写等操作，从而深入理解计算机硬件的工作原理和结构。同时，虚拟仿真平台还可以提供实时监控和调试工具，让学生可以实时查看电路模拟结果、修改指令代码等，提高学生的实验效率和实验质量。

另外，虚拟仿真技术还可以提供一些虚拟实验工具，例如逻辑电路仿真器、数字信号处理器仿真器等，让学生可以在虚拟环境中进行逻辑设计、数字信号处理等实验操作，从而获得更加真实的实验体验，并且可以进行多次实践操作，提高学生的实践经验和技能水平。

2.2 虚拟仿真技术在数据结构课程中的应用

在数据结构课程中，学生需要掌握各种数据结构的基本概念和操作方法，例如栈、队列、链表、树等。为了帮助学生更好地理解和掌握这些概念和方法，可采用“Data Structure Visualizations”虚拟仿真技术来进行实践教学。通过虚拟仿真软件，展示各种数据结构的构造和操作过程，并且提供交互式的操作界面，让学生可以自行进行操作和实验。通过这种方式，学生可以更加直观地理解数据结构的概念和操作方法，同时也可以提高他们的实践能力和编程能力。

2.3 虚拟仿真技术在计算机图形学课程中的应用

在计算机图形学课程中，学生需要学习各种图形算法和技术，例如线性变换、光照模型、纹理映射等等，可采用“OpenGL Studio”的虚拟仿真软件展示各种图形算法和技术的实现过程，学生自行操作和实验，以加深他们的理解和记忆。

从上述案例可以看出，将虚拟仿真技术应用于高等职业教育实践教学中，就是要用以实带虚、以虚助实、虚实结合的虚拟仿真实训系统，有效解决实训教学过程中的“三高三难”痛点和难点。

3 虚拟仿真技术实践教学效果评价

3.1 虚拟仿真技术实践教学效果评价方法

在评价虚拟仿真技术在高等职业教育实践教学中的效果时，可以使用多种评价方法。常用的评价方法包括问卷调查法、测试法、观察法、访谈法等[6]。

问卷调查法是一种常用的评价方法，通过问卷调查了解学生对于实践教学中虚拟仿真技术的认识和态度，同时还可以收集学生对于实践教学的反馈和建议，以便教师进一步优化教学内容和方法。

测试法是通过对学生进行考试来评价虚拟仿真技术在实践教学中的效果。测试可以包括笔试、机试、实操等形式，通过对学生在测试中的表现进行评价，了解学生掌握的知识和技能水平，以及虚拟仿真技术在学习中的应用情况。

观察法是教师通过观察学生在实践教学中的表现来评价虚拟仿真技术的应用效果。教师可以从学生的实际操作情况、实验结果、实验报告等方面进行观察和评价，了解学生掌握的知识和技能水平，以及虚拟仿真技术在学习中的应用情况。

访谈法是通过与学生进行面对面的交流来评价虚拟仿真技术在实践教学中的应用效果。教师可以针对学生的学习情况、实践经验、对虚拟仿真技术的认识等方面进行访谈，了解学生对于实践教学的感受和认知，以便优化教学内容和方法。

3.2 虚拟仿真技术实践教学效果评价过程

该项目有效实现了方便学生学习和对学习过程的考核评价等目标。仿真实验可使学生通过校园网在宿舍、图书馆或者其他地方自行登录进行开放学习，可以自由选择硬件进行计算机的组装，模拟实际装机的流程，培养学生从多方向、多角度去思考问题和解决问题的能力。

利用软件中场景考核的功能让学生学完即考，考完再学的灵活学习方式，使学生在学习过程中用立即发现问题，当场解决问题的方式来巩固或加强对所学知识点的熟练程度，最终达到培养学生综合创新能力和综合素养的目的。

3.3 虚拟仿真技术实践教学效果评价结果

在我院《计算机组装与维护》课程中，课程组采用了虚拟仿真技术进行实践教学。在课程结束后，对学生进行了问卷调查和测试成绩评价。结果显示，学生对虚拟仿真技术的使用效果较为满意，有73.8%的学生认为虚拟仿真技术能够帮助他们更好地理解课程内容，84.3%的学生认为虚拟仿真技术有助于提高他们的实践能力。同时，学生的实践成绩平均分从之前的75分提高到了85分，70%以上的学生的作品质量显著提升。在实际操作中，学生的操作时间缩短，错误率也大大降低，操作技能得到了明显提高。

4 虚拟仿真技术实践教学发展展望

随着虚拟仿真技术在高等职业教育实践教学中的应用不断发展和完善，它在未来的发展将大有可为：①个性化定制化：将虚拟仿真技术应用于实践教学中，需要根据不同的课程和学生的需求进行个性化的定制。②多模式教学：虚拟仿真技术可以与传统的实验、实训等教学方式相结合，形成多种教学模式，以更好地满足学生的需求。③智能化辅助：通过人工智能和大数据技术，将虚拟仿真技术与智能辅助教学相结合，提高教学效率和学生的学习体验。④面向产业需求：虚拟仿真技术的应用需要紧密结合产业需求，将学生的实践教学与实际应用场景相结合，提高学生的就业能力。

虚拟仿真技术在高等职业教育实践教学中有很大的应用潜力和发展前景，它可以提供一个模拟真实环境的学习场景，增强学生的实践能力和创新能力，同时提高教学效果和教学质量。文章通过对实践案例的研究，得出虚拟仿真技术可以有效地提高学生的实践操作能力和解决实际问题的能力。

5 结束语

该项目在满足教学需求之外，能够大幅提升学生的专业素养，是传统教学模式的有效延伸和崭新拓展。

未来，为进一步加强学生知识能力拓展范围，项目计划在已建设的计算机组装虚拟仿真软件的基础上继续建设计算机系统的安装与测试的相关实训，同时采用VR虚拟现实技术使学生的思维与意识高度沉浸到计算机组装课堂中从而获得身临其境的真实体会；同时在服务与资源共享相结合的时代背景下，依托互联网技术，通过建设网络化虚拟仿真实验管理系统高校共享，可达到高校学生实训、教师教学、科研实验共享，以虚拟实验操作促进教学，以“学”为中心，提升学生的专业素养。